(遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

河道水流沖刷是河道安全治理的重要技術(shù)參考項(xiàng)，事關(guān)河道和堤防的安全存在與運(yùn)行。由于河床底部水流要與沙石發(fā)生碰撞和摩擦，致使底流與上層流時(shí)常流速不同步，而形成紊流存在。河床近處的紊流反復(fù)激蕩，加劇了河底泥沙運(yùn)動(dòng)，河床要經(jīng)受嚴(yán)重的沖刷和侵蝕。本文借助大凌河近底瞬時(shí)流速譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)河道近底流特性及對(duì)河床狀態(tài)的影響開展針對(duì)性分析研究，以為河道治理工程提供研究和技術(shù)參考。

1 河道近底紊流的流速特性

因近底的切應(yīng)力與流速梯度都超出限定標(biāo)準(zhǔn)，在泥沙運(yùn)動(dòng)的共同作用與影響下，近底周圍產(chǎn)生旋渦也就在所難免。案例數(shù)據(jù)資料證實(shí)，在流量持續(xù)變化的情況下，不同深度的斷面所形成的紊流強(qiáng)度不一樣(見圖1～圖5)。

圖1 基于46.2L/s條件的紊流強(qiáng)度流線

圖2 基于90.6L/s條件的紊流強(qiáng)度流線

圖3 基于158L/s的紊流強(qiáng)度流線

圖4 基于343.3L/s的紊流強(qiáng)度流線

圖5 基于527L/s的紊流強(qiáng)度流線

由圖1～圖5可以看到，峰值紊流強(qiáng)度均于河道近底部位形成，而在水面卻降到了很低。在流速、流量都是很大的前提下，近底的紊流強(qiáng)度相比其他深度斷面要最小，但在流量迅速升高的前提下，近底紊流的強(qiáng)度一般會(huì)伴隨變大，而且要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他深度界面處的紊流強(qiáng)度。近底的紊流強(qiáng)度在流量足夠大的前提下，都會(huì)達(dá)到峰值，此時(shí)的脈動(dòng)現(xiàn)象也相對(duì)劇烈并極易形成渦流。

2 河道近底水流的脈動(dòng)能量特點(diǎn)

眾所周知，近底以紊流最為常見，由大量渦流構(gòu)成，動(dòng)能表現(xiàn)非常強(qiáng)烈，而水流能量對(duì)河床演變產(chǎn)生的影響是不可忽略的。因此，在此情況下，可利用近底流速樣本函數(shù)求出不同流量下的脈動(dòng)動(dòng)能。通過時(shí)均法可以求解得到公式

式中v——流速；

v′——脈動(dòng)流速。

基于此情況，可用下式來表達(dá)流速均方差

式中δvi——時(shí)頻域內(nèi)的均方差。

因此，其脈動(dòng)動(dòng)能為

由于近底水流具有的能量會(huì)對(duì)河床演變產(chǎn)生重大影響，造成河床底部變形，因此利用本函數(shù)，選出具有代表性的5個(gè)流量及4個(gè)斷面進(jìn)行深入研究與分析。不同流量所對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)能曲線見圖6。

由圖6可以看到，在流量較低的情況下，當(dāng)流量驟然升高時(shí)，水流能量也會(huì)隨之增強(qiáng)，當(dāng)流量達(dá)到一定值時(shí)，能量則會(huì)驟然增大，可見，當(dāng)流量超過一定額度時(shí)，水流紊流強(qiáng)度會(huì)驟然變大。3號(hào)斷面的脈動(dòng)能曲線揭示，近底水流的流量突然發(fā)生變化，在343.4L/s處能量降到了最低，原因在于測(cè)質(zhì)點(diǎn)前方的石塊或泥沙在水流作用下位移發(fā)生了變化，造成流速突然生變，因此，即便流量在不斷增加的情況下，3號(hào)斷面的能量也不會(huì)隨之增大。

3 河道近底流壓力對(duì)河床構(gòu)造的影響

如果在實(shí)驗(yàn)過程中，包括壓力、流速等在內(nèi)的多個(gè)紊流運(yùn)動(dòng)要素均隨著時(shí)間在平均壓強(qiáng)或平均流速區(qū)域上下波動(dòng)，業(yè)界人士則將這種情況視為水流脈動(dòng)，即

式中p——水流壓力；

p′——水流脈動(dòng)壓力。

眾所周知，在脈動(dòng)壓力的長(zhǎng)期作用下，導(dǎo)致河床沖刷現(xiàn)象較為嚴(yán)重。理論上，紊流的脈動(dòng)壓力不僅能使河床載荷增大，同時(shí)也能使河底建筑物載荷增大。而近底水流是典型的紊流，當(dāng)脈動(dòng)流速與河床界面或泥沙、石塊發(fā)生摩擦及碰撞時(shí)，水流狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，由動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?，也就是脈動(dòng)壓力。由于脈動(dòng)壓力會(huì)對(duì)河床底部的石塊和泥沙產(chǎn)生強(qiáng)大推動(dòng)力，致使河床位移發(fā)生變化，進(jìn)而引發(fā)河床演變問題。

由脈動(dòng)壓力概率模型推導(dǎo)后發(fā)現(xiàn)，脈動(dòng)壓力與實(shí)際樣本高度吻合，因此，在本課題研究中決定采用該模型進(jìn)行計(jì)算與分析，將不同流量下的流速樣本函數(shù)進(jìn)行有效提取，然后擬合與分析脈動(dòng)壓力。根據(jù)獲取到的擬合數(shù)據(jù)對(duì)不同流量下脈動(dòng)壓力的河床變形影響關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)性研究。全面探究與分析脈動(dòng)壓力隨流量變化的關(guān)系，并選取具有代表性的樣本函數(shù)，即5組流量、4個(gè)斷面，將計(jì)算出的隨機(jī)系數(shù)套入概率模型，所得脈動(dòng)壓力變化曲線見圖7。

圖7 脈動(dòng)壓力變化曲線

圖7曲線揭示，處于低流量狀態(tài)時(shí)，近底脈動(dòng)壓力并未表現(xiàn)出顯著變化，波動(dòng)很小，也就不會(huì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生太大壓力，而當(dāng)流量足夠大時(shí)，近底水流就會(huì)產(chǎn)生很多大小不一的渦流，脈動(dòng)變化較為顯著，致使脈動(dòng)壓力驟然升高，導(dǎo)致河床受到強(qiáng)烈沖刷。因此，就河床沖刷這一問題來看，并非流量大，河床泥沙或石塊就會(huì)起動(dòng)，而是要達(dá)到起動(dòng)極限流速才能起動(dòng)，在采取措施對(duì)河床進(jìn)行防護(hù)時(shí)，無需將近底流速控制到最小，只要將其控制在合理范圍內(nèi)就可以。

4 河道近底流均流對(duì)河床的沖刷影響

因天然河床是基于多重因素影響下形成的，水流中含有大量泥沙，通過儀器獲取到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際流速存在很大差異，針對(duì)這種情況，要采集斷面平均流速與泥沙的起動(dòng)流速數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行比較與分析。不過，由于河床底部的石塊和泥沙所承受的外在作用力與近底流速存在直接關(guān)聯(lián)，因此，要將收集到的近底流速的樣本函數(shù)與實(shí)測(cè)斷面的平均流速進(jìn)行系統(tǒng)性對(duì)比與分析。

通過采集的近底流速數(shù)據(jù)進(jìn)一步了解到，不同流速所對(duì)應(yīng)的水槽沖刷深度不一樣(見表1～表4)。

表1 1號(hào)斷面測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表2 2號(hào)斷面測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表3 3號(hào)斷面測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表4 4號(hào)斷面測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

不同流量和不同頂沖角與其相對(duì)應(yīng)的近底流速變化關(guān)系見圖8～圖11。

圖8 1號(hào)斷面流速均速對(duì)比及沖刷斷面深度

圖9 2號(hào)斷面流速均速對(duì)比及沖刷斷面深度

圖10 3號(hào)斷面流速均速對(duì)比及沖刷斷面深度

圖11 4號(hào)斷面流速均速對(duì)比及沖刷斷面深度

表1～表4數(shù)據(jù)及圖7～圖11曲線揭示，在流量不斷增大的情況下，無論是平均流速還是近底流流速均會(huì)隨之增大，不過當(dāng)流量足夠大時(shí)，兩者則會(huì)發(fā)生突變。隨著平均流速攀升，沖刷深度會(huì)跟隨發(fā)展。在近底水流流速突增的狀態(tài)下，對(duì)河槽斷面的沖刷，深度也隨之增大。在流速增長(zhǎng)到一定狀態(tài)時(shí)，會(huì)隨即引發(fā)沖刷最大深度突變，源于河床底部的沙石在沖刷力的巨大作用下會(huì)發(fā)生位移，沖刷量的積累，終將導(dǎo)致沖刷坑。又因測(cè)量點(diǎn)恰巧位于一個(gè)大石塊近邊，致使測(cè)量斷面的最大沖刷深度會(huì)驟然發(fā)生變化。

表1～表4數(shù)據(jù)及圖7～圖11曲線揭示，不同流量下，近底流速的變化情況與斷面沖刷深度的變化情況相吻合，由此可以看出，近底流速在河床演變方面發(fā)揮了不可忽略的重大作用，因此，在對(duì)如何有效防范河床沖刷這一課題進(jìn)行研究時(shí)，要將其研究重點(diǎn)放在近底流速上，并據(jù)此采取有效防范措施。本結(jié)論不僅為河床演變研究提供了強(qiáng)大理論基礎(chǔ)，也為有效防范河床變形指明了方向。

5 研究結(jié)論

本文借助大凌河近底瞬時(shí)流速譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)河道近底流特性及對(duì)河床狀態(tài)的影響開展針對(duì)性分析研究，主要結(jié)論如下：

a.在流量較小情況下，相比其他深度的紊流強(qiáng)度，近底紊流強(qiáng)度比較小，但伴隨流速不斷增大，近底紊流強(qiáng)度則驟然變大，且當(dāng)流量達(dá)到一定程度時(shí)，近底紊流強(qiáng)度則會(huì)達(dá)到峰值，脈動(dòng)現(xiàn)象表現(xiàn)較為劇烈的同時(shí)也容易形成渦體。不同流量下，近底流速的變化情況與斷面沖刷深度的變化情況相吻合，由此可以看出，近底流速在河床演變方面發(fā)揮了不可忽略的重大作用。

b.在流量較小情況下，當(dāng)近底紊流強(qiáng)度不斷增大時(shí)，其脈動(dòng)能量也會(huì)隨之變大，且當(dāng)紊流強(qiáng)度足夠大時(shí)，脈動(dòng)能量會(huì)驟然升高。采用當(dāng)前最為流行的近底脈動(dòng)壓力模型，對(duì)近底脈動(dòng)壓力進(jìn)行擬合，由擬合數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處于低流量狀態(tài)時(shí)，近底脈動(dòng)壓力并未表現(xiàn)出顯著變化，波動(dòng)很小，在紊流強(qiáng)度足夠大時(shí)，近底水流就會(huì)產(chǎn)生很多大小不一的渦流，脈動(dòng)現(xiàn)象尤為顯著，致使脈動(dòng)壓力驟然升高，從而導(dǎo)致河床沖刷非常嚴(yán)重。

c.因?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)限制性，加上脈動(dòng)壓力信號(hào)的缺乏，無法將擬合的脈動(dòng)壓力與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性對(duì)比，盡管將推導(dǎo)出的脈動(dòng)流速與初始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比能達(dá)到精度要求，不過在以后的研究中，可將收集到的脈動(dòng)壓力信號(hào)與擬合的脈動(dòng)壓力譜進(jìn)行對(duì)比與分析，以此來增強(qiáng)數(shù)據(jù)的信服力與可靠性。

d.因近底水流會(huì)使石塊位置發(fā)生變化，無法獲取到精準(zhǔn)的近底流速，因此在擬合近底流速的過程中，也就難以避免誤差，對(duì)于這種情況，須對(duì)固體顆粒承受的水流沖擊力進(jìn)行全面研究與分析，由此才能提高河床沖刷演變理論研究的精準(zhǔn)性。

6 結(jié) 語

由于在河床泥沙起動(dòng)方面，近底流速發(fā)揮了不可忽略的重大作用，因此對(duì)近底流速展開深入研究也就顯得尤為重要。本研究不僅為河床演變研究提供了強(qiáng)大理論基礎(chǔ)，也為有效防范河床變形指明了方向。