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輸沙量占懸移質輸沙量的比例很小,影響河床沖淤變化的主要是懸移質中的床沙質部分,因此模型試驗中將沙質推移質放在床沙質中一并考慮。本試驗選用的模型沙是重率為1117t/m3的塑料沙。表1為滿足懸移質與沙質推移質運動相似[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。

試驗結果與分析

1.水位沿程變化

當穿河涵洞節點在河道上形成過水壩時,其上游水流將成壅水狀態。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,右岸流速又繼續減小,斷面出現了河中心流速較左右岸流速大的現象,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了河中心流速較左右岸流速大的現象;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,在涵洞背水面出現回淤現象,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,沖刷集中區位于左岸近區以及河中心至右岸的河床。其中,左岸近區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[12214]為4152,屬于穩定水躍[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斷面也出現了文獻[6]中兩種穿河涵洞背水面河床的回淤現象,其淤積范圍為距左岸40m至右岸的河床區域。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。