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浅析河流弯道水流特点及冲刷深度

发布时间:2019-03-12 15:47所属分类:农业论文浏览:1

摘要:自然状态下,由于受到河床、地形地貌等因素的影响,河流会呈现很多种形态。根据河流平面形态将其分为四类:顺直型、分汊型、弯曲型及游荡型。本文重点对弯曲型河流中一种常见的水流形式弯道水流进行研究,分析弯道水流特点、分类、冲刷机理以及冲刷深

  摘要:自然状态下,由于受到河床、地形地貌等因素的影响,河流会呈现很多种形态。根据河流平面形态将其分为四类:顺直型、分汊型、弯曲型及游荡型。本文重点对弯曲型河流中一种常见的水流形式弯道水流进行研究,分析弯道水流特点、分类、冲刷机理以及冲刷深度计算。

  关键词:河流,弯道水流,特点,分类,冲刷深度

水利水电工程设计

  在河流动力学中,弯道水流特点、分类、冲刷机理及冲刷深度的计算一直是重点研究的方向。弯道水流的分析将对河流枢纽工程、引水工程以及整治工程的发展具有非常重要的作用,而弯道水流研究方法主要包括确定型和随机型。确定型方法由于其建模简单、易于分析和计算方便等优点,受大部分学者青睐。

  随机型方法是较为符合弯道水流随机性特点的一种方法,随机型方法使用过程中较为复杂、计算模型建立难度大、计算时间较长、研究成本较高。故本文采用确定型方法,重点分析弯道水流特点、分类、冲刷机理及冲刷深度计算。

  1河流弯道水流分类

  自然状态下的弯道水流边界条件存在差异,导致弯道中水流运动特性和直道中水流运动特性有着明显差异。弯道水流中有缓流和急流之分,而弯道也可以分为缓流弯道、急流弯道。

  1.1缓流弯道

  1.1.1水面横比降较高

  所谓弯道水流水面横比降,即水流在直段流入弯段之后会产生离心力,容易破坏自由水面的平衡,从而造成弯道水流形成的凸岸水面要低于凹岸水面形成的横向水面比降,而凹岸与凸岸之间形成的水位差就被称为横向水面超高。

  1.1.2断面环流

  河流弯道的断面环流是因为弯道水流在横断面上凹岸水面高、凸岸水面低而形成的环形流动形式。弯道水流受离心力、水冲击力以及压力的影响,再加上水流运动的连续性,导致出现断面水流的现象。

  1.1.3弯道环流

  弯道环流又被称为弯道环流水沙分流,主要指水流在弯道过程中产生的离心力会将表面水流冲到凹岸,而底面的水流会达到凸岸,从而形成一种封闭形式的环流。当横向环流与纵向环流融合在一起时,会形成螺旋运动的水流。故在弯道环流水沙分流的作用下,自然河流的基本形态大多均呈弯道。较弯道水流,直道河流中的水深、流速、含沙量都较为均匀,而在弯道水流中,由于受水流在弯道离心力的作用,导致水深、含沙量等分布不是特别均匀,河床的高低也不是特别均匀[1]。

  此外,离心力的大小与水流流速有着直接关联,而水流流速主要由河道弯曲程度和河床高低而决定。综上所述,对弯道水流而言,离心力在水流表层是比较大,在低层时比较小。在水面差基础上所形成的侧压力方向和弯道形成的离心力方向正好相反,侧压力与离心力的合力方向就是水流的方向。

  1.2急流弯道

  对于河流的弯道急流而言,弯曲河道水流对凹岸河床形成较为强的冲刷,同时弯曲河道壁将产生冲击波对水流流态起到一定的干扰作用,导致水面发生非常复杂的变化。考虑到弯道急流不仅具有弯道缓流螺旋水流,还会在弯道壁中产生干扰水流的冲击波使水面发生异常激烈的运动。

  故研究弯道急流不仅需要考虑重力和离心力的作用,同时还要考虑弯曲河道壁对水流干扰情况以及急流弯道冲击波干扰会在水面形成水波。在弯道急流状态下,河流弯道水流特点将十分显著,需要在其深入分析下计算弯道的冲刷深度,这样才能掌握河流的实际情况,确保河流的安全运动。

  2河流弯道水流特点

  对于河流弯道位置的特殊水流,主要是在横向环流的基础上产生的,弯道水流也叫做三维流,在垂直方向具有侧向压力梯度,导致表层水流和底层水流之间存在很大的差异性。一般来说,表层水流的速度要比弯道水流的平均速度大很多,而底层水流速度要比弯道水流速度小很多。所以,弯道水流表面及底层向心加速度对比,表层水流要更大一些。

  基于此此种情况,表层水平会沿着外向不断运动,而底层水流则与之相反,当靠近河岸处时,会自动变成垂向流速分流,会对弯道河床的断面造成严重影响。受到环流作用,表层含沙量比较少的水流会不断向凹岸流动,底层含沙量较多的水流会向凸岸边滩流动,从而出现横向输沙不平衡的现象。除此之外,纵向的水流会产生顶冲现象,会破坏凹岸的岸坡,甚至引发凹岸坍塌、凸岸弯道延长等现象[2]。

  基于动量向凹岸不断转移,环流对主流的分布状况具有重要影响,特别是在水平河床中,如果没有对环流作用进行分析,会在凸岸产生最大流速,在考虑环流作用之后,最大流速将会转移到凹岸。无论是环流形式还是主流形式,在向凹岸转移时都要经过较为复杂的过程,因此在进入弯道的地方其河床形状和轴对称河床形状存在很大的不同。弯道处水流或泥沙要对河道断面条件全面分析,当接近弯道下游后,轴对称水流条件就会占据绝对的优势。如果轴对称水流能够沿着水深方向呈对数状态进行分布。

  3河流弯道冲刷深度

  通过上文叙述可知,弯道中的横向环流会造成凹岸被冲刷、凸岸严重淤积,最后引发河床的横向变迁。需要注意的是,凹岸被冲刷不会在弯道内产生,而且通过有关资料可知,冲刷的范围大约是整个弯道的70%,如果弯道的整体长度设为L,其冲刷范围则为0.7[3]。

  主流与凹岸的接触位置视为顶冲点,当枯水时,顶冲点将被称为水流的上顶冲点,在洪水期,顶冲点被称为下顶冲点。基于自然河流及模型试验,主流线会在水流量的基础上进行变化,水流量增加,惯性增加,水流量减少,惯性变小,而且主流线的曲率半径也会发生改变。此外,洪水时期,主流趋向于河中心,顶冲点会不断移动,但是在枯水期,主流线则更加倾向于凹岸。

  4结束语

  综上所述,大概明确了河流弯道水流特性以及其中存在的一些问题,如弯道水流特性较为复杂,与弯道水流特性有关的实验研究及公式计算仍然存在不足,计算急流弯道时缺少统一的计算标准。因此,需要对河流弯道冲刷深度进行分析,得出相应的研究数据,有效解决弯道水流中存在的问题,确保弯道水流的有效运行。

  参考文献

  [1]刘丽,陈洪凯.弯道流速与路基冲刷深度关系研究[J].路基工程,2010,(5).

  [2]吴门伍,严黎,胡晓张,等.南宁过江隧道河段极限冲刷深度预测[J].人民珠江,2012,(1).

  [3]李景娟,段祥宝,谢罗峰.弯曲航道水流特性及岸坡稳定性研究[J].水运工程,2016,(12).

  [4]林文婧.山区中小河流冲刷深度计算及分析[J].广东水利水电,2016,(5).

  水利工程师评职期刊:《水利水电工程设计》杂志是经国家科委批准,由水利部天津水利水电勘测设计研究院和天津市水力发电工程学会共同主办,向国内外公开发行的技术性刊物。设有设计与施工、机电与金属结构、规划和经济、地质与测量、工程监理、新技术开发与应用、试验与研究、专题讨论、综述、安全监测、水力机械、国外科技、小资料、简讯、信息与服务等栏目。

  

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