箱形涵洞對(duì)河床水沙特性影響試驗(yàn)探究

1、箱形涵洞對(duì)河床水沙特性影響試驗(yàn)探究摘要：以漳河的穿河涵洞為對(duì)象，采用物理模型的方法, 就3年一遇和50年一遇洪水工況時(shí)箱形涵洞所在河道的沿 程水位、上下游各斷面流速及其下游河床局部沖淤變形等問(wèn) 題進(jìn)行了試驗(yàn)觀測(cè)，探討了箱形涵洞對(duì)河床水沙特性的影 響。試驗(yàn)表明：在3年一遇和50年一遇洪水工況下，箱形 涵洞對(duì)上游河床的壅水較少，最大壅水高度分別為057 m和 03 m；涵洞上游各斷面的平均流速較無(wú)涵洞時(shí)有所減小，且 斷面橫向流速分布曲線(xiàn)更平坦。在迎水面出現(xiàn)了河中心流速 較左右岸流速大的現(xiàn)象；在涵洞下游較遠(yuǎn)的cs8斷面的平均 流速分別為18 m/s和37 m/s,與無(wú)涵洞時(shí)相差不大；在3 年一遇洪水

2、工況下，箱形涵洞洞后能形成fr=452的穩(wěn)定水 躍，使得箱形涵洞下游cs6斷面的河床局部沖刷較少，其平 均沖刷深度約為05m。由此可見(jiàn)，箱形涵洞具有較優(yōu)的水力 條件。關(guān)鍵詞：箱形；穿河涵洞；水位；壅水；流速；沖淤變 形；模型試驗(yàn)中圖分類(lèi)號(hào)：tv131.61； tv 149文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編 號(hào)：16721683 (2013) 03009704為了滿(mǎn)足人們生產(chǎn)生活的需要，在河道引水工程中常常 修建穿河涵洞。穿河涵洞除了具有引水的功能外，還可以作 為節(jié)點(diǎn)1發(fā)揮其緩沖調(diào)節(jié)上游來(lái)水，控制下游河段主槽發(fā) 展方向的作用。位于漳河的穿漳涵洞就是一個(gè)典型的節(jié)點(diǎn)工 程。通過(guò)穿漳涵洞的調(diào)節(jié)，劉深屯-穿漳險(xiǎn)工段的

3、主要河段 逐步穩(wěn)定，險(xiǎn)工段也趨向脫險(xiǎn)。然而，穿漳涵洞在“968” 洪水中受到了嚴(yán)重毀壞，經(jīng)過(guò)幾次修復(fù)后，局部沖刷仍較嚴(yán) 重，其穩(wěn)定性受到影響2。為了保證穿漳涵洞等節(jié)點(diǎn)工程 的自身穩(wěn)定性，進(jìn)而發(fā)揮節(jié)點(diǎn)在河道的作用，有必要對(duì)其附 近河床水沙特性進(jìn)行研究。目前，有關(guān)河道節(jié)點(diǎn)工程對(duì)其附近河床水沙特性的研究 主要針對(duì)的是溢流壩3、橡膠壩4、滾水壩5等，而關(guān) 于穿河涵洞影響河床水沙特性的研究較少。張鴻清等6就 圓弧形和梯形穿河涵洞對(duì)河床沖淤變化的影響進(jìn)行過(guò)試驗(yàn) 研究，結(jié)果表明，在3年一遇和50年一遇洪水工況下，圓 弧形涵洞周?chē)哟沧冃屋^梯形涵洞都要小，因此對(duì)于常年來(lái) 水與3年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)流量相差不大的漳河

4、，選擇圓弧形涵 洞較好。但是，圓弧形涵洞下游河床的沖刷依舊較嚴(yán)重，同 時(shí)其迎水面和背水面的曲面設(shè)計(jì)，在實(shí)際施工中較為復(fù)雜。 為了保證穿河涵洞下游河床出現(xiàn)較小的沖刷，本文設(shè)計(jì)了一 種箱形截面的穿河涵洞，并以穿漳涵洞所在河道為模型，利 用物理模型的方法就箱形涵洞對(duì)河床水流特性及其下游河 床局部沖淤變形的影響進(jìn)行研究。1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證1. 1試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型的幾何比尺為1 : 100,長(zhǎng)度范圍為上起漳河右堤樁 號(hào)61+800,下迄樁號(hào)63+800,總長(zhǎng)約2 kmo試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拈L(zhǎng) 度為20 m （進(jìn)水段和出水段長(zhǎng)各5 m,試驗(yàn)段長(zhǎng)10 m）,寬 度為13m。模型中主槽部分采用動(dòng)床模型，而灘地以及大堤 則采用

5、定床模型。通過(guò)計(jì)算得出滿(mǎn)足水流運(yùn)動(dòng)相似的流速、 糙率、流量和時(shí)間比尺分別為：1 ： 10、1 ： 215、1 ： 100000 和1 ： 10。為了分析涵洞對(duì)其所在河道的河床水沙特性影響, 流速和泥沙沖淤測(cè)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220 m、 150 m、100 m、50 m和10 mo涵洞下游cs6至cs9斷面與 背水面的距離分別為20 m、70 m、120 m和190 mo水位觀 測(cè)點(diǎn)1號(hào)-12號(hào)布置在河床兩岸，見(jiàn)圖1。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的箱形涵洞與原穿漳涵洞具有相同的過(guò)水能 力，即達(dá)到涵洞雙排布置的要求，并與文獻(xiàn)6中的兩種穿 河涵洞

6、具有相同的截面面積。設(shè)計(jì)的箱形涵洞模型見(jiàn)圖2。 據(jù)文獻(xiàn)8,本試驗(yàn)中的涵洞頂部高程設(shè)計(jì)為46 ni,河道上 下游河床的初始地形高程均設(shè)計(jì)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(jiàn)圖2。模型根據(jù)動(dòng)床河工模型相似律7進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)選擇 的來(lái)水工況和模型沙均與文獻(xiàn)6中的一樣。來(lái)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(shí)的 主槽過(guò)水流量為500 m3/s, 50年一遇洪水時(shí)的主槽過(guò)水流 量為2 06973 m3/so由于模型試驗(yàn)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(yàn)中將沙質(zhì)推移質(zhì)

7、放在床沙質(zhì)中一并考慮。本試驗(yàn)選用的模型沙是重率為117 t/m3的塑料沙。表1為滿(mǎn)足懸移質(zhì)與沙質(zhì)推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)相似 911的比尺匯總表。模型根據(jù)動(dòng)床河工模型相似律7進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)選擇 的來(lái)水工況和模型沙均與文獻(xiàn)6中的一樣。來(lái)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(shí)的 主槽過(guò)水流量為500 m3/s, 50年一遇洪水時(shí)的主槽過(guò)水流 量為2 06973 m3/so由于模型試驗(yàn)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(yàn)中將沙質(zhì)推移質(zhì) 放在床沙質(zhì)中一并考慮。本試驗(yàn)選用的模型沙是重率為117 t/m3的塑料沙。

8、表1為滿(mǎn)足懸移質(zhì)與沙質(zhì)推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)相似 911的比尺匯總表。重現(xiàn)期13年一遇150年一遇原型水位/ml48. 30151.36 模型換算成原型后的水位/ml6號(hào)測(cè)針148. 32151. 377號(hào)測(cè)針 148. 37151. 45 平均 148. 35151. 41 差值 10. 0510. 052 試驗(yàn)結(jié) 果與分析2. 1水位沿程變化當(dāng)穿河涵洞節(jié)點(diǎn)在河道上形成過(guò)水壩時(shí)，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(yàn)對(duì)建 涵洞前后河床左右岸水位進(jìn)行了觀測(cè)。圖3為3年一遇和50 年一遇洪水工況下，有涵洞與無(wú)涵洞時(shí)河床左右岸沿程水位 變化的對(duì)比曲線(xiàn)圖。在原型河道中，穿漳涵洞距試驗(yàn)段入口 490 m。由圖3 可知，在兩種來(lái)水工況下，與無(wú)涵洞時(shí)相比，受涵洞壅水的 影響，上游河床左右岸的水面線(xiàn)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60110 m 之間的河床。試驗(yàn)表明，箱形涵洞上游壅水隨著來(lái)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057 m和03 m；而文獻(xiàn)6中圓弧形和 梯形涵洞的最大壅水高度分別為061 m和034 m、058 m和 032 mo可見(jiàn)，箱形涵洞對(duì)其上游的壅水程度最小。對(duì)其原 因分析如下：試驗(yàn)前