復式分汊水槽水流特性試驗研究

李潤祥，朱殿芳，范鐘軼，羅亞軍，劉 濤，張 婧，郭志學

(1.四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065;2.成都市市政工程設計研究院，四川 成都 610023;3.西華大學，四川 成都 610039)

0 引 言

黑龍江干流江心洲形成主要有心灘淤積發(fā)展和邊灘切割2種主要方式，前者汊道平面形態(tài)對稱，分流角大致相同，多為順直分汊河型；后者新汊道的形成使得水流主流線改變，形成新的沖淤形勢，造成河道岸線的改變。對于黑龍江的河床沖刷和演變規(guī)律，不少學者從不同方面進行了研究，冷莉等從河床穩(wěn)定等角度分析黑龍江干流上中游河段的穩(wěn)定性[1]；王軍[2]從河流泥沙動力學理論出發(fā)，從沖刷坍岸、低灘切割、穩(wěn)定主流等幾個方面分析了黑龍江干流的河床演變規(guī)律。

對于復式分汊河道來說，河道具有分汊河道的平面形態(tài)，當水流漫灘之后，過水斷面呈現(xiàn)復式斷面形態(tài)，所以水流的運動特征同時與河道的分汊形態(tài)及復式過流斷面相關。

復式斷面是天然河流中常見的斷面形態(tài)，水流漫灘之后，由于邊界條件的改變，水流的水力特性隨之發(fā)生改變。最先研究復式河槽水流運動特性的是前蘇聯(lián)學者熱烈茲拿柯夫[3]，通過試驗發(fā)現(xiàn)水流漫灘之后，在灘槽水流相互作用下，主槽過流能力降低。之后國內外許多學者通過水槽試驗對復式河槽進行了研究，并取得了不少成果。在清水定床復式河槽試驗中，所取得的成果主要包括復式河槽漫灘水流的流速及分布特性[4-5]，復式河道的過流能力及灘槽阻力[6- 8]，灘槽水流結構及紊動強度[9-10]；復式河槽的渾水試驗也取得不少成果，主要包括灘槽含沙量及其分布特性[11-12]，灘槽泥沙的淤積分布[13-14]等等。水流淹沒邊灘時，過水斷面濕周發(fā)生突變，床面阻力增大，灘面流速減小，主槽流速與灘面流速之間存在流速差，這是剪切面和二次流產(chǎn)生的重要原因。通過水流的摻混交換，在灘面水流和主槽水流間進行動量傳遞，使斷面流速分布更加均勻[15]?？紤]到流速分布的差異及邊界影響，吉祖穩(wěn)等[16]通過水槽試驗，將復式斷面進行分區(qū)，提出分區(qū)標準及各區(qū)流速特點及計算方法。主槽流速與灘面流速之間的流速差，產(chǎn)生了橫向上的動量差，使得在研究復式斷面水流流速分布及運動特征時候，考慮灘槽動量交換得到的結果更加準確并符合實際[17]。

天然河道的河型通常分為順直型、彎曲型、分汊型、蜿蜒型，按不同平面形態(tài)，分汊型河道分為順直型分汊、微彎型分汊和鵝頭型分汊三種[18]。近年來分汊河道的研究主要集中在分汊河道的分流分沙[19-20]、分汊口及匯流口的水力特性[21-23]等。其中，對于分汊河道的水流特征研究，陳娟等[24]利用只考慮重力相似的概化模型探究了彎道分流時支汊河道水流特性，受主汊環(huán)流影響，支汊上游形成折沖水流，表層主流束窄作用明顯，支汊斷面橫向比降較大。分汊水流在分汊口處會出現(xiàn)河道明顯展寬，部分彎曲分汊河道曲率較大，導致在分汊口處會出現(xiàn)回流區(qū)[25]。華祖林等[26]采用Reynolds應力三維湍流模型對分汊河道水流特性進行模擬，結果顯示出分離區(qū)特征尺寸主要受上游來流流量和汊道寬度影響。

從以上研究現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，復式河道及分汊河道的水流特征前人均開展了較多的研究，但他們偏向于單一河型的研究，針對兩種河型疊加的復式分汊河道的研究較少。復式河道中灘槽相互作用對水流的橫向、縱向流速分布都產(chǎn)生影響，分汊河道形態(tài)影響水流的平面二維流速分布，水流結構呈現(xiàn)三維復雜性。分汊河道疊加復式斷面形態(tài)后，在江心洲分流及側向擠壓作用與灘槽相互作用的綜合作用下，平面水流結構可能表現(xiàn)出新的特點。基于前人的研究，通過對黑龍江中游100多個分汊河道形態(tài)參數(shù)的歸納總結，概化形成復式分汊河道模型，探索水流在復式和分汊疊加作用下的運動特征，由此分析江心洲的發(fā)育及演變問題，為類似黑龍江水系寬邊灘復式分汊河道的河床演變分析提供一定的理論預測。

1 試驗設計

試驗水槽模型設置在四川大學水力學及山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點試驗室，試驗水槽采用鋼化玻璃邊界，長12 m，寬2 m，高0.5 m，比降0.1%。模型上游為單一復式河道，長3 m，過水斷面總寬1.40 m，左右岸邊灘對稱；上游經(jīng)擴散段進入分汊河段，擴散段主槽邊界由兩段半徑相同的弧線順滑連接。模型中段江心洲長4 m，寬0.6 m，高0.2 m，江心洲兩側汊道均為復式形態(tài)，各支汊主槽對稱，兩側邊灘對稱，灘槽寬度比為3∶1，江心洲下游與上游呈對稱形態(tài)。

試驗模型的平面布置如圖1所示。

圖1 模型平面示意

試驗測點沿斷面布置，上下游對稱斷面測點也對稱分布。流速測量采用ADV，其中，縱向流速u指向下游為正值，橫向流速v指向左岸為正值，垂向流速ω水流表層為正值。測量平面應盡量靠近平灘平面，以保證試驗成果可以反映出水槽在斷面形態(tài)變化處的流速特征。基于此考慮，選取平灘平面上方0.03 m平面流速、平灘平面下方0.01 m平面流速分別分析灘面及主槽水流的流動特征。

由于試驗水槽的平水池不夠大，不能使水流在進槽之前盡可能與槽邊縱向平行，進水口處存在一定的水流偏轉，盡管采取了修建花墻及平水管等措施，但是通過測量數(shù)據(jù)結果分析，還是存在一定的向左岸偏轉的現(xiàn)象，在后文數(shù)據(jù)分析中有所體現(xiàn)?？紤]測量儀器需要一定的水深，且供水管道存在最大供水能力，選擇40、60 L/s為試驗流量，主槽深度選擇0.08、0.10 m，試驗工況見表1。

表1 試驗工況

2 結果分析

2.1 縱向流速u分析

不同流量、主槽深度下，雖然局部流速分布存在差異，但對應流層(水深為h)的水流特性呈現(xiàn)一致?？v向流速等值云圖見圖2。

從圖2可以看出：

圖2 縱向流速u流速等值云圖

(1)A21工況下，h=0.05 m時，水流在臨近順直段處存在局部流速的高值區(qū)，且高值區(qū)分布呈現(xiàn)由彎曲段外側向內側，范圍減小的特點，與彎曲河道的流速分布呈現(xiàn)一致性，所以可能存在“凸岸淤積、凹岸沖刷”現(xiàn)象。

(2)A21與A23工況下，h=0.11 m時，在CS7～CS9斷面之間，江心洲洲頭兩側存在明顯的高速區(qū)(u>35 cm/s)，這是由于水流受洲頭頂托影響，順江心洲洲頭向兩汊分流，江心洲兩側出現(xiàn)卡門渦旋，渦旋的存在使得水位起伏大，紊動強烈，u在局部增加。高速區(qū)范圍由江心洲側以近似環(huán)狀向兩岸擴散，受到上游河道展寬及下游折沖水流的影響，高速區(qū)流速隨著擴散逐漸減小。江心洲洲尾匯流出現(xiàn)脫壁流，兩側水流交匯水流紊動劇烈，有渦旋在此處產(chǎn)生，局部水流紊動強烈，加上折沖水流的影響，使得流速較小。隨著流量的加大，呈現(xiàn)出高速區(qū)范圍加大，低速區(qū)范圍減小的特點，且折沖水流影響加大。

(3)A23、A33工況下，隨著灘槽高差的增加，相對水深減小，江心洲兩側的高速區(qū)及整體流速減小，水流分汊以后能較快恢復平順狀態(tài)。

CS6斷面與CS7斷面位于江心洲洲頭前后，兩斷面縱向流速分布如圖3所示。從圖3可以清晰看出，江心洲洲頭近似對稱的低流速區(qū)，CS6斷面江心洲洲頭處流速最小，此處水槽斷面中心壅水最為嚴重，由江心洲洲頭向兩側岸邊，縱向流速逐漸增大。主槽位置的流速表現(xiàn)為“外側大，內側小”，這是斷面趨直產(chǎn)生的折沖水流、江心洲洲頭的頂托共同作用的結果。CS7斷面上表現(xiàn)出江心洲側的高速區(qū)由江心洲兩側向外逐漸減小，說明水流分流后趨直作用強于流線彎曲。在灘槽交界處，由于灘槽水流的相互影響，導致水流紊亂加強，灘槽交界處水流流速減小。

圖3 典型斷面縱向流速分布

2.2 橫向流速v分析

由進口處水流偏轉帶來的影響在流速橫向流速v等值云圖中(見圖4)表現(xiàn)得更加明顯。

從圖4可以看出：

圖4 橫向流速等值云圖

(1)左岸的水流的橫向偏轉大于右岸。由于水流偏轉的影響，左汊分流比大于右汊，由此左汊的流速高值區(qū)及流速大小均略大右岸。

(2)在A21工況下不同水深處，橫向流速分布及大小存在差異，分流區(qū)橫向流速高速區(qū)分布在CS5～CS7斷面之間，對于橫向流速來說，h=0.05 m處明顯大于h=0.11 m處，由此說明復式斷面的存在，主槽的引流導向作用，加大了水流的橫向流速大小。

(3)A21和A23工況下，隨著流量增加，分流段橫向流速高值區(qū)范圍未發(fā)生明顯變化，依舊集中在CS5～CS7斷面之間，以江心洲洲頭兩側為最大值點，向兩岸斜向上游遞減。隨著流量的增大，分流段水流的橫向流速絕對值減小，水流逐漸趨向順直，江心洲洲頭處由于存在水流分流，分汊角較大，水流邊界曲率明顯，水流特征與彎曲河道水流特征相似，符合“小水作彎，大水趨直”的特點。與縱向流速u的高值區(qū)相比，v的高值區(qū)更靠前，因為此高值區(qū)主要是由于江心洲的洲頭分流引起的。所以在江心洲的穩(wěn)定治理時候，要注意洲頭受橫向流速的剝離侵蝕影響。

(4)A23、A33工況下，在流量均為50 L/s的條件下，隨著主槽深度的加大，灘面水深減小，更多的水流在主槽中流動，受到主槽的限制作用加大，分流段橫向流速分布的高值區(qū)范圍減?。粎R流段的高值區(qū)范圍變化卻表現(xiàn)得與分流段的相反，呈現(xiàn)擴大趨勢，匯流段橫向流速的產(chǎn)生，更多的是由于水槽斷面的束窄作用，邊壁的約束使得水流產(chǎn)生橫向偏轉，而結合A23、A33的縱向流速u等值云圖，A33工況的縱向流速大于A23，所以工況A33的匯流段的橫向流速也大于工況A23。

斷面流速橫向分布圖能更好的展現(xiàn)復式斷面和分汊斷面在水流結構中的作用。CS6斷面橫向流速v斷面分布如圖5所示。從圖5可以看出，CS6斷面處于江心洲洲頭切線處，分流段v最大值、最小值落在CS6、CS7斷面之間，水流經(jīng)過江心洲分流，v以中軸處為中心向兩側急劇增加，但不同流量下，在斷面Y=0.66 m及Y=1.34 m處|v|值陡降，然后再向兩岸緩慢減小。

圖5 CS6斷面橫向流速v斷面分布

Y=0.66 m及Y=1.34 m處正是分流段兩側支汊主槽所處位置，|v|突然減小，說明復式河槽的形狀使水流在主槽和邊灘中存在著交換。CS6斷面u與v的橫向分布說明，灘槽相互作用會使分流水流流速橫向分布重新調整，分流作用被限制在主槽中間，主要影響江心洲邊灘和主槽水流流速分布，而兩岸邊灘流速分布受斷面展寬影響更大。

3 結論與展望

(1)水槽試驗段縱向流速和橫向流速的平面分布主要受分汊形態(tài)影響。隨著流量的增大，灘面水深增加，灘面流速低值區(qū)范圍縮小，高值區(qū)范圍增大。順直分汊水槽中左右兩汊形狀對稱，隨著流量的增大，分流段水流的偏轉逐漸縮小，水流逐漸趨向順直，符合“小水作彎，大水趨直”的特點。

(2)順直寬邊灘對稱分汊水槽斷面流速橫向分布與水槽斷面形態(tài)和位置有關。上游段灘面水流符合復式水槽斷面流速橫向分布特征，橫向流速呈“主槽大，邊灘小，灘槽交界凹陷”分布。復式斷面灘槽交換對斷面流速分布產(chǎn)生擾動，在江心洲洲頭斷面擾動最為明顯，灘槽交換將分流作用限制在兩主槽中部，主槽位置流速局部突變。汊道段主槽窄小，主槽平衡區(qū)的消失，使斷面橫向流速的分布與上游段相反，縱向流速分布曲線在主槽處的變化更突出。

(3)根據(jù)試驗所得水流特征，針對對類似黑龍江水系寬邊灘復式分汊河道的河床演變來說，應重點關注江心洲洲頭兩側在橫向流速和漩渦作用下的沖刷，江心洲洲頭及洲尾存在低速區(qū)，一定的水沙條件會導致其發(fā)生淤積生長。

(4)本文僅對分汊復式河道做了定床水流流速平面特性分析，今后將開展動床試驗研究，驗證和探究在此水流結構條件下，河床演變和江心洲穩(wěn)定發(fā)育的規(guī)律。