不同分汊比下分汊河道水流規(guī)律試驗(yàn)研究*

趙聰聰，王平義 ，王梅力，陳雅飛

(1.重慶交通大學(xué)，國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶 400074)

在天然河道里，灘體的位置并不是固定的，即使同一個(gè)灘體也會(huì)隨著時(shí)間的推移或往岸邊或下游移動(dòng)。灘體的移動(dòng)和變化主要是水流的作用，流速的大小和分布是影響灘體變化的重要因素。分汊河道的水流運(yùn)動(dòng)最突出的特點(diǎn)就是分匯流，而河道的演變又與分流比、分沙比密切相關(guān)，因此水流規(guī)律是反映河道穩(wěn)定性的重要參數(shù)，直接影響河道主支汊的演變過(guò)程。分汊河道的水力要素與河道演變之間是一種動(dòng)態(tài)關(guān)系，河道演變依賴(lài)于水流提供的動(dòng)力和泥沙補(bǔ)給，河道變形對(duì)水流運(yùn)動(dòng)又有一定的影響，兩者相互適應(yīng)、相互調(diào)整，是流域自然條件下長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果。隨著長(zhǎng)江上游梯級(jí)水庫(kù)的修建落成，打破了原有的水沙平衡，開(kāi)展新水沙條件下的河道水流規(guī)律研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義，通過(guò)掌握分汊河道的水流特性，因勢(shì)利導(dǎo)對(duì)其進(jìn)行整治規(guī)劃，對(duì)航運(yùn)、灌溉、防洪等工程具有指導(dǎo)意義。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)分汊河道的水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了深入研究。Bramely等[1]采用渦量-流函數(shù)模型，對(duì)分汊口的二維層流進(jìn)行模擬，討論不同雷諾數(shù)和不同分汊寬度對(duì)汊道水流的影響；Ramamurthy等[2]建立直角雙汊明渠的三維紊流模型，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證三維模型，并得到三維流速分布圖，對(duì)分汊口水流進(jìn)行研究；Shettar等[3]采用沿水深平均的k-ε(湍能-湍能耗散率)紊流模型，研究了明渠分汊水流的運(yùn)動(dòng)特性；Neary等[4]通過(guò)建立三維紊流模型來(lái)研究底床糙率變化對(duì)分汊水流結(jié)構(gòu)的影響，并模擬直角分汊口區(qū)域的三維水流結(jié)構(gòu)；余新明等[5]通過(guò)水槽試驗(yàn)對(duì)分汊河道水流平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并對(duì)底沙輸移演化特征進(jìn)行探討；常宏興等[6]應(yīng)用重整化群(renormalization group，RNG)紊流模型，采用兩種自由表面處理方法即剛蓋假定和流體體積函數(shù)(volume of fluid，VOF)法進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究分汊河道不同分流比工況下的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律；童朝鋒等[7]推導(dǎo)出兩種汊道分流比的簡(jiǎn)便計(jì)算方法，即等含沙量法和動(dòng)量平衡法，并利用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證；張紅等[8]以長(zhǎng)江下游東流水道為研究對(duì)象，剖析近10年來(lái)汊道分流屬性及分流比調(diào)整的驅(qū)動(dòng)機(jī)制；劉海強(qiáng)等[9]通過(guò)對(duì)矩形渠道直口渠分水口進(jìn)行分流規(guī)律試驗(yàn)，得到不同分流比下水面變化和分流比與相對(duì)堰上水頭、主渠上下游弗勞德數(shù)的關(guān)系及流向角與分流比的關(guān)系；陳立等[10]通過(guò)分析比較現(xiàn)有分流比計(jì)算公式對(duì)三峽水庫(kù)蓄水后的實(shí)測(cè)資料的適用性，引入綜合反映兩汊糙率、比降差異的因子，建立較高精度的分流比計(jì)算式，分析分流比的變化特點(diǎn)。在眾多學(xué)者研究基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，分汊河道的水流規(guī)律是研究其河道演變的重點(diǎn)內(nèi)容，因此本文以常見(jiàn)的分汊河道為研究對(duì)象，著重分析其水流規(guī)律，為今后研究分汊河道泥沙運(yùn)動(dòng)、河道演變等提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心進(jìn)行。矩形水槽長(zhǎng)30 m、寬3 m，分為進(jìn)水段、試驗(yàn)段和出水段共3部分，試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。在試驗(yàn)段布置17個(gè)橫斷面，每個(gè)斷面布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)用來(lái)測(cè)量流速和水位等數(shù)據(jù)，橫斷面以1#～17#表示，縱斷面以Z1～Z11表示，試驗(yàn)水槽進(jìn)口流量由電磁流量計(jì)控制，水位由尾門(mén)控制。流速采用挪威Nortek科學(xué)儀器公司研制的高精度聲學(xué)多普勒測(cè)速儀測(cè)量。水位測(cè)量采用同步自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，采樣頻率為 1 次/s，每次采集60 s，系統(tǒng)利用超聲測(cè)距原理，結(jié)合先進(jìn)的傳感技術(shù)和電子技術(shù)，同步采集、記錄不同測(cè)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

為了研究不同位置灘體的水流規(guī)律，采用不同分汊比來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)李志威等[11]定義分汊比λ為灘體所在河道的支汊水面寬度B1與主汊水面寬度B2之比，則采用3種分汊比分別為0.90、0.67、0.43進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)以長(zhǎng)江上游河段為研究區(qū)域，根據(jù)長(zhǎng)江上游航行參考圖[12]，統(tǒng)計(jì)出典型灘體的形態(tài)尺寸，結(jié)合試驗(yàn)水槽條件，設(shè)計(jì)灘體長(zhǎng)度為510 cm，依次為灘頭段、順直段、灘尾段，長(zhǎng)度分別為120、150、240 cm，高度為12 cm。本次試驗(yàn)為恒定流概化模型試驗(yàn)，采用3個(gè)流量、水深進(jìn)行研究，分為未淹沒(méi)、恰淹沒(méi)以及完全淹沒(méi)3個(gè)狀態(tài)，具體工況見(jiàn)表1，每個(gè)分汊比均按這5個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)分析

2.1 不同分汊比下的橫向流速分布規(guī)律

為了能較為全面地研究水流規(guī)律，本文從橫向流速、縱向流速以及分流比3個(gè)方面進(jìn)行分析。

分析橫向流速時(shí)選取灘頭(4#斷面)、灘體順直段(9#斷面)、灘尾(14#斷面)3個(gè)特征斷面對(duì)不同工況、不同分汊比下的橫向流速進(jìn)行對(duì)比分析。灘頭橫向流速分布見(jiàn)圖2。可以看出，流速?gòu)淖蟀吨劣野队邢葴p小后增加的趨勢(shì)，最小流速出現(xiàn)在灘體中軸線(xiàn)附近。在同一分汊比下，當(dāng)流速較小時(shí)，斷面流速較平穩(wěn)，沿河寬方向變化不大，隨著流速的增加，中軸線(xiàn)流速開(kāi)始減小，各工況下減小的幅度略有不同，可以看到流量越大，水深越小，流速減小幅度越大。這是因?yàn)樗髦练至鼽c(diǎn)后，向左右兩個(gè)汊道分流，水流分散，加之灘體的阻礙作用，中間的流速變小，在灘體中軸線(xiàn)區(qū)域形成一個(gè)低流速區(qū)。在不同分汊比下，流速變化的現(xiàn)象又有不同，在分汊比0.90時(shí)，由于灘體大致處于河道中心，兩邊分得的流量大致相當(dāng)，因此兩汊的流速基本相差不大。在分汊比0.67時(shí)，心灘的位置往左岸偏移，左汊變窄，左汊分得的流量比右汊少，因此左汊流速略微小于右汊流速，左右兩汊流速不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象在分汊比0.43時(shí)更明顯，并且由于該位置比較靠近邊壁，在邊壁效應(yīng)和灘體阻礙的雙重影響下，左汊流速相比其他兩個(gè)分汊比會(huì)稍小一些，與右汊流速相比則小得多，在圖上反映為從左岸至右岸連續(xù)增加。該斷面流速的變化分流比起主要作用，隨著左汊逐漸變窄，分得的流量減少，流速有變小的趨勢(shì)，而右汊流速有增加的趨勢(shì)。

圖2 不同分汊比時(shí)4#斷面的橫向流速分布

9#斷面為灘體順直段，灘體最寬處即河道最窄處，斷面平均流速最大，橫向流速分布見(jiàn)圖3。由于設(shè)計(jì)3種水深，在未淹沒(méi)條件下灘面上的測(cè)點(diǎn)未能測(cè)到流速，因此圖像上存在斷點(diǎn)。最大流速一般出現(xiàn)在灘槽交界區(qū)，反映汊道主流線(xiàn)出現(xiàn)在灘體邊界深槽處，進(jìn)入灘面略微減小，這是因?yàn)闉w有一定的坡度，上灘后水深變淺，坡降變大，流速下降且不穩(wěn)定，這里流態(tài)最為復(fù)雜，水流上下波動(dòng)極為紊亂。在灘體全淹沒(méi)狀態(tài)下，最大流速出現(xiàn)在灘體中軸線(xiàn)處，此時(shí)整個(gè)河道被水流貫通，灘體的分流作用減弱，心灘成為河底暗灘，流速分布比較符合“中間大兩邊小”的規(guī)律。在3種位置下，隨著左汊變窄，流速不斷增加，在分汊比0.43時(shí)，左汊流速最大，并且左汊的流速大于右汊的流速，左汊流速變化范圍大，最大漲幅超過(guò)15%，右汊流速相對(duì)平穩(wěn)，說(shuō)明較窄一側(cè)汊道流態(tài)更加紊亂。在該斷面引起流速變化起主要作用的是過(guò)水面積，在灘體順直段，支汊道越窄，過(guò)水面積越小，流速越大。

圖3 不同分汊比時(shí)9#斷面的橫向流速分布

14#斷面在灘尾處，灘體逐漸變矮，所占河道寬度變小；河道變寬，兩流逐漸交匯，橫向流速分布規(guī)律見(jiàn)圖4。可以看出，不同工況不同位置下的橫向流速分布規(guī)律是相似的，灘槽流速較為平穩(wěn)，灘體中軸線(xiàn)流速最小，在灘尾也會(huì)形成一個(gè)低流速區(qū)。這是因?yàn)樗魍ㄟ^(guò)灘體達(dá)到匯流區(qū)時(shí)，兩汊水流經(jīng)交匯碰撞相互融合后以相同的速度運(yùn)動(dòng)，可以認(rèn)為是非彈性碰撞，動(dòng)量守恒而動(dòng)能損失，水流碰撞造成強(qiáng)烈紊動(dòng)導(dǎo)致能量耗散，具體表現(xiàn)則是流速減小。最大流速一般出現(xiàn)在灘槽交界處，然后向兩岸逐漸穩(wěn)定，說(shuō)明主流線(xiàn)仍在灘體附近。流速沿橫向分布在大小上具有不對(duì)稱(chēng)性，流速的不對(duì)稱(chēng)性受分汊比的影響，分汊比越小即灘體越靠近岸邊，流速的不對(duì)稱(chēng)性越明顯。究其原因是兩汊的水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，可以追溯至分流點(diǎn)位置，自分流點(diǎn)至匯流區(qū)兩汊流量、汊道寬度不同，受灘體和邊壁的影響不同，導(dǎo)致左右兩汊流速不對(duì)稱(chēng)。

圖4 不同分汊比時(shí)14#斷面的橫向流速分布

總體來(lái)看，各斷面的流速分布均受灘體的影響，靠近邊壁的灘體受自身和邊壁的雙重影響，灘體的位置對(duì)流速分布規(guī)律影響較小，對(duì)流速的量值變化影響較大。在分汊河段，分流區(qū)和匯流區(qū)都會(huì)形成一個(gè)低流速區(qū)，但形成的原因不同，前者為灘體的阻礙作用，后者為過(guò)流斷面變寬加之兩流匯合的能量耗散，使后者流速減小的程度大于前者。

2.2 不同分汊比時(shí)縱向流速分布規(guī)律

為研究灘體所在河段區(qū)域的縱向流速分布規(guī)律，采用固定流量改變水深的方法，即選取3個(gè)工況(工況2～4)對(duì)3個(gè)分汊比的縱向流速進(jìn)行對(duì)比分析。以1#斷面為原點(diǎn)，左右汊都取灘槽交界區(qū)的斷面，即分汊比0.90時(shí)選擇Z4、Z8斷面，分汊比0.67時(shí)選擇Z3、Z7斷面，分汊比0.43時(shí)選擇Z2、Z6斷面進(jìn)行對(duì)比分析，左、右兩汊縱向流速分布見(jiàn)圖5、6。

圖5 不同分汊比時(shí)左汊縱向流速分布

圖6 不同分汊比時(shí)右汊縱向流速分布

對(duì)于縱向流速，不同工況下水深的改變對(duì)流速的大小有影響，對(duì)流速的分布規(guī)律沒(méi)有顯著變化，各工況下的分布規(guī)律是相似的。由圖5、6可以看出，在灘體上游，水流未受到灘體的影響，流速比較穩(wěn)定，至灘頭處，由于過(guò)水?dāng)嗝骈_(kāi)始變窄，流速開(kāi)始增加，并且增長(zhǎng)速率較快，到灘體順直段河寬達(dá)到最窄，流速升至最大，在順直段流速并不穩(wěn)定，并且測(cè)點(diǎn)在灘槽交界處，之后河道慢慢放寬，水流流速也開(kāi)始下降，下降速率較為緩慢，最后趨于穩(wěn)定。在流速變化方面，大水深下流速小、變化幅度小，水深越小流速越大，變化幅度也越大，在3種工況下，小水深時(shí)最大流速差能達(dá)到0.3 m/s，而大水深下的最大流速差僅有0.07 m/s，說(shuō)明淺水下流速沿程變化劇烈，流速的增加幅度受平均流速的限制。灘體位置的變化對(duì)順直段的流速變化有影響，體現(xiàn)在變幅上，對(duì)其他區(qū)域影響較小，右汊流速變化相對(duì)于左汊平穩(wěn)一些?？傮w上，流速沿程變化規(guī)律和灘體的形態(tài)有關(guān)，灘頭相較于灘尾陡短，反映在流速上則是變化率大，流速對(duì)灘體坡降的變化十分敏感。

2.3 不同分汊比下的分流比規(guī)律

天然分汊河道計(jì)算分流比的方法有多種，何書(shū)會(huì)[13]曾用推求水面線(xiàn)的方法進(jìn)行分流比計(jì)算，雖然得到的解比較精確，但是推算過(guò)程十分繁瑣。目前多是利用數(shù)學(xué)計(jì)算公式進(jìn)行求解，很多學(xué)者都建立了比較適用的公式，但基本是在丁君松等[14]、韓其為等[15]、秦文凱等[16]建立的公式上改進(jìn)的。結(jié)合本試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分流比計(jì)算。根據(jù)分流比定義，得出左汊分流比ηL為：

(1)

式中：QL、QR為進(jìn)入左、右汊的流量。在試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)得各斷面測(cè)點(diǎn)的流速和水位，根據(jù)式(1)可以計(jì)算得到各汊流量。以測(cè)點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)沿河寬分為若干個(gè)流帶，計(jì)算每個(gè)流帶的面積，在兩邊深槽處，將斷面概化為矩形斷面，在灘面處，將斷面概化為梯形斷面進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)計(jì)算，各工況下計(jì)算流量與設(shè)計(jì)流量誤差在5%以?xún)?nèi)，說(shuō)明數(shù)據(jù)具備可靠性。

本試驗(yàn)是概化模型試驗(yàn)，沒(méi)有天然河道復(fù)雜，故不考慮一些復(fù)雜的因子，采用基于曼寧公式得到的分流比計(jì)算公式：

(2)

式中：AL、AR分別為左、右汊道斷面過(guò)水面積；HL、HR分別為左、右汊道平均水深；nL、nR分別為左、右汊道糙率系數(shù)；JL、JR分別為左、右汊道比降。將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖7。

圖7 實(shí)測(cè)分流比與計(jì)算分流比對(duì)比

本試驗(yàn)中，引起分流比變化的主要因素是分汊比，為了得到分流比明顯的變化，灘體在河道中的相對(duì)位置每次間隔30 cm獲取3個(gè)分汊比，對(duì)應(yīng)的分流比相差較大，數(shù)據(jù)反映在圖上則呈現(xiàn)出分段現(xiàn)象。由圖7可以看出，不同分汊比時(shí)的分流比不同，從點(diǎn)的分布來(lái)看，計(jì)算值略大于實(shí)測(cè)值。其中分汊比0.90的分流比分布比較集中，大多數(shù)點(diǎn)都在線(xiàn)上；分汊比0.67的分流比分布比較發(fā)散，但多數(shù)點(diǎn)分布在線(xiàn)上或線(xiàn)的周?chē)?，偏離程度不是很大，說(shuō)明計(jì)算公式在這兩種情況下適用性較好，灘體越靠近河道中央兩汊流量越穩(wěn)定；分汊比0.43的分流比分布也比較分散，比分汊比0.67時(shí)稍好，但與計(jì)算分流比的吻合度不佳，偏離程度很大，最大誤差超過(guò)10%，說(shuō)明計(jì)算公式在分汊比較小，即兩汊寬度相差較大時(shí)適用性欠佳。文獻(xiàn)[16]指出，若支汊和干流間存在一定的夾角，水流至分流點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲形成環(huán)流，進(jìn)而影響分流比。在本試驗(yàn)中，雖然干流與支汊同在一矩形河槽，不存在夾角，但由于灘體的存在，水流在分流點(diǎn)處仍會(huì)產(chǎn)生夾角，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而在式(2)中沒(méi)有考慮這一變量，導(dǎo)致公式在小分汊比下不再適用。

3 結(jié)語(yǔ)

1)河道中由于灘體的存在，對(duì)水流的影響特別大，主要是水流變得紊亂，流態(tài)變得復(fù)雜，對(duì)地形的演變和航道的維護(hù)帶來(lái)重大影響。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)灘體前后都會(huì)存在一個(gè)低流速區(qū)，兩汊流速具有不對(duì)稱(chēng)性，大部分?jǐn)嗝媸菍拏?cè)流速大于窄側(cè)，但在灘體最寬段，窄側(cè)流速會(huì)大于寬側(cè)，主要是受分流比和過(guò)水面積的影響；沿程流速受灘體形態(tài)影響，與灘體的地形走勢(shì)一致，不同分汊比下的流速變化不一致，窄側(cè)流速變幅大，寬側(cè)流速相比較平緩。

2)不同分汊比下的分流比明顯不同，大分汊比下流速較為穩(wěn)定，則分流比分布較為集中，小分汊比下流速比較紊亂，則分流比分布較為發(fā)散。通過(guò)與計(jì)算分流比相比，大分汊比下的分流比吻合度較好，小分汊比下有偏離，說(shuō)明灘體往邊壁靠近，影響分流比的因素越多，需要考慮更多的因素才能得到更加真實(shí)的分流比。