王銀濤 王開拓 王生寬 李新?lián)Q

摘要：以湟水河與大通河交匯處為原型，以有機玻璃、角鐵等作為材料，通過比例縮放建立了干支流流量可調(diào)節(jié)的天然U型河道干支流交匯處水槽模型，進行模擬試驗研究交匯處的水面形態(tài)變化規(guī)律。試驗表明，在干支流的交匯處會產(chǎn)生壅水現(xiàn)象，水面抬高，壅水位置往往出現(xiàn)在U彎頂部；隨著干支流匯流比的不斷減小，壅水位置會隨著匯流比的減小而逐漸向下游位置移動，同時支流對干流的頂托作用降低，河道水面線逐漸趨于平穩(wěn)；水流經(jīng)過交匯區(qū)后，會對外彎側(cè)河岸形成掏刷，匯流比接近1時，掏刷作用最強，隨著匯流比偏離1，掏刷作用逐漸減弱；匯流比對支流交匯區(qū)上游水面形態(tài)影響較小，水面形態(tài)較好。

關鍵詞：U型河道；交匯處；水槽試驗；匯流比；水面形態(tài)

中圖分類號：TV91文獻標志碼：A

0引言

天然河道中存在著大量的河流交匯口。在大量的干支流匯合處，由于干、支流兩股水流相互頂托，匯流區(qū)水流的紊動摻混作用強烈，能量損失較大，存在上游壅水、下游回流等水力學問題。因此，天然河道交匯處的相關水力特性學術(shù)研究受到了各界的高度重視。

國內(nèi)諸多學者對天然河道交匯處水沙運動特性的研究已取得許多成果。陸建宇等[1]對不同交匯角的河道型水庫交匯段進行模型概化和數(shù)值模擬計算研究表明，不同交匯角條件下均存在紊動能高值集中區(qū)域，且紊動能與交匯角的大小存在正相關關系。劉曉東等[2]提出了深入研究支流入?yún)R彎曲干流型交匯河道水力特性的重要因素。劉斌[3]通過對Y型河道交匯區(qū)的試驗和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)受Y型河道水流交匯的影響，水流在交匯處能量巨大，對下游河道中央沖刷影響較大。于建忠等[4]研究發(fā)現(xiàn)河道主流在交匯區(qū)支渠河堤的作用下整體右偏，偏轉(zhuǎn)程度隨匯流比降低而減弱，并在支流頂托下形成渦旋與分離區(qū)。張濤[5]通過室內(nèi)水槽試驗研究了河道交匯處各種因素對水流結(jié)構(gòu)的影響程度。林青煒等[6]利用粒子圖像測速技術(shù)（PIV）精確測定了交匯區(qū)旋渦剪切層和分離區(qū)位置，發(fā)現(xiàn)剪切層和分離區(qū)近水面和近底面水深平面的渦旋密度大，水深中部的渦旋密度小。陳凱霖[7]通過明槽交匯區(qū)物理模型試驗發(fā)現(xiàn)了交匯區(qū)頂托現(xiàn)象會影響干支流交匯區(qū)水位。

本論述通過對天然河道水槽模型水面形態(tài)的試驗研究，并考慮了干支流匯流比對水面形態(tài)的影響，探究不同匯流比下干支流交匯區(qū)水面形態(tài)變化規(guī)律。

1模型建立

1.1原型介紹

本試驗所采用的干支流交匯模型原型是青海省海東市民和縣境內(nèi)的湟水河與大通河交匯處。交匯處干流湟水河的河道為U型，且支流多年平均流量較干流更大，干流湟水河在交匯區(qū)下游的左岸位置現(xiàn)已產(chǎn)生較大的沖刷，此處的水面形態(tài)非常復雜，具有較大的研究意義。

1.2模型介紹

原型中支流大通河入?yún)R處河口坡降為4.56%，交匯處河道平均寬度為120 m，交匯處干流湟水河坡降為5.30%，交匯處河道平均寬度為100 m。本次試驗所做水槽模型根據(jù)實際河道寬度進行比例縮放后確定尺寸，大通河與湟水河的河流寬度之比為1.2∶1，本試驗按照1∶400的比例確定大通河的水槽模型寬度為30 cm，湟水河水槽試驗模型寬度為25 cm。水槽模型采用有機玻璃板制作，底座采用角鋼焊制，地腳安裝高度可通過安裝螺絲調(diào)節(jié)，可模擬不同的河道坡降，如圖1所示。

本試驗的主要試驗和測量裝置有循環(huán)供水箱、供水水泵、電磁流量計、穩(wěn)流裝置、流量調(diào)節(jié)閥門、水位測針等。其中大通河段模型總長度為3 m，湟水河段模型總長度為6 m，循環(huán)供水箱和水泵用來給系統(tǒng)供水，通過流量計和流量調(diào)節(jié)閥門控制兩段流量，穩(wěn)流裝置保證試驗水流的穩(wěn)定性和均勻性。本試驗的裝置示意圖如圖2所示。

2試驗方案

2.1測點布置

本試驗主要測量兩河匯流處的相關水位參數(shù)，故本試驗的水位測點主要布置在匯流區(qū)域。布置A～H共8個測量斷面，每個斷面上布置5個測點，通過測量測點處的水位，得到該測點處對應水深。水位測點布置如圖3所示。

3試驗步驟與結(jié)果

3.1實驗步驟

按照設計工況1～3的順序進行試驗，具體試驗步驟如下：

（1）通水。打開主槽和支槽的水泵開關，通過電磁流量計調(diào)節(jié)兩水槽的流量達到設計工況流量；

（2）等待水流穩(wěn)定。兩槽通水后等待約30 min，觀察到穩(wěn)流裝置處水位不再發(fā)生明顯變化，水槽中水流基本平穩(wěn)，認為水流達到穩(wěn)定；

（3）測量。待水流穩(wěn)定后用水位測針分別測量各測點槽底和水面高程，并記錄；

（4）計算各測點水深。按照式（1）計算各測點水深；

3.2試驗結(jié)果與分析

3.2.1交匯區(qū)最大與最小水深

在三種工況下，交匯區(qū)的最大水深均出現(xiàn)在F斷面，原因即F斷面為兩河的交匯區(qū)，在交匯區(qū)兩河的水流相互頂托，產(chǎn)生消能作用，流速降低，導致水位壅高，如圖4～6所示。隨著匯流比的減小，G、H斷面的水深逐漸與F斷面水深接近，原因為隨著匯流比減小，干流的水流沖擊作用較支流變強，壅水位置逐漸向下游位置移動，且因干流來水方向與支流來水方向夾角較大，大約140°，干流來水直接沖入支流內(nèi)導致支流河道內(nèi)壅水嚴重。

由圖中還可以看出，隨著匯流比減小，最小水深出現(xiàn)在D斷面，原因為經(jīng)過交匯區(qū)后，水流重新進入順直河道，流速增加，過流斷面減小，水位降低。匯流比較小時，E斷面的水深較D斷面大，原因為在該斷面處發(fā)生水流消能，流速降低，過流斷面增大，水深增加。

3.2.2交匯區(qū)水面形態(tài)

主槽水流在入彎前，水面形態(tài)呈現(xiàn)出從內(nèi)彎至外彎水深逐漸減??；經(jīng)過彎頂后，從內(nèi)彎至外彎水深逐漸增大，在出彎后的左側(cè)槽壁形成掏刷，該現(xiàn)象與兩河交匯處的掏刷位置相吻合。且在工況2時出現(xiàn)最大水深差，即掏刷現(xiàn)象最嚴重，而在匯流比偏離1時，掏刷現(xiàn)象有所緩解。支槽水面形態(tài)在靠近匯流區(qū)的位置較為復雜，且水深最大，隨著向上游段延伸，水深逐漸減小，匯流比的變化對支槽的水面形態(tài)影響不明顯。

4結(jié)論

（1）U型河道干支流在交匯處水流相互頂托，出現(xiàn)壅水區(qū)，水深增加；壅水區(qū)往往出現(xiàn)在U型河道彎頂位置；交匯流經(jīng)過彎頂區(qū)后流態(tài)逐漸恢復，流速增加，水深減小。隨著干支流匯流比的逐漸減小，壅水區(qū)位置逐漸向下游移動。

（2）水流經(jīng)過交匯區(qū)后，會對外彎側(cè)河岸形成掏刷，匯流比接近1時，掏刷作用最強，隨著匯流比偏離1，掏刷作用逐漸減弱。

（3）交匯區(qū)處水面形態(tài)較為復雜，主河道在交匯區(qū)上游水面從內(nèi)彎至外彎水深逐漸減小，經(jīng)過彎頂后，從內(nèi)彎至外彎水深逐漸增大，支流處交匯區(qū)上游水面形態(tài)較好。

參考文獻：

[1]陸建宇，毛勁喬，龔軼青，等.河道型水庫干支流交匯段水力特性數(shù)值分析[J].排灌機械工程學報，2019，37（9），776-781，828.

[2]劉曉東，李玲琪，童須能，等.交匯河道水動力特性和污染物摻混規(guī)律研究綜述[J].人民珠江，2019（3）：77-87.

[3]劉斌. Y型河道水流交匯對溢流壩泄洪影響的數(shù)值模擬研究[J].水利科學與寒區(qū)工程，2019，2（6）：81-84.

[4]于建忠，朱晗玥，趙蘭浩.泵站出口與河道主流交匯區(qū)流動特性數(shù)值模擬[J].水電能源科學，2018，36（7）：71-74，98.

[5]張濤.非對稱型河流交匯區(qū)水流結(jié)構(gòu)與污染物輸運規(guī)律研究[D].西安：西安理工大學，2021.

[6]林青煒，唐洪武，袁賽瑜，等.河道交匯區(qū)渦旋結(jié)構(gòu)研究[J].河海大學學報（自然科學版），2019，47（4）：352-358.

[7]陳凱霖.明槽交匯區(qū)水動力特性與污染物濃度場試驗研究[D].西安：西安理工大學，2019.