非恒定流作用下淹没式矮堰浑水冲刷机理研究

赵丽梅,王路,聂锐华

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都,610065)

0 引言

淹没式矮堰(如底槛、拦砂坝等)是广泛修建的河道整治建筑物,通常横跨河道两岸修建,可以雍高水位、降低流速、拦截来沙,常用于河床下切防治、岸坡防护、航道整治等[1]。淹没式矮堰的修建会改变其周围的水流结构,产生局部冲刷,威胁其结构安全。淹没式矮堰一旦失稳,会造成上游河道侵蚀基面下降,引发河床急剧下切,对河势稳定和涉河建筑物安全造成严重威胁[2]。因此,为了保障上游河势稳定和淹没式矮堰的结构安全,有必要对其冲刷机理进行系统研究。

最早的关于矮堰冲刷的研究可追溯至20世纪30年代[1],Breusers et al.[3]在1932年首次开展了矮堰的物理模型冲刷试验。Scurlock et al.[4](2012)和Pagliara et al.[5](2014)基于水槽试验,研究了三维矮堰(A,W,U型矮堰)下游的冲刷机理,提出了三维矮堰的冲刷尺度计算方法;Si et al.[6](2018)基于粒子图像测流技术,研究了矮堰下游冲刷区域的流场演变特性;Ben et al.[7](2020)研究了矮堰下游坡面对冲刷坑形态的影响,建立了矮堰下游冲刷尺度计算的新方法;Zhang et al.[8](2021)利用粒子追踪测流技术,研究了不同冲刷阶段冲刷坑内的水流形态、湍流强度和近床面雷诺剪应力的分布,分析了下游冲刷如何产生及平衡后冲刷不再进一步发展的原因。

上述研究多基于清水冲刷试验,由于洪水期间矮堰为淹没状态且伴随强输沙,基于清水冲刷试验的相关结论和方法无法直接适用。近年来,国内外学者围绕淹没式矮堰的浑水冲刷机理开展一系列研究。Guan et al.[9-10](2015,2016)开展了浑水冲刷条件下淹没式矮堰的冲刷试验,研究了水流强度、堰高、河床泥沙粒径与下游尾水深对淹没式矮堰上、下游冲刷深度的影响;Wang et al.[11-13](2018a,b,2019)进一步研究了淹没式矮堰几何形态对冲刷的影响机制,提出了带坡淹没式矮堰冲刷深度的计算方法;Guan et al.[14](2022)基于水槽试验,探明了淹没式矮堰浑水冲刷深度振荡频率与上游沙波运动参数之间的量化关系,提出了淹没式矮堰浑水冲刷深度振荡频率的计算公式。

然而,已有研究多基于恒定流条件下的冲刷试验,对非恒定流条件下的淹没式矮堰浑水冲刷机理认识不清,严重制约了矮堰的冲刷设计水平。本文通过开展一系列水槽实验,研究非恒定流作用下淹没式矮堰的冲刷机理,分析水流非恒定性对淹没式矮堰浑水冲刷深度发展过程和振荡频率的定量影响。

1 试验设置

试验在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室进行,采用可变坡水-沙循环顺直玻璃边壁水槽开展,水槽长20m、宽0.5m、深0.5m(图1)。水槽设有水泵和沙泵,水泵流量通过电磁流量计进行测量,沙泵流量为恒定值(20L/s)。水槽进水口处安装了PVC水流顺直器,用于消能与平顺水流。水槽尾部设有水-沙分离漏斗,泥沙通过分离漏斗进入沙管中,由沙泵输送至水槽进水口处。水槽末端水箱中设置了溢流管,用于调节水位。试验用沙中值粒径d50=1.2mm,比重Ss=2.65,标准偏差σg=1.28。试验中矮堰模型为10mm厚的PVC板,与水槽等宽。

图1 水槽示意

试验采用Seatek多传感器阵列(Multiple Transducer Array,MTA)测量淹没式矮堰冲刷发展过程中的地形变化。传感器通过发射超声波可以快速测量水下河床与传感器之间的距离,测量精度为±2mm[15]。超声波距离探测器的具体布置如图2所示。

图2 MTA传感器布置示意

本研究共开展3组非恒定流浑水冲刷试验,试验参数的设置如表1所示。其中矮堰下游初始尾水深ht=150mm,堰高z=30mm(相关参数如图3所示)。流量范围34L/s～76L/s,流量梯级ΔQ=6L/s,涨水时间间隔Δtris=0.5h～1.16h,退水时间间隔Δtrec=0.5h～1.16h,流量过程如图4所示。

表1 非恒定流浑水冲刷试验条件

图3 淹没式矮堰冲刷示意

图4 非恒定流流量过程示意

2 试验结果和分析

2.1 淹没式矮堰上游冲刷深度发展过程

图5为洪峰流量Qpeak=76L/s洪水过程作用下,淹没式矮堰上游冲刷深度的历时变化过程。试验初始阶段,由于矮堰高于床面对上游的来沙有拦截作用,矮堰上游附近床面出现淤积的现象,此时矮堰上游并未形成明显冲刷坑。随着流量的增加,泥沙运动逐渐加剧,矮堰上游开始出现“冲刷-填充”的现象,冲刷深度发生周期性振荡。随着流量的升高,上游冲刷深度振荡的周期变短,即频率增大;洪峰流量达到后,上游冲刷深度振荡频率随流量下降而降低。

图5 洪峰流量Qpeak=76L/s的洪水过程下淹没式矮堰上游冲刷深度发展过程

2.2 淹没式矮堰下游冲刷深度发展过程

图6为洪峰流量Qpeak=76L/s洪水过程作用下,淹没式矮堰下游冲刷深度历时变化过程。试验初始阶段,矮堰下游冲刷深度随时间的发展单调递增,近似于清水冲刷。随着流量的增加,由于上游泥沙的补给作用,矮堰下游的冲刷深度开始减小,出现周期性振荡现象。图6显示,随着流量的升高,下游冲刷深度振荡的周期变短,即频率增大;洪峰流量达到后,下游冲刷深度振荡频率随流量下降而降低。

图6 洪峰流量Qpeak=76L/s的洪水过程线下淹没式矮堰下游冲刷发展过程

2.3 淹没式矮堰上游床面高程的变化过程

图7展示了洪峰流量Qpeak=76L/s洪水过程线下,淹没式矮堰上游90cm处床面高程随时间的变化。试验初始阶段,水流速度较小,上游床面只存在少量泥沙运动,床面高程发生轻微变化,未形成明显的沙波。随着时间的变化,水流速度增大,上游输沙强度增加,形成明显的沙波,沙波尺寸和频率随流量增加而增大。达到洪峰流量后,此时沙波尺寸和频率逐渐减小。

图7 洪峰流量Qpeak=76L/s的洪水过程下淹没式矮堰上游90cm处床面高程历时变化过程

图5-图7展示的试验结果表明:非恒定流作用下,淹没式矮堰上游河床高程、上下游冲刷深度振荡频率随流量的变化趋势是一致的。这是因为上游的沙波运动是引发淹没式矮堰上下游冲刷深度振荡的主要原因[14]。当上游沙波的波谷运动至矮堰上游迎水面,会使矮堰上游形成冲刷坑并产生周期性振荡;泥沙以沙波形式越过矮堰进入下游冲刷坑,又使下游冲刷深度发生振荡。

2.4 洪峰流量对冲刷深度振荡频率的影响

图8展示了洪峰流量分别为52L/s、64L/s和76L/s时淹没式矮堰上游冲刷深度振荡频率、下游冲刷深度振荡频率与上游沙波频率的历时变化过程。由图8可知,在涨水阶段,淹没式矮堰上游冲刷深度振荡频率、下游冲刷深度振荡频率与沙波频率均随流量的增大而增大,在洪峰流量附近达到最大值,最后再随流量的减小而降低。图8还显示,相同洪水过程下沙波频率大于淹没式矮堰上下游冲刷深度振荡频率,该现象与恒定流条件试验结论不一致[14]。恒定流作用下沙波频率与淹没式矮堰上游冲刷深度振荡频率接近,比淹没式矮堰下游冲刷深度振荡频率更大[14]。这主要是因为在非恒定流的作用下,沙波和冲刷坑并未发育到平衡阶段,其几何形态和运动参数与恒定流条件下有显著差异。

(a)洪峰流量对上游冲刷深度振荡频率的影响

(b)洪峰流量对下游冲刷深度振荡频率的影响

(c)洪峰流量对沙波振荡频率的影响图8 不同洪峰流量淹没式矮堰上游、下游冲刷深度振荡频率与上游沙波频率历时变化过程

3 结论

本文通过开展水槽试验,揭示了非恒定流作用下淹没式矮堰的浑水冲刷机理,探明了水流非恒定性对淹没式矮堰冲刷深度振荡频率的影响机制,主要结论如下:

(1)在洪水的涨水阶段,沙波频率、淹没式矮堰上游冲刷深度振荡频率和下游冲刷深度振荡频率均随水流强度的增加而增大;在洪水的退水阶段,沙波频率、淹没式矮堰上游冲刷深度振荡频率和下游冲刷深度振荡频率均随水流强度的下降而减小。

(2)非恒定流作用下沙波频率明显大于淹没式矮堰上下游冲刷深度振荡频率,与恒定流作用下淹没式矮堰冲刷过程有显著差异。

(3)洪峰流量的增大能显著增大沙波频率和淹没式矮堰上下游冲刷深度的振荡频率。