試驗設計與驗證

1.試驗設計

模型的幾何比尺為1B100,長度范圍為上起漳河右堤樁號61+800,下迄樁號63+800,總長約2km。試驗模型的長度為20m(進水段和出水段長各5m,試驗段長10m),寬度為113m。模型中主槽部分采用動床模型,而灘地以及大堤則采用定床模型。通過計算得出滿足水流運動相似的流速、糙率、流量和時間比尺分別為:1B10、1B2115、1B100000和1B10。為了分析涵洞對其所在河道的河床水沙特性影響,流速和泥沙沖淤測量斷面分別布置在涵洞上下游。在原型河道中,涵洞上游CS1至CS5斷面與迎水面的距離分別為220m、150m、100m、50m和10m。涵洞下游CS6至CS9斷面與背水面的距離分別為20m、70m、120m和190m。水位觀測點1號-12號布置在河床兩岸,見圖1。試驗設計的箱形涵洞與原穿漳涵洞具有相同的過水能力,即達到涵洞雙排布置的要求,并與文獻[6]中的兩種穿河涵洞具有相同的截面面積。設計的箱形涵洞模型見圖2。據(jù)文獻[8],本試驗中的涵洞頂部高程設計為46m,河道上下游河床的初始地形高程均設計為44m。箱形涵洞的截面尺寸、洞頂高程和上下游初始河床的高程,見圖2。模型根據(jù)動床河工模型相似律[7]進行設計。試驗選擇的來水工況和模型沙均與文獻[6]中的一樣。來水工況為3年一遇和50年一遇洪水兩種工況。其中,3年一遇洪水時的主槽過水流量為500m3/s,50年一遇洪水時的主槽過水流量為2069173m3/s。由于模型試驗所在的平原河道中推移質(zhì)輸沙量占懸移質(zhì)輸沙量的比例很小,影響河床沖淤變化的主要是懸移質(zhì)中的床沙質(zhì)部分,因此模型試驗中將沙質(zhì)推移質(zhì)放在床沙質(zhì)中一并考慮。本試驗選用的模型沙是重率為1117t/m3的塑料沙。表1為滿足懸移質(zhì)與沙質(zhì)推移質(zhì)運動相似[9211]的比尺匯總表。

2.試驗驗證

本文選擇在3年、50年一遇洪水時原穿漳涵洞迎水面的水位來進行驗證。根據(jù)原河道的水位資料,穿漳涵洞處河床在3年一遇和50年一遇洪水時的水位分別為48130m和51136m。表2為原穿漳涵洞迎水面的6號和7號測針的水位驗證結(jié)果。由表2可知:在3年一遇和50年一遇洪水工況下,模型迎水面的水位與原型比較接近,水位的最大誤差為?0109m,表明本文的試驗模型能夠較好的反映水流運動特征。

試驗結(jié)果與分析

1.水位沿程變化

當穿河涵洞節(jié)點在河道上形成過水壩時,其上游水流將成壅水狀態(tài)。為了分析箱形涵洞上游壅水情況,本試驗對建涵洞前后河床左右岸水位進行了觀測。圖3為3年一遇和50年一遇洪水工況下,有涵洞與無涵洞時河床左右岸沿程水位變化的對比曲線圖。在原型河道中,穿漳涵洞距試驗段入口490m。由圖3可知,在兩種來水工況下,與無涵洞時相比,受涵洞壅水的影響,上游河床左右岸的水面線均有所抬高,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之間的河床。試驗表明,箱形涵洞上游壅水隨著來水流量的增大而減小。在3年和50年一遇洪水工況下,箱形涵洞的最大壅水高度分別為0157m和013m;而文獻[6]中圓弧形和梯形涵洞的最大壅水高度分別為0161m和0134m、0158m和0132m。可見,箱形涵洞對其上游的壅水程度最小。對其原因分析如下:試驗前,上述三種涵洞具有相同的洞頂高程和上下游初始河床高程,因圓弧形涵洞的迎水面為圓弧形,阻水面積較其他兩種涵洞的斜平面要大,使得圓弧形涵洞上游壅水程度最大;而箱形涵洞背水面的梯度較梯形涵洞的大,使得水流下泄時流速較快,位能較小,所以箱形涵洞上游的壅水程度較梯形涵洞的要小。

2.涵洞上下游各斷面橫向流速分布及大小

當涵洞作為節(jié)點工程橫穿于河床時,因上游來水遇到不可動約束界面,使得涵洞周圍及其上下游一段范圍內(nèi)水流的流速大小和分布均受到影響。圖4和圖5為在3年一遇和50年一遇洪水工況下,河道在建箱形涵洞前后CS2-CS8斷面的橫向流速分布曲線。由圖4和圖5可知:在3年一遇洪水工況下,無涵洞時河道中CS2-CS8斷面的流速從左岸到右岸均呈遞減變化,其中CS2-CS5斷面左岸流速在2152~3m/s,右岸流速在1189~2175m/s;CS6-CS8斷面左岸流速在2105~2163m/s,右岸流速在1165~212m/s;而在50年一遇洪水工況下,無涵洞時河道中CS2-CS8斷面的最大流速則均出現(xiàn)在距左岸90m附近的河床,其中各斷面流速均在4~419m/s,但右岸近區(qū)流速較小,在3154~4122m/s。從圖4中還可看出:在3年一遇洪水工況下,與無涵洞相比,箱形涵洞上游CS2至CS4各斷面的平均流速均有所減小,且斷面橫向流速分布曲線變得平順,其中涵洞上游各斷面左岸河床的流速變化不大,流速在2148~2177m/s之間,而右岸河床的流速卻逐漸減小,由CS2斷面的2131~2152m/s減小到CS4斷面的2103~2121m/s;到了CS5斷面,右岸流速又繼續(xù)減小,斷面出現(xiàn)了河中心流速較左右岸流速大的現(xiàn)象,該斷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斷面流速分布成M型,該斷面的平均流速為2102m/s。表明上游來水躍過涵洞后,下游附近紊動增強,局部出現(xiàn)漩渦,使其背水面附近斷面的水流流速分布不均勻。下游CS7和CS8斷面的橫向流速分布曲線則比較平坦,流速均位于115~211m/s間,CS8斷面的平均流速為118m/s,與無涵洞時在該斷面的平均流速較為接近。由圖5可知:在50年一遇洪水工況下,與無涵洞時相比,箱形涵洞上游CS2-CS4斷面的平均流速均有所減小,且斷面橫向流速分布曲線變得平坦,到了CS5斷面,由于水流流速較大,上游河床被沖刷,挾沙水流遇到涵洞時泥沙淤積于迎水面,進而過水面積減小,使得CS5斷面各測點流速均有所增大;CS5斷面的最大流速位于距左岸80m的河中心,即迎水面附近也出現(xiàn)了河中心流速較左右岸流速大的現(xiàn)象;箱形涵洞上游CS2-CS5斷面的橫向流速分布曲線均位于4131~4139m/s之間。而在涵洞下游的CS6斷面流速較下游CS7和CS8斷面的流速要大,原因是當上游河床的水沙平衡后,水流挾沙向下,在涵洞背水面出現(xiàn)回淤現(xiàn)象,進而過水面積減小,使得背水面附近水流流速較下游的要大。其中,CS6和CS7斷面的橫向流速均位于318~413m/s間,而CS8斷面上各測點的流速值較為一致,斷面平均流速約為317m/s,與無涵洞時該斷面的平均流速較為接近。

3.涵洞下游河床局部沖淤變化

目前,穿漳涵洞在幾次水毀修復后,其下游局部沖刷仍較嚴重,使得涵洞的穩(wěn)定性受到影響。因此,筆者就箱形涵洞對其下游河床局部沖淤的影響進行了試驗。圖6為在兩種來水工況下,箱形涵洞下游CS6斷面的河床沖淤圖。由圖6可知,在3年一遇洪水時,箱形涵洞下游CS6斷面的河床有沖有淤,以沖刷為主,沖刷集中區(qū)位于左岸近區(qū)以及河中心至右岸的河床。其中,左岸近區(qū)河床的沖刷最為嚴重,沖刷深度在017m左右;而河中心至右岸區(qū)域河床的沖刷深度在013~015m間;斷面的平均沖刷深度約為015m。而文獻[6]中沖刷較少的圓弧形涵洞在該斷面的沖刷集中在距左岸30~60m的河床,沖刷深度在018~115m間,斷面平均沖刷深度約為0167m。可見,箱形涵洞在洞后的局部沖刷深度較圓弧形涵洞還要小。經(jīng)分析,主要原因是在箱形涵洞的洞后能形成較良好的水躍形式。利用能量方程和連續(xù)方程[2,6]可以計算出,在3年一遇洪水工況時箱形涵洞下游收縮斷面的Fr數(shù)[12214]為4152,屬于穩(wěn)定水躍[2,6,15],其消能率較高,并且在涵洞背水面設計有消力坎,總體消能效果比圓弧形涵洞要好,因此沖刷深度較小。而在50年一遇洪水工況下,箱形涵洞下游CS6斷面也出現(xiàn)了文獻[6]中兩種穿河涵洞背水面河床的回淤現(xiàn)象,其淤積范圍為距左岸40m至右岸的河床區(qū)域。但是,箱形涵洞背水面淤積深度在016m以下,而文獻[6]中的圓弧形和梯形涵洞在該斷面的淤積深度分別達018~117m之間和115m左右。