箱形涵洞对河床水沙特性影响分析

试验设计与验证

1.试验设计

模型的几何比尺为1B100,长度范围为上起漳河右堤桩号61+800,下迄桩号63+800,总长约2km。试验模型的长度为20m(进水段和出水段长各5m,试验段长10m),宽度为113m。模型中主槽部分采用动床模型,而滩地以及大堤则采用定床模型。通过计算得出满足水流运动相似的流速、糙率、流量和时间比尺分别为:1B10、1B2115、1B100000和1B10。为了分析涵洞对其所在河道的河床水沙特性影响,流速和泥沙冲淤测量断面分别布置在涵洞上下游。在原型河道中,涵洞上游CS1至CS5断面与迎水面的距离分别为220m、150m、100m、50m和10m。涵洞下游CS6至CS9断面与背水面的距离分别为20m、70m、120m和190m。水位观测点1号-12号布置在河床两岸,见图1。试验设计的箱形涵洞与原穿漳涵洞具有相同的过水能力,即达到涵洞双排布置的要求,并与文献[6]中的两种穿河涵洞具有相同的截面面积。设计的箱形涵洞模型见图2。据文献[8],本试验中的涵洞顶部高程设计为46m,河道上下游河床的初始地形高程均设计为44m。箱形涵洞的截面尺寸、洞顶高程和上下游初始河床的高程,见图2。模型根据动床河工模型相似律[7]进行设计。试验选择的来水工况和模型沙均与文献[6]中的一样。来水工况为3年一遇和50年一遇洪水两种工况。其中,3年一遇洪水时的主槽过水流量为500m3/s,50年一遇洪水时的主槽过水流量为2069173m3/s。由于模型试验所在的平原河道中推移质输沙量占悬移质输沙量的比例很小,影响河床冲淤变化的主要是悬移质中的床沙质部分,因此模型试验中将沙质推移质放在床沙质中一并考虑。本试验选用的模型沙是重率为1117t/m3的塑料沙。表1为满足悬移质与沙质推移质运动相似[9211]的比尺汇总表。

2.试验验证

本文选择在3年、50年一遇洪水时原穿漳涵洞迎水面的水位来进行验证。根据原河道的水位资料,穿漳涵洞处河床在3年一遇和50年一遇洪水时的水位分别为48130m和51136m。表2为原穿漳涵洞迎水面的6号和7号测针的水位验证结果。由表2可知:在3年一遇和50年一遇洪水工况下,模型迎水面的水位与原型比较接近,水位的最大误差为?0109m,表明本文的试验模型能够较好的反映水流运动特征。

试验结果与分析

1.水位沿程变化

当穿河涵洞节点在河道上形成过水坝时,其上游水流将成壅水状态。为了分析箱形涵洞上游壅水情况,本试验对建涵洞前后河床左右岸水位进行了观测。图3为3年一遇和50年一遇洪水工况下,有涵洞与无涵洞时河床左右岸沿程水位变化的对比曲线图。在原型河道中,穿漳涵洞距试验段入口490m。由图3可知,在两种来水工况下,与无涵洞时相比,受涵洞壅水的影响,上游河床左右岸的水面线均有所抬高,且左岸水位均略高于右岸,水位抬高的最大值均位于距涵洞上游60~110m之间的河床。试验表明,箱形涵洞上游壅水随着来水流量的增大而减小。在3年和50年一遇洪水工况下,箱形涵洞的最大壅水高度分别为0157m和013m;而文献[6]中圆弧形和梯形涵洞的最大壅水高度分别为0161m和0134m、0158m和0132m。可见,箱形涵洞对其上游的壅水程度最小。对其原因分析如下:试验前,上述三种涵洞具有相同的洞顶高程和上下游初始河床高程,因圆弧形涵洞的迎水面为圆弧形,阻水面积较其他两种涵洞的斜平面要大,使得圆弧形涵洞上游壅水程度最大;而箱形涵洞背水面的梯度较梯形涵洞的大,使得水流下泄时流速较快,位能较小,所以箱形涵洞上游的壅水程度较梯形涵洞的要小。

2.涵洞上下游各断面横向流速分布及大小

当涵洞作为节点工程横穿于河床时,因上游来水遇到不可动约束界面,使得涵洞周围及其上下游一段范围内水流的流速大小和分布均受到影响。图4和图5为在3年一遇和50年一遇洪水工况下,河道在建箱形涵洞前后CS2-CS8断面的横向流速分布曲线。由图4和图5可知:在3年一遇洪水工况下,无涵洞时河道中CS2-CS8断面的流速从左岸到右岸均呈递减变化,其中CS2-CS5断面左岸流速在2152~3m/s,右岸流速在1189~2175m/s;CS6-CS8断面左岸流速在2105~2163m/s,右岸流速在1165~212m/s;而在50年一遇洪水工况下,无涵洞时河道中CS2-CS8断面的最大流速则均出现在距左岸90m附近的河床,其中各断面流速均在4~419m/s,但右岸近区流速较小,在3154~4122m/s。从图4中还可看出:在3年一遇洪水工况下,与无涵洞相比,箱形涵洞上游CS2至CS4各断面的平均流速均有所减小,且断面横向流速分布曲线变得平顺,其中涵洞上游各断面左岸河床的流速变化不大,流速在2148~2177m/s之间,而右岸河床的流速却逐渐减小,由CS2断面的2131~2152m/s减小到CS4断面的2103~2121m/s;到了CS5断面,右岸流速又继续减小,断面出现了河中心流速较左右岸流速大的现象,该断面的最大流速位于距左岸60m的河中心。另外,在涵洞下游的CS6断面流速分布成M型,该断面的平均流速为2102m/s。表明上游来水跃过涵洞后,下游附近紊动增强,局部出现漩涡,使其背水面附近断面的水流流速分布不均匀。下游CS7和CS8断面的横向流速分布曲线则比较平坦,流速均位于115~211m/s间,CS8断面的平均流速为118m/s,与无涵洞时在该断面的平均流速较为接近。由图5可知:在50年一遇洪水工况下,与无涵洞时相比,箱形涵洞上游CS2-CS4断面的平均流速均有所减小,且断面横向流速分布曲线变得平坦,到了CS5断面,由于水流流速较大,上游河床被冲刷,挟沙水流遇到涵洞时泥沙淤积于迎水面,进而过水面积减小,使得CS5断面各测点流速均有所增大;CS5断面的最大流速位于距左岸80m的河中心,即迎水面附近也出现了河中心流速较左右岸流速大的现象;箱形涵洞上游CS2-CS5断面的横向流速分布曲线均位于4131~4139m/s之间。而在涵洞下游的CS6断面流速较下游CS7和CS8断面的流速要大,原因是当上游河床的水沙平衡后,水流挟沙向下,在涵洞背水面出现回淤现象,进而过水面积减小,使得背水面附近水流流速较下游的要大。其中,CS6和CS7断面的横向流速均位于318~413m/s间,而CS8断面上各测点的流速值较为一致,断面平均流速约为317m/s,与无涵洞时该断面的平均流速较为接近。

3.涵洞下游河床局部冲淤变化

目前,穿漳涵洞在几次水毁修复后,其下游局部冲刷仍较严重,使得涵洞的稳定性受到影响。因此,笔者就箱形涵洞对其下游河床局部冲淤的影响进行了试验。图6为在两种来水工况下,箱形涵洞下游CS6断面的河床冲淤图。由图6可知,在3年一遇洪水时,箱形涵洞下游CS6断面的河床有冲有淤,以冲刷为主,冲刷集中区位于左岸近区以及河中心至右岸的河床。其中,左岸近区河床的冲刷最为严重,冲刷深度在017m左右;而河中心至右岸区域河床的冲刷深度在013~015m间;断面的平均冲刷深度约为015m。而文献[6]中冲刷较少的圆弧形涵洞在该断面的冲刷集中在距左岸30~60m的河床,冲刷深度在018~115m间,断面平均冲刷深度约为0167m。可见,箱形涵洞在洞后的局部冲刷深度较圆弧形涵洞还要小。经分析,主要原因是在箱形涵洞的洞后能形成较良好的水跃形式。利用能量方程和连续方程[2,6]可以计算出,在3年一遇洪水工况时箱形涵洞下游收缩断面的Fr数[12214]为4152,属于稳定水跃[2,6,15],其消能率较高,并且在涵洞背水面设计有消力坎,总体消能效果比圆弧形涵洞要好,因此冲刷深度较小。而在50年一遇洪水工况下,箱形涵洞下游CS6断面也出现了文献[6]中两种穿河涵洞背水面河床的回淤现象,其淤积范围为距左岸40m至右岸的河床区域。但是,箱形涵洞背水面淤积深度在016m以下,而文献[6]中的圆弧形和梯形涵洞在该断面的淤积深度分别达018~117m之间和115m左右。