山区急弯放宽河段水流分离现象试验研究

谢远华，周华君，赵志舟

（1.湖北省汉江崔家营航电枢纽管理处，武汉430035；2.重庆交通大学，重庆400074）

山区急弯放宽河段水流分离现象试验研究

谢远华1，周华君2，赵志舟2

（1.湖北省汉江崔家营航电枢纽管理处，武汉430035；2.重庆交通大学，重庆400074）

文章在分析山区河流形态的基础上，概化出急弯放宽河段的基本平面形态参数，引入了弯道放宽率这个因素，并在前人对弯道水流分离现象研究的基础上，综合考虑了弯道放宽率、弯道中心角、相对弯道中心半径、弗汝德数等因素的影响，通过物理模型试验，对山区急弯放宽河段的水流分离现象的发生和分离区的大小进行了系统的试验研究。研究表明，在文章的试验范围内，总的来说弗汝德数和弯道中心角越大、相对弯道中心半径越小，水流就越容易出现分离，但对弯道凸岸分离区的出现起主要作用的是弯道放宽率，当弯道放宽率大于一定值时，都将发生水流分离现象，而与其他因素没有关系，并且当弯道放宽率较大时分离区也较大。

急弯放宽河段；模型试验；水流分离现象

自然河流大多数都是弯曲河流，弯道中的螺旋流是一种复杂的三维紊流。自1876年Thompson［1］通过试验首次发现了弯道螺旋流以来，弯道水流作为专题研究一直受到研究关注［2-3］。研究范围涵盖了不同边界条件下弯道水面高程的变化、横向环流的产生、流速分布以及弯道内水流的分离等各个方面，研究的方法有天然河流上观测分析，物理模型试验研究以及数值模拟计算等［4-14］。本文在前人对弯道水流研究的基础上，通过物理模型试验对弯道内水流的分离作了进一步的研究。

水流沿弯曲的管道或明渠流动时，有时会脱离固体边界、在主流和固体边界之间形成漩涡，这个区域称为水流分离区，这种现象称为水流的分离［15］。水流发生分离的本质是由于水流能量不足以克服所受的阻力而使局部水流呈现与主流相反方向的流动，当水流中存在正压力梯度的区域，或水面出现纵向负比降时，则在该处有可能出现水流分离区。

以前人们对水流分离现象的分析，多集中在相对弯道中心半径Rc/B和弗汝德数Fr这2个参数上面，并通过这2个参数绘制了水流分离现象的判别图［16-17］，但是对上下游宽度发生变化的弯道研究较少，然而天然河流中，弯道上下段河宽发生变化的情况很普遍的。本文在分析山区河流形态的基础上，概化出急弯放宽河段的基本平面形态参数，引入了弯道放宽率β这个因素。采用概化模型试验的方法，研究了山区急弯放宽河道中弯道放宽率β、弯道中心角θ、相对弯道中心半径Rc/B和弗汝德数Fr等因素对水流分离现象的影响。

1 概化模型试验

1.1 河流形态参数的概化弯道中心半径是根据Leopold所获得的天然河流的Rc/B值的范围和平均河宽［18］，结合试验情况，通过计算取得；试验底坡概化为1‰的平均坡降；试验中横断面概化为矩形。

表1 长江上游著名滩段平面形态参数表Tab.1 Plane configuration parameter table for famous sections of river shoal at upstream of Yangtze River

1.2 试验设计

河流是水流与河床长期相互影响（作用）形成，决定性因素有4个：一是河段上游来水量及其变化过程；二是河段上游来沙量、来沙组成及其变化过程；三是河段的河谷比降；四是河段的河床形态及河床组成。前面3个因素决定了水流泥沙条件，第4个因素决定着河床条件。对于山区性河流，后2个因素起主导作用。所以，分析山区急弯放宽河段的水流的分离现象，考虑的主要因素是河床形态参数的变化和水流条件的变化。

河床形态参数包括横断面参数以及描述弯道特征的参数，即B为宽度、φ为岸坡倾角、Rc为弯道中心线半径、θ为弯道中心角和J为河道纵向坡度。通过前面的概化分析，在模型总体设计时，以上有一些参数，如岸坡倾角（φ）和河道纵向坡度（J）已经作为常数确定下来，所以在试验段可变的参数为3个：宽度（B）、弯道中心线半径（Rc）和弯道中心角（θ）（图1）。

水流条件的变化指流速和水深的变化，试验中，流速和水深的调节主要通过2个方面来控制，一是流量，二是尾门。模型试验主要选取Q＝0.02 m3/s这一级流量，特殊情况下会对某一方案进行五级流量（0.015、0.02、0.03、0.04、0.05 m3/s）试验。在研究弯道水流特性时，通常把弯道宽度与平均水深联合起来，以宽深比α（B/h）为指标来考虑其变化对水流特性的影响，试验中对同一流量通过调整尾门来控制水深以达到不同的宽深比。宽深比的计算中，水深h指的是弯道下游直线段一个固定水尺断面的平均水深，河宽指的是对应水尺断面的河宽，也就是弯道下游宽度B2。

图1 模型平面布置示意图Fig.1 Plane layout of model

2 水流分离现象发生的条件

从理论上讲，水流分离区存在与否的临界条件应根据流速分布公式，分别求出凹岸和凸岸最小流速的位置，然后令此处流速等于零，即可求出水流在凹岸和凸岸出现水流分离区的临界条件，但是这样将导致公式形式十分复杂，甚至无法求解［19］。本文通过模型试验观察了各种不同边界条件和水流条件下水流的分离现象，试验成果见表2。分析试验成果可以得到以下一些规律。

2.1 Fr对水流分离现象的影响

从方案5和方案11可以看出，β＝1.5时，当Fr大于某一值时，会出现水流的分离，而当Fr较小时就不会出现水流的分离。这说明，在相同的弯道平面形态条件下，当Fr越大，则水流的惯性作用愈强，水流愈容易出现分离；相反，Fr越小，则水流的惯性作用愈小，水流不易出现分离。

表2 水流分离试验成果汇总表Tab.2 Outcome summary sheet for flow separation test

2.2 Rc/B对水流分离现象的影响

2.3 β对水流分离现象的影响

如果不考虑河道其他平面形态参数的影响，只是简单的认为在同一时，Fr愈大，愈容易出现分流，而在同一Fr时愈小，也愈容易出现分离，这是有一定局限性的。方案3中=1.0是所查文献中最小的相对弯道中心半径，对这个方案除了按照表2中0.02 m3/s的流量进行试验外，还另进行了4级流量（0.015、0.03、0.04、0.05 m3/s）试验，并调节了4种不同宽深比进行试验，均未发现水流分离现象的发生，但这并不能确定不出现分离区的的最小值就是1.0。因为方案7的=0.9，对这个方案也施放了5级流量（0.015、0.02、0.03、0.04、0.05 m3/s），调节了4种不同宽深比，但是均出现了水流的分离。这就说明考虑水流的分离与否不仅仅与Fr和有关，还和其他一些因素有关。

通过深入分析可以发现，影响弯道水流分离现象的发生与否的另一个关键因素是弯道下游和上游的宽度之间的比值，即弯道放宽率β。在本文试验参数范围中，当β=1时，无论弯道中心角怎么变化（θ=90°～130°），无论相对弯道中心半径多大（Rc/B=0.9～3.8），也不管水流的惯性大小和紊动程度如何（Fr=0.13～0.55），均未发现水流分离现象的发生。而当β=2.5时，无论弯道中心角怎么变化，也无论弯道中心半径是多大，也不管水流的惯性大小和紊动程度如何，均能观察到水流分离现象的发生。

2.4 θ对水流分离现象的影响

从方案5、方案11和方案16的比较中，可分析弯道中心角θ对水流分离产生的影响。方案16的弯道中心角θ=90°，方案11的θ=110°，方案5的θ=130°，方案5及方案11在Fr满足一定条件的时候会发生水流分离，而方案16在同一Fr时，也不发生水流分离。由此可见，弯道中心角θ较小时，水流转向较小，水流不易发生分离；相反，当θ较大时，水流转向较大，在惯性作用下，水流较易发生分离。

此外，可以通过改变其他的平面形态参数或水流条件，使分离现象的形成条件发生改变。例如方案3，其＝1.0，前文已经分析过，在原来的试验条件下，没有观测到水流的分离现象，但是通过增加水深来减小宽深比α，或是减缓试验渠道岸坡倾角φ，在凸岸都会出现较小范围的分离区，这和罗卓夫斯基的试验结果是一致的。

2.5 小结

以上分析表明，在弯曲放宽河段的岸边，水流是否连续流动而不致形成分离区，和β、θ、φ、α、Fr等诸多因素都有关，所以单从较少的几个因素来判别水流分离现象的发生与否是不全面的，要找出不出现分离区的的最小值也是不现实的，这也可能就是不同的研究者会得出不同的最小值的原因。

3 水流分离区的大小

弯道岸边水流分离区的存在将使有效过流面积减小，水位壅高，回流淤积，过流河宽压缩将严重影响防洪和航运，影响力的大小一是其分离区的最大宽度，二是分离区的长度。

3.1 分离区的长度

本文中分离区的大小由其相对宽度的最大值和长度来定量描述。由表2可知，当β＝1时几乎都没有分离区。从所有出现分离区的方案来看，放宽率β较大的时候，分离区的长度要较β小的时候大得多，特别是在Fr较小时，其差别更大，而随着Fr的增大，这种差别会逐渐缩小。但无论是β＝1.5还是β＝2.5，分离区的长度和Fr都表现出一种抛物线性的关系：β＝1.5，Fr≈0.4时分离区的长度达到最大值，β＝2.5，Fr≈0.3时分离区的长度达到最大值，而当Fr继续增大时，分离区的长度就会减小，特别是β较大时（β＝2.5），减小得更迅速，相对而言，β较小时（β＝1.5），分离区长度的变化要平缓得多（图2）。

图2 分离区长度与Fr的关系图Fig.2 Relation charts on separation length and Fr

3.2 分离区的宽度

从图3可以看出，随着放宽率β的增加，分离区的相对宽度相应增大，这和分离区长度所遵循的变化规律一致；但是分离区相对宽度和Fr关系的点据比较分散。总体看来，随着Fr的变化，分离区的相对宽度的变化不是很大。

图3 分离区最大相对宽度与Fr的关系图Fig.3 Relation charts on maximum relation width in separation zone and Fr

3.3 分离区的综合大小

如果忽略Fr的影响，考虑不同Fr时的水流分离区相对宽度和平均长度与Rc/B之间的关系（图4和图5），则可以发现：随着的变化，分离区的平均长度的变化并不大。但随着Rc/B的增大，水流分离区的平均相对宽度是随之迅速减小的。β＝2.5和β＝1.5时均满足这样的规律。由于随着Rc/B的变化，分离区的长度差别并不大，但是愈大，分离区占的渠道的相对宽度愈小，所以可以说愈大，则分离区愈小。

此外，弯道中心角θ对分离区平均相对宽度也有一定的影响，由图5可以看到，拟合线的上方的点均是θ＝130°的点，而下方是θ＝110°和θ＝90°的点，由此可以说明θ的减小，会使分离区的平均相对宽度有所减小。

以上分析可以看出，弯道的放宽率β对水流分离区大小影响最大，在和Fr相同的时候，β越大，分离区的相对宽度和长度也越大，所以分离区就越大。但是对同一β的弯道，对分离区平均长度影响最大的是Fr，而对分离区的相对宽度影响最大的是。相对而言，弯道中心角θ对分离区大小的影响要小一些。

图4 分离区平均长度与的关系图Fig.4 Relation charts on average length in separation zone and Rc/B

图5 分离区平均相对宽度与的关系图Fig.5 Relation charts on average width in separation zone and Rc/B

4 结论

（1）在本文设计的这种单一弯曲放宽河段模型试验中，弯道的凹岸不能观测到水流分离现象，所观测到的水流的分离现象都出现在弯道的凸岸。

（2）在本文的试验范围内，对弯道凸岸分离区的出现起主要作用的是弯道下游河宽和上游河宽的比值β，当β较大时（β＝2.5）均发生水流分离现象，与其他因素没有关系，而当β较小时（β＝1.5）水流分离现象的出现与否才与Fr、θ有一定的关系。总的来说是Fr越大、θ越大越小，水流就越容易出现分离。

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Experimental study on flow separation of sharp bend with enlarged width in mountainous river

XIE Yuan-hua1，ZHOU Hua-jun2，ZHAO Zhi-zhou2
（1.Hubei Province Hanjiang Cuijiangying Navigation&Power Complex Administration Department,Wuhan 430035，China；2.Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Based on the analysis of river morphology in mountainous areas,the general planar morphology parameters of sharp bend with enlarged width were generalized in this paper.The factor of widening ratio of river bend was introduced.On the basis of previous study on the phenomenon of flow separation at river bend,it comprehensively considered influences on widening ratio of river bend,the angle of channel bend,Froude Number and so on.Through physical model test,systematic experimental researches were carried out on the occurrence of the phenomenon of flow separation at sharp bend with enlarged width and size of separation area. The research indicates that within the testing range of this paper,generally speaking,the bigger the Froude Number and the angle of channel bend are,and the smaller the radius of relative bend,the easier the flow occurs separation.However,widening ratio of river bend plays essential role of occurrence of convex separation area at bend.When the ratio is larger than certain value,flow separation happens and it has no relation to other factors. When the ratio is relatively big,the separation area is relatively big.

sharp bend with enlarged width；model experiment；separation of flow

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2012）05-0405-06

2012-06-03；

2012-08-06

谢远华（1979-），男，湖北省公安人，工程师，主要从事航道港口等设计管理工作。Biography：XIE Yuan-hua（1979-），male，engineer.