顺直河道冲刷条件下边滩形成的初步试验研究

来源 :武汉大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shizhongshan_2001
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作为平原河流河型之一的顺直型河道,其显著特点是河道中的边滩等成型淤积体经常在不断移动变化。成型淤积体通常尺寸较大,它的发展消长对整个河槽的变化具有重要的影响。河流动力学中对尺度较小的沙波运动已开展了大量研究,但对诸如边滩这类尺度远大于沙波的成型淤积体形成过程的研究成果却不多。近年来,人类的活动极大地改变了河流的原有形态,大中型水利工程修建后的拦沙作用使得下游河床发生明显的冲刷。在下游河道的再造床过程中,边滩持续地形成与发展。边滩作为成型淤积体,以往试验研究中通常保证充足的进口来沙,对于边滩在冲刷条件下的形成过程少有试验研究。本文利用概化模型试验对顺直河道在冲刷条件下边滩的形成过程进行初步研究。试验根据边滩形成理论并考虑天然河道的实际情况,分为无外界扰动和外界扰动条件两个方案。无外界扰动试验工况参考前人研究弯道形成的试验条件,分为固定边壁进口加沙工况(试验一,作为对比工况)和初始顺直小河进口不加沙工况(试验二),与以往试验不同点在于考虑了固壁对于边滩发展的影响。外界扰动试验工况均为进口不加沙条件,模拟了天然河道中水流或边界条件受到人为或自然因素影响而改变的情况,分为进口断面设置固定挡板模拟河岸突变带来扰动的工况(试验三),研究河段进口水流改变带来的影响;初始地形明显起伏模拟床面地形起伏造成扰动的工况(试验四),研究河道边界条件改变带来的影响;以及出口尾门大开度形成跌流模拟水位突降造成扰动的工况(试验五),研究河段出口水位变化带来的影响。无外界扰动条件下,试验一中试验段在同一时间内形成了稳定的移动边滩,试验区域始终维持着3个移动边滩,边滩沿纵向的相对位置基本不变。试验二在试验初期全试验段均出现了尺度较小的边滩雏形。随着试验进行,这些小尺度的边滩不断向下游移动,同时伴随下游段床面不断淤积和河槽宽度沿程增加,移动至下游的边滩雏形尺寸不断增长,对应深槽的冲刷也更加剧烈,最终靠近出口的下游边滩率先成型并出露水面。试验二进行到一定历时后,进口处冲刷坑冲出的大部分泥沙淤积在下游近处,使得该位置床面不断抬高形成边滩。进口段边滩的形成改变了水流的流向,在其影响下紧靠进口段的区域形成了新的边滩,下游段边滩位置和形态由于上游水流的变化而调整。无外界扰动试验与前人类似条件试验的结果具有相似性,不同处在于试验二中观测到成型边滩出露于水面的现象,同时文中对于边滩成型过程的具体分析弥补了以往相关试验分析上的不足。外界扰动引发水流或边界条件改变的影响下,试验三中进口处水流受到左侧挡板的挑流作用,断面右侧区域受到剧烈冲刷,同时挡板的下游侧形成回流区,进口段右侧冲刷出的泥沙在螺旋流的作用下不断在此淤积形成边滩。边滩的形成后对水流造成扰动,改变了主流方向,水流受到扰动后又影响边滩的形成,这种边滩和水流的交互机制不断向下游传递,最终试验段自上而下均形成边滩。试验四中在大流量作用后下游试验段形成了较大的床面坡降和明显起伏的地形。较大的床面坡降使得区域内水流具有较大的能量,在之后的小流量作用下,水流迅速沿着地势较低的区域下切形成深槽,其余冲刷稍弱的区域形成了边滩。试验五中大流量冲刷后床面较为平整,地形起伏极小。在小流量作用不久后,由于出口水位突降,水流跌落处流态突变,使得出口附近地形形成剧烈冲刷。随着局部冲刷进一步加剧,水流逐渐向冲刷形成的切沟集中,区域内水位不断下降,从而让未受冲刷的部分床面逐渐出露形成滩。试验段边滩的形成规律可归纳为“区域内漫流无明显冲刷→溯源冲刷经过造成水位下降形成乱滩→水流汇聚于主沟使串沟断流→乱滩合并成为滩”。这个溯源冲刷作用下边滩形成的过程持续向上游发展,最终使得整个试验段均出现出露的滩。外界扰动条件下试验段边滩的形成过程与以往相关试验及无扰动条件试验中边滩的形成过程有较大的区别。本文还介绍了冲刷条件下边滩形成的探索试验,试验过程中边滩并未形成。通过对该边滩试验过程的总结,并结合无外界扰动和外界扰动条件的试验分析,进一步认识了边滩的两种形成方式:一个是需要上游的大量来沙和合适的河道宽深比;另一个是需要额外固定的扰动对水流和泥沙输运过程造成影响。本文边滩形成试验中,边滩的发展及河岸的变化受到固定边壁的约束。当水流冲刷至固定边壁时,由于固定边壁无法被冲刷,水流改为剧烈下切附近的床面,从而造成局部水位下降使得边滩出露,说明顺直河道固定边壁的存在促进了边滩的发展。试验发现在扰动引发水流或边界条件改变的影响下,边滩的形成和深槽的形成密切相关。扰动的存在改变了试验段原先较为均匀的流速分布,引导了主流的走向,迫使水流集中于狭小的区域内,造成区域内流速增大从而下切床面形成深槽,让其余不受冲刷或者冲刷较弱的区域成为滩。试验说明了在某些条件下,扰动引起的冲刷能促使边滩形成,这些情况下泥沙淤积不是边滩形成的必要条件。对比无外界扰动条件和外界扰动条件下的试验结果,发现首先两种试验方案形成边滩的类型存在区别:无外界扰动条件下试验过程中均首先形成了移动边滩,外界扰动条件下试验过程中在扰动的影响下只形成了固定边滩;其次边滩形成的过程存在区别:无外界扰动条件下边滩形成依靠泥沙的淤积,外界扰动条件下则是通过冲刷形成深槽而带来滩槽区分;最后边滩的特征参数不同:边滩形成的时间、顺序、位置、长度和高度均存在差别,以上结果对比说明一定强度的持续扰动对顺直河道中边滩的形成过程及尺寸有着显著的影响。
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