河流边滩和近海水域浅滩的水深相对于其平面尺度很小,属于浅水流动的范畴。河流边滩和近海浅滩为水陆交界带,受人类活动的影响很大。由于河流海岸的岸线复杂,在岸线突出点的下游将形成回流区,在此区域内多会发生泥沙淤积和污染物的聚集,其水流泥沙运动具有特定的规律。泥沙的淤积过程、淤积形态对该区域的水流特性、生态环境、航道管理等均具有重要的影响,如漂浮物的聚集和清除、泥沙吸附的污染物质的解吸扩散、航道清淤等。我国漫长的海岸线和广阔的浅水带具有重要的经济开发价值,如港口建设、水产养殖、矿产资源开发、湿地保护、航运交通及旅游景区等。为此,需要研究浅水水流的运动特性、泥沙输移规律和污染物的传播机制及防治措施,为浅水区开发提供科学依据。在对浅水流动回流区中水流运动及泥沙淤积规律的研究中,较多采用数学模型为工具。但由于水流泥沙和污染物在此区域内的运动规律非常复杂,采用实体模型进行研究将能获得更系统的资料。本文采用实体模型试验的方法对明渠浅水水流进行系统深入的研究,专门设计了明渠水槽,配置了先进的供水供沙系统和测量仪器,重点探讨了明渠加糙的简便方法,为开展边墩尾流的试验研究提供了基础。1试验条件1.1模型设计模型长18.9m,宽2.90m,固定坡降0.005,模型表面为光滑的混凝土,模型布置见图1.1。模型进口安装4台轴流水泵,供水流量范围为2～100 l/s,采用50cm等宽矩形堰测进口流量。为研究浅水半岛的流动特性,从模型进口到纵向坐标4.5m处,分别在模型左测加0.25m、0.5m、0.75m和1.0m的直角矩形半岛。1.2测量仪器表面流场测量系统:采用流场实时测量系统VDMS测量水流的表面流速场。在模型上方5.0m处垂直安装4部摄像机,示意如图1.1,在尾流区上方3m处增设2部摄像机,同步测量表面流速场并进行实时数据处理。悬移质加沙机:采用专门设计的悬移质加沙机在模型进口加沙,根据设计的含沙量调节向模型施放的浑水流量,以基本保持模型中的含沙量稳定。浓度计:采用前向接收式红外线光电浓度计测量悬移质泥沙的浓度。试验沙:采用比重1.056的塑料沙,级配基本均匀。中值粒径D50=0.14 mm,几何标准偏差:1.3参数计算试验研究中采用的各种参数定义如下。1. 4加糙方法在矩形明渠的两侧底部加5mm宽的木条,木条的上平面与渠底齐平。在木条上间隔10cm钉上铁钉。试验前预先采用1.0mm和1.5mm的尼龙绳对称挂在铁钉上,保持尼龙绳垂直于流向且贴紧床面,尼龙绳的间距分别为80、40、20、10cm。2矩形明渠浅水流动的试验研究首先进行了5种糙率、6级流量共30组矩形明渠浅水流动的基础性试验。经初步分析,加糙试验的粗糙雷诺数Re k = KνSu*与绳距Re d = DνS U的关系为:式中Ds为绳距。设:阻力系数C f~ Rη的关系为:3 50cm边墩浅水流动的试验研究在模型左上侧加50cm边墩,共进行了30组试验。试验时调节尾部竖板,使上下游的水深相等,水流参数均采用下游断面的计算结果。3.1阻力系数类似于(2-9)式,50cm边墩加糙试验的粗糙雷诺数与绳距关系的回归方程为:按(2-11)式定义的参数回归计算得出方程为:实测结果与(3-2)式符合良好,说明阻力系数的变化规律与宽浅明渠的试验结果相似。3.2 S数S数随流量加大而迅速减小;在小流量时,加糙间距的影响较大。当流量大于20 l/s后,S数的变化已不明显。S数与水流条件和加糙间距有关,定义参数:则根据实测资料回归得出:上式与实测资料符合良好。从(3-3)式可知,由(3.4)式反映出浅水半岛流动的稳定系数与水流强度和加糙绳距成反比,水流强度越弱,紊动强度越小;加糙绳距越密,对水流的阻力越大,其综合结果就是S数越大,水流越稳定。3.3回流区长度从流场分布图可以确定右边壁处的流速滞点,滞点以上即为回流区,进而可以测量回流区的长度Lc。典型的回流区测量结果见图3.16.分析表明,回流区长度与床面阻力系数有关,根据实测资料回归得出:式中Ds为边墩的宽度,由(3-2)式有:上式与实测资料的相关关系良好。4 25cm、75cm和100cm边墩的试验结果三种边墩的试验结果与50cm边墩的结果相似,下面只列出主要的回归计算成果。4.1 25cm边墩的试验结果4.2 75cm边墩的试验结果4.3 100cm边墩的试验结果5综合参数的变化规律在已完成的4种边墩宽度(加明渠)共5种工况的试验中,分别研究了加糙绳距的当量粗糙度、阻力系数、S数和回流长度的变化规律,将前述各章得出的回归公式写成统一的表达式。各参数的数值统计如表5-3。式中:Bt为加边墩以后的有效宽度,B0为明渠宽度。实测资料表明,式(5.9)～(5.12)中的参数与ε有关,建立其相关关系,最后得出:阻力系数:回流区长度:上述公式与实测阻力的相关性良好,完善地描述了浅水明渠流流动的规律性,为相关课题的深入研究提供了基础。6泥沙淤积试验研究通过试验,系统研究了边墩下游各种工况下的泥沙淤积特性,分析了泥沙淤积的发展过程和变化规律。在泥沙淤积大致平衡的条件下,建立了泥沙淤积厚度、淤积面积和淤积体积与水流阻力系数、S数和Re数的回归关系。6.1试验条件在边墩为50cm宽的模型上进行了5级流量、5种加糙条件的加沙试验。试验开始时,首先调节一定流量下的均匀流流态,达到恒定均匀流后采用PTV测量该组试验的初始流场,记录各种试验参数。在模型的进口加沙,采用浓度计实时监测水流的含沙量。每组试验的持续时间为2～5小时,当边墩下游的淤积体顶部达到水面,淤积体的形态基本不变化后停止试验。6.2泥沙淤积的统一规律各种工况的试验结果表明,当试验运行3h左右,回流区的泥沙淤积已基本平衡,各淤积参数保持稳定,故以各组试验运行3h的测量结果为基础,研究泥沙淤积的统一规律性。分别定义无量纲的淤积厚度Hd、淤积面积Ad和淤积体积Vd为:式中:H、A、V分别为淤积体的平均厚度、面积和体积,h为水深,D为边墩宽度,Lc为回流区长度。6.2.1淤积厚度的变化规律当试验运行3h时,泥沙淤积的沙脊已露出水面,按回流区中有泥沙淤积的面积上的淤积量求出平均淤积厚度。从试验结果可以看出,泥沙的淤积厚度约为水深的0.3倍,与阻力系数、S数和Re数无关,即:6.2.2淤积面积的变化规律泥沙淤积面积随水流阻力的增加而加大:由于S数越大,水流越稳定,将有利于泥沙的淤积,所以淤积面积随S数的加大而增加:随着Re数的加大,水流强度增加,紊动增强,水流的挟沙力加大,淤积的泥沙将相对减少,即泥沙的淤积面积将随Re数的加大而减小:6.2.3淤积体积的变化规律泥沙淤积体积随水流阻力的增加而加大:淤积体积随S数的加大而增加:随着Re数的加大,泥沙淤积的体积将因淤积面积的减小而减少:7结论与展望7.1结论本文以试验为主,研究了浅水区边墩下游的水流运动特性和泥沙淤积规律,获得了下述主要成果:7.1.1试验方法研究A、专门为研究浅水流动的特性而设计、建造了大型的宽浅水槽,供水流量自动控制,大范围的VDMS表面流场测量系统快速准确。B、已有的研究结果表明,床面阻力是控制水流运动特性的重要参数。本文提出了一种采用绳索加糙的试验方法,可使阻力系数的变化范围达到5倍以上,该方法操作简单、调整灵活。C、设计了完善的泥沙淤积试验方案,包括浑水水流循环系统,悬移质自动加沙和监测系统及床面淤积跟踪测量系统。试验过程表明,水流控制系统调整灵活,流场测量快速准确,悬移质加沙过程稳定,床面淤积测量满足精度要求,本系统为进行大量的回流区流动特性的试验研究提供了基本保证。7.1.2清水试验成果A、明渠阻力与水流强度和加糙绳距有关,绳距越密,阻力越大,在小流量时绳距的影响更加明显。(3-2)式能很好地描述各种水流强度和加糙绳距的阻力变化规律。B、S数与阻力系数成正比而与水深成反比,其变化规律可用(3-4)式表达。C、回流区长度与边墩的宽度成正比,并与阻力系数有关,阻力越大,回流区长度越短。回流区长度的回归公式见式(3.6)。D、根据试验成果,得出了浅水明渠流动的当量粗糙度、阻力系数、S数和回流区长度等参数变化的规律性,各参数的回归计算公式分别为(5.15)、(5.16)、(5.18)和(5.19)式,这些公式较完善地描述了浅水明渠流流动的规律性,为相关课题的深入研究提供了基础。7.1.3泥沙淤积试验成果A、在水流强度较弱时(流量Q<44.0 /s),泥沙主要在主流与回流区的交界带淤积,当水流强度中等( Q≈70 l /s)时,主流因接触边壁反射而在其下游又形成第二个回流区,试验初始阶段重要淤积在两个回流区,其后逐渐发展成较连续的淤积体。在最大水流强度的试验条件下( Q≈90 l /s),第二个漩涡更大,泥沙主要在两个回流区内淤积,形成两个相互分离的淤积体,下回流区内的淤积有随试验时间的推移而增加并逐渐下延。B、在中等水流强度以下( Q < 70 l /s),泥沙大致在流速矢量小于0.1m/s、涡量强度大于1 (1/s)的范围内淤积。当Q≈90 l /s时,泥沙仍然是集中淤积在流速矢量小于0.1m/s的区域,但泥沙在涡量大于1.0 (1/s)的区域难以落淤。C、泥沙基本淤积平衡时,泥沙淤积的统一规律性为:1)、泥沙的淤积厚度约为水深的0.3倍,不随阻力系数、S数或Re数而变化。2)、泥沙淤积面积随水流阻力和S数的增加而加大,随Re数的加大而减小。3)、泥沙淤积体积的变化规律与淤积面积的变化相似,亦是随阻力系数和S数的增加而加大,随Re数的增加而减小,其相关关系见(6.9)～(6.11)式。7.2展望为完善试验成果,需要进一步研究如弧度形、半圆形、折线形等各种边墩形状的试验;进行多种泥沙比重和粒径的试验研究,深入探讨泥沙研究过程、淤积形态的规律性。深入分析水流运动特性与泥沙运动、沉积过程的相关关系,浅水区植物对流动和泥沙淤积的影响亦是值得系统研究的课题。