水閘下游河床形態(tài)變化試驗(yàn)研究

鄒廣明

(開(kāi)平市水政監(jiān)察大隊(duì)，廣東 開(kāi)平 529300)

1 概 述

河水沖刷現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在建筑物附近，且由于水流的橫向收縮，通常會(huì)導(dǎo)致水工建筑物的坍塌。此外下游河床的形態(tài)受到?jīng)_刷的影響，會(huì)形成沙丘或沙洲，導(dǎo)致水流和泥沙輸送發(fā)生嚴(yán)重變化。 因此研究水閘等水工建筑物的最大沖刷深度具有重要意義[1-3]。

閘門下游的沖刷是由紊流淹沒(méi)的水平射流引起的，通常被認(rèn)為是二維的。閘門開(kāi)啟尺寸、尾水深度、流速的共軛，會(huì)產(chǎn)生不同的射流，并伴隨著水躍[4-5]。水流湍急，即使是相對(duì)較低的射流弗勞德數(shù)，沖刷空腔也會(huì)以不同的速率發(fā)展，這取決于沉積物大小及其不均勻性。除了預(yù)測(cè)最大沖刷深度來(lái)正確設(shè)計(jì)此結(jié)構(gòu)外，下游沙丘演變還可以提供泥沙輸移機(jī)制的見(jiàn)解[6]。賀麗麗等[7]為了分析不同流量和彎道角度對(duì)河道沖刷深度的影響,在室內(nèi)進(jìn)行了不同流量和彎道角度河道沖刷試驗(yàn)。 段淇元[8]通過(guò)某水庫(kù)壩前沖刷漏斗物理模型試驗(yàn)研究了沖刷漏斗形態(tài),分析了不同出庫(kù)流量、排沙水位、排沙孔開(kāi)啟位置及進(jìn)口高程下漏斗縱橫向坡度變化的規(guī)律。彭慧榮[9]基于三維快速拉格朗日法的基本原理,以FLAC3D軟件為基礎(chǔ),選取4.00 m、5.36 m和6.00 m三種沖刷深度,對(duì)由于基礎(chǔ)埋設(shè)深度過(guò)淺,以致基層被水流掏空而引起的提防結(jié)構(gòu)損害進(jìn)行模擬。此外，還有部分學(xué)者對(duì)泥沙沖淤規(guī)律和演變特征進(jìn)行了分析[10-11]。

本文為分析泄洪閘下游沖刷坑和沙丘中的護(hù)坦長(zhǎng)度和尾水深度的影響，采用視頻記錄和圖像處理技術(shù)研究了水閘下游的河床形態(tài)，探討了沉積床隨時(shí)間演化和泥沙運(yùn)輸量的變化規(guī)律，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

本文的試驗(yàn)主要在閉路水槽中對(duì)水閘下游的沖刷進(jìn)行研究。該水槽長(zhǎng)615 mm，深150 mm，寬15 mm。流量由閘閥控制，并使用刻度為5 mL的燒杯和數(shù)字計(jì)時(shí)儀測(cè)定流速。閘門高度設(shè)定為b=6 mm(圖1)。渠道中的水深(yt)由水槽下游末端的垂直堰(高度為p)控制。水槽底部由長(zhǎng)度(L)在0～100 mm的護(hù)坦組成。擋板下游有一個(gè)沉淀物箱(62 mm深)，里面裝滿了直徑2 mm的玻璃球，采用這種理想化的泥沙床，忽略了泥沙不均勻性的影響。由于水槽的橫向尺寸較小，沉積物床的形態(tài)可以很容易地用攝像機(jī)進(jìn)行可視化和監(jiān)控。沉積物的大小可以在圖像中很好地進(jìn)行識(shí)別，從而在實(shí)驗(yàn)期間清晰地定義沉積物-水界面。圖1為本文的試驗(yàn)設(shè)計(jì)尺寸。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)尺寸

表1為試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)。閘門開(kāi)度和射流平均速度(Uj)，射流弗勞德數(shù)Frb≈3.9。根據(jù)尾水深度(yt)和下游平均流速(U)，相應(yīng)的流量弗勞德數(shù)Frp在0.18和0.33之間變化?；诓Ａ蛑睆?D)和密度(s)的密度弗勞德數(shù)Frd在5.33和5.39之間變化。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 測(cè)試程序

本小節(jié)描述了試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)程序，以及沉積物層結(jié)構(gòu)的分析。首先，將球形顆粒放置在通道內(nèi)，球體的底座被調(diào)平。加水后，小心地用一根小桿將沉淀物床混合，以確保清除沉淀物床內(nèi)的空氣。調(diào)平玻璃球表面后，向水槽中注滿水，直到達(dá)到規(guī)定的水位和流速。視頻錄制是通過(guò)索尼HDR-XR105E全高清1080攝像機(jī)完成的，是在水槽填充后開(kāi)始的。試驗(yàn)的初始時(shí)刻(t=0 s)是閘門置于水槽內(nèi)的時(shí)刻。實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間在8～14 min之間，實(shí)驗(yàn)時(shí)間由沉積層變化這一事實(shí)決定。攝像機(jī)的焦距和光圈在所有條件下都是相同的，圖像采集頻率為24 fps。為了以物理單位轉(zhuǎn)換像素，使用了放置在通道底部的標(biāo)尺，以及水槽后窗口中的網(wǎng)格。為了確保水和沉積物之間的最佳對(duì)比度，對(duì)試驗(yàn)段采取了措施避免偽光反射，并添加了黑色背景。圖2為t=5 s時(shí)通道初始和最終部分的圖像。

圖2 t=5 s時(shí)通道圖像

圖3 在t=5 s時(shí)在試驗(yàn)條件N1下圖像

圖4 t=5 s的試驗(yàn)條件N1下的沉積物-水界面識(shí)別

為了有效利用相機(jī)的分辨率，每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了兩次。第一次拍攝水閘附近的區(qū)域，第二次在相同條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)，拍攝水槽后半部分對(duì)應(yīng)的區(qū)域(圖3)。這些區(qū)域重疊64 mm，因此之后可以縫合圖像(圖4)，從而增加整體視野。然后在預(yù)先設(shè)定的瞬間將視頻轉(zhuǎn)換為靜止圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行處理，以獲得水槽的完整圖像。本文為了處理圖像并提取定量信息，在Matlab中編寫(xiě)了一個(gè)代碼。該代碼有兩個(gè)主要部分。第一個(gè)是縫合操作，如圖3和圖4所示，將連續(xù)圖像縫合在一起。在該操作中，還應(yīng)用了透鏡畸變校正。代碼的第二部分是過(guò)濾和邊界提取。首先用高斯濾波器平滑圖像的不規(guī)則性，然后用中值濾波器去除噪聲。然后，通過(guò)設(shè)置一個(gè)方便的門檻使用Sobel邊緣檢測(cè)算法確定邊界。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 沉積床的時(shí)間演化

圖5給出了不同水流條件情況下的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，N1條件下，沖刷腔在水閘段(x=0)之后立即開(kāi)始，深度和延伸度隨時(shí)間增加。在其他試驗(yàn)條件下也觀察到了相同的結(jié)果，但獲得的最大沖刷深度、位置、最大沙丘高度和相應(yīng)位置的值隨試驗(yàn)參數(shù)而變化(表1)。在流量條件N1和N2的情況下，最大沖刷深度以更高的速率增加。當(dāng)與流量條件N3和N4進(jìn)行比較時(shí)，在條件N1和N2中，由于不存在護(hù)坦(L=0 cm)，泄水閘的射流立即接觸沉積物床。在L=8 cm(條件N3和N4)的情況下，當(dāng)射流流過(guò)擋板時(shí)，射流會(huì)減速，同時(shí)形成壁～到8倍。在L=8 cm的情況下，相應(yīng)的護(hù)坦長(zhǎng)度等于閘門開(kāi)度的13.3倍。

圖5 不同水流條件情況下的試驗(yàn)結(jié)果

圖6給出了最大沖刷深度隨時(shí)間和相應(yīng)縱向位置的演變。由圖可知，對(duì)于下游較淺的水流，最大沖刷深度更高。在N1和N3條件下，射流的淹沒(méi)比非常小(0.02)，而在N2和N4條件下，其近似等于0.5。較高的淹沒(méi)率對(duì)應(yīng)于閘門下游發(fā)生的水躍中較高的能量消耗。在最大沖刷深度(圖6(b))的縱向位置(x)，觀察到相同的沖刷模式，擋板長(zhǎng)度和尾水深度的影響并不明顯。

圖6 最大沖刷深度和相應(yīng)縱向位置隨時(shí)間的演變

圖7 給出了最大沙丘高度和相應(yīng)縱向位置隨時(shí)間的演變。由圖可知，受侵蝕的沉積物堆積在下游形成的沙丘或沙洲中。沙丘的最大高度隨著時(shí)間的推移略有增加(圖7(a))，并向下游移動(dòng)(圖7(b))。當(dāng)t>20 s時(shí)，沙丘頂部變平，沙丘進(jìn)一步向下游移動(dòng)，而其最大延伸(大致相當(dāng)于上游和下游斜坡之間的平頂延伸)增加。在流動(dòng)條件N1和N2下，最大沙丘高度的增加速率高于條件N3和N4。對(duì)于固定的L值，尾水深度越高(N2和N4)，沙丘高度越高，因?yàn)樵谳^淺的水流中，平均流速和弗勞德數(shù)值越高，有助于泥沙輸送和沙丘頂部的平滑。

圖7 最大沙丘高度和相應(yīng)縱向位置隨時(shí)間的演變

4.2 泥沙運(yùn)輸量分析

在目前的水流中，可以確定兩種泥沙輸移模式：懸移質(zhì)和推移質(zhì)，懸移質(zhì)負(fù)責(zé)沖蝕腔外的泥沙輸移，推移質(zhì)負(fù)責(zé)沙丘頂部的泥沙輸移及其在沙丘背風(fēng)面上的沉積。隨著沖刷過(guò)程的發(fā)展，懸移質(zhì)減少，在沖刷腔的下游邊坡中觀察到推移質(zhì)。圖8給出了每單位寬度的沖刷體積(圖8(a))和相應(yīng)的每單位寬度固體輸送率(圖8(b))，這兩個(gè)數(shù)據(jù)都是在不同時(shí)刻估算的。結(jié)果表明，對(duì)于流動(dòng)條件N1和N2，固體傳輸速率在t=10 s時(shí)最大，而對(duì)于條件N3和N4，固體傳輸速率分別在t=30 s和25 s時(shí)最大。這些結(jié)果表明，在沒(méi)有護(hù)坦的情況下，射出水閘的射流具有立即侵蝕沖刷腔的能量。在L=8 cm的情況下，射流的能量較小，侵蝕過(guò)程較慢。在這兩種情況下，當(dāng)沖刷腔達(dá)到其最大深度的38%左右時(shí)，固體傳輸速率最大。t=200 s后，沖刷體積幾乎保持不變，固體輸送速率可忽略不計(jì)。

圖8 沖刷體積和固體輸送率

5 結(jié) 論

本文為分析泄洪閘下游沖刷坑和沙丘中的護(hù)坦長(zhǎng)度和尾水深度的關(guān)系，采用視頻記錄和圖像處理技術(shù)研究了水閘下游的河床形態(tài)，并探討了沉積床隨時(shí)間演化和泥沙運(yùn)輸量的變化規(guī)律。結(jié)果表明，對(duì)于沒(méi)有護(hù)坦的試驗(yàn)和較小的尾水深度，沖刷腔最大深度增加得更快。此外，對(duì)于沒(méi)有護(hù)坦的實(shí)驗(yàn)和更高的尾水深度，沙丘呈現(xiàn)出更高的最大堆積高度。最后，體積越大的沖刷空洞對(duì)應(yīng)著更高的固體傳輸速率，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始大約200秒后，固體傳輸速率可以忽略不計(jì)。