CN104195979A - 河道交汇水流停滞区楔锥体及其构建方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开的河道交汇水流停滞区楔锥体是由其构建方法在干支流来流代表性流量条件下，先利用SMS数值模拟软件计算自然地形条件下干支流交汇区域的二维水流速度场，提取不同水位高程处流速等值线图，再以泥沙起动的临界流速U_c确定不同水位高程流速等值线中与其相等的等值线，然后进行叠加形成楔锥体结构；并以水位最低时干支流流速等于U_c时的流速等值线交点与岸线的交点的连线定为y轴，沿y轴在停滞区内进行断面剖分，提取各断面上等值线的水位进行拟合，断面水位满足抛物线方程z＝ax²+bx+c，将各断面系数a、b、c与y轴建立关系，获得楔锥体结构地形高程。该楔锥体能有效降低交汇区顶托效应，使得交汇区水流均匀化，适用交汇河道水流停滞区的整流工程中。

Description

河道交汇水流停滞区楔锥体及其构建方法与应用

技术领域

本发明属于河道交汇水流整流方法及其构建技术领域，特别涉及一种河流交汇水流停滞区楔锥体及其构建方法与应用。

背景技术

天然河流的水系演化及水利工程中所采取的排水、排污等措施，常形成干支河流交汇模式。在河流相汇处，两股水流相互顶托，混掺强烈，交汇区水流特性变得十分复杂。当支流水沙进入主流时，将打破原有水沙平衡状态，在交汇区下游形成明显的水流分离区，导致泥沙在分离区内淤积；支流入汇主流后使得主流受到挤压，河道的过水面积减小，从而在交汇区形成高流速区域，造成河床的冲刷。分离区内流速较小，而入流流速较大，较大的流速梯度而形成剪切面；入汇侧上游，两股水流相互顶冲形成低流速带。此外，交汇区两股水流相互顶托，在上游交汇角处形成低流速区域，该区域水流几乎静止不动，形成了水流停滞区。因此，可将交汇区水流分为：分离区、高流速区和停滞区，见图1。

其中停滞区内因水流流速很小，无法将上游的来沙输送到下游，从而致使泥沙在停滞区落淤缩窄河道过水断面，抬高水位，因而常导致交汇区水沙灾害的发生。如横江与金沙江交汇区停滞区泥沙淤积，减小过水面积，降低行洪能力，见图2，又如四川省马边县先家普河与挖黑河交汇停滞区泥沙淤堵，致使交汇区电厂厂房淤埋，见图3。从天然河道交汇现象可知，交汇停滞区泥沙淤积形态大致呈三角形形状，且因河道中水流流速的垂向分布大致为对数分布，越靠近床底流速越小，与入流流速存在的流速梯度越大，这样形成的停滞区宽度越大，在同一水深下，流速越小停滞区形成的三角形面积越大，进而又要加剧两股水流的相互顶托作用，引起交汇区水位壅高，流速降低，泥沙进一步落淤，形成河口浅滩或江心滩(洲)，使得河道有效过水面积减小，严重影响航运和行洪能力及交汇区建筑物安全。

发明内容

本发明的目的是针对对河道交汇水流停滞区所产生的一系列问题，首先提供一种河道交汇水流停滞区楔锥体的构建方法，以对该区域进行整流。

本发明的另一目的是提供一种由上述方法构建的河道交汇水流停滞区楔锥体，该楔锥体能使两股水流平稳的汇合，降低两股水流的相互顶托作用，增加水流停滞区流速，使得流速分布均匀，水流平顺，可有效防治水流停滞区产生的不平衡冲淤。

本发明的再一目的是提供一种由上述方法构建的河道交汇水流停滞区楔锥体的应用。

本发明提供的河道交汇水流停滞区楔锥体的构建方法，其特征在于该方法的构建步骤如下：

(1)在干支流来流代表性流量条件下，利用SMS数值模拟软件计算自然地形条件下干支流交汇区域的二维水流速度场，提取不同水位高程处流速等值线图；

(2)先根据泥沙颗粒运动条件确定泥沙起动的临界流速U_c，从不同水位高程流速等值线中确定停滞区内流速等于U_c的等值线，然后将确定的停滞区内流速等于U_c的等值线叠加，从立体上来看，不同水位处泥沙起动临界流速U_c等值线图就形成楔锥体结构；

(3)将水位最低处，干支流区域流速等于对应水位处泥沙起动临界流速U_c时的流速等值线的交点与岸线交点的连线定为y轴，对不同水位高程流速等于U_c的等值线进行剖分，提取等值线上断面各点对应的水位高程，对所得水位高程进行曲线拟合，建立自然河流交汇区域的水流停滞区泥沙处于起动临界状态下水位满足抛物线关系：

Z＝ax²+bx+c

式中Z为楔锥体顶面高程；x为楔锥体底面垂直于y轴的偏量；a为楔锥体抛物线幅度，b为楔锥体的宽度，c为干支流交汇河床与楔锥体的交点，a、b、c等参数根据干支河床地形与泥沙起动临界流速U_c等值线图形成的横剖面抛物线确定。

上述方法中所述泥沙起动临界流速U_c选用沙莫夫公式其中g为重力加速度，h为交汇区平均水深，d为泥沙平均粒径。

本发明提供的由上述方法构建的楔锥体，该楔锥体横断面满足以下抛物线方程；

Z＝ax²+bx+_c

式中Z为楔锥体顶面高程；x为楔锥体底面垂直于y轴的偏量；a为楔锥体抛物线幅度，b为楔锥体的宽度，c为干支流交汇河床与楔锥体的交点，a、b、c等参数根据干支河床地形与泥沙起动临界流速U_c等值线图形成的横剖面抛物线确定，所形成的楔锥体结构见图4。

本发明还提供了一种所述楔锥体在河道交汇的水流停滞区中的应用。

本发明具有以下有益效果：

(1)经本发明提供方法构建的楔锥体对水流停滞区整流后，可使交汇水流停滞区流速增大，因而既从一定程度上防止了泥沙在水流停滞区淤积，缩窄河道过水断面，抬高水位导致的交汇区水沙灾害发生可能，又为河流交汇的水流停滞区域存在的问题提供了一种解决办法。

(2)经本发明提供方法构建的楔锥体对水流停滞区整流后，不仅使得交汇区域的两股水流能平稳的汇合，且还降低了交汇河道水流的顶托效应，使得流速分布均匀，水流更加平顺。

(3)经本发明提供方法在河流交汇的水流停滞区构建的楔锥体可改变停滞区的地形，调整水流剪切面的位置，改变流速梯度分布，增大停滞区的水流流速，因而可防止泥沙在停滞区内淤积，增大河道的有效过水面积，使河道的航运和行洪能力增强。

(4)本发明提供的楔锥体构建方法，充分考虑了干支流交汇区域二维水流特性及停滞区对水位的影响，科学合理。

附图说明

图1为交汇水流分区特征示意图。

图2为横江与金沙江交汇停滞区泥沙淤积情况的照片。

图3为先家普河与挖黑河交汇停滞区泥沙淤堵致灾情况的照片。

图4为本发明方法构建的楔锥体结构示意图。

图5为本发明实施例模拟长江与嘉陵江交汇区的计算范围和等高线分布图。

图6为本发明实施例模拟长江与嘉陵江交汇区在自然地形下不同水位泥沙起动流速等值线及断面剖分示意图。

图7为本发明实施例构建的楔锥体横断面地形抛物曲线系数b的拟合关系。

图8为本发明实施例构建的楔锥体横断面地形抛物曲线系数c的拟合关系。

图9为本发明实施例构建的楔锥体在长江河道宽度的参数b₁/B₁的拟合关系。

图10为本发明实施例构建的楔锥体在嘉陵江河道宽度的参数b₂/B₂的拟合关系。

图11为本发明模拟的长江与嘉陵江停滞区在汇流比R_q＝0.4时，自然地形下流场示意图。

图12为本发明模拟的长江与嘉陵江停滞区构建楔锥体后，在汇流比R_q＝0.4时的流场示意图。

图13为本发明模拟的长江与嘉陵江停滞区在构建楔锥体前后，于汇流比R_q＝0.17时的流场流速变化等值线示意图。

图14为本发明模拟的长江与嘉陵江停滞区在构建楔锥体前后，于汇流比R_q＝1.00时的流场流速变化等值线示意图。

图15为本发明模拟的长江与嘉陵江停滞区在构建楔锥体前后，于汇流比R_q＝1.33时的流场流速变化等值线示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施的方式对本发明所述水流停滞区楔锥体在河道交汇区域中的构建和应用作进一步说明。值得一提的是本发明的保护内容不局限于以下实施例。

实施例

本实施例是以长江与嘉陵江交汇区为例说明如何构建水流停滞区的楔锥体。

由于长江与嘉陵江交汇区处于三峡工程变动回水区，水位变化较大，为此取多级不同水位进行流场分析：150m、154m、158m、162m、166m、170m、174m、178m。

(1)根据长江与嘉陵江交汇区天然地形，本实施例中选取的实际河流交汇区域的河道参数为：长江计算范围为自下游寸滩水文站至长江上游13.6km，嘉陵江计算范围为自交汇口至上游8km，长江的来流代表性流量取为20000m³/s，嘉陵江的来流代表性流量取为8000m³/s，利用SMS数值模拟软件建立自然地形条件下长江与嘉陵江交汇二维数值模型，所得地形等高线如图5所示。并对模拟的交汇河道进行网格划分及计算自然地形条件下长江与嘉陵江交汇区域的二维水流速度场，提取150m、154m、158m、162m、166m、170m、174m、178m水位高程处流场的流速等值线图。

(2)本实施例根据沙莫夫公式将其中的交汇区平均水深确定为21m，泥沙平均粒径确定为0.019m，计算可得泥沙起动临界流速值U_c为2.03m/s，从不同水位高程流速等值线中确定停滞区内流速等于U_c的等值线，然后将确定的停滞区内流速等于U_c的等值线叠加，叠加后形成的楔锥体形状如图6所示。

(3)基于叠加所得的楔锥体形状，本实施例将其概化为如图4所示的楔锥体结构模型，该模型横断面满足抛物线方程Z＝ax²+bx+c，并将水位最低处，长江与嘉陵江交汇水流停滞区域流速等于对应水位处泥沙起动临界流速U_c时的流速等值线的交点与岸线交点的连线定为y轴，通过岸线交点水平垂直于y轴向左定为x轴方向，对不同水位高程流速等于U_c的等值线进行剖分，提取等值线上断面各点对应的水位高程，并对所得水位高程拟合长江与嘉陵江交汇水流停滞区楔锥体结构参数，见表1。其中，由表1可知，系数a为常数-0.001，并由表1数据拟合曲线可得系数b与c参数公式为b＝-0.001y+0.004，系数c＝-0.2658y+169.68，如图7、8所示。

(4)从不同水位流速等于U_c的等值线的图6看出，流速等值线关于y轴并不对称，也即楔锥体在长江与嘉陵江河道中所占的宽度是不相等的，结合图4坐标关系，楔锥体所占长江与嘉陵江河道宽度的参数b₁、b₂如表2所示，并由表2数据拟合曲线可得楔锥体占主流河道宽度比b₁/B₁＝-0.002y+0.2372，占支流河道宽度比b₂/B₂＝-0.003y+0.3306，见图9、10。其中b₁、b₂分别为楔锥体所占长江与嘉陵江河道宽度，B₁、B₂分别为长江与嘉陵江交汇处河宽。

表1

表2

利用SMS数值模拟软件模拟的楔锥体修建于嘉陵江与长江交汇区后，为了对比修建前后交汇区流速，本发明计算了四组不同流量下，嘉陵江与长江交汇水流停滞区楔锥体修建前后流场图，计算工况见表3，其中的汇流比R_q为嘉陵江流量与长江流量的比值。

由下述工况计算得到楔锥体修建前后嘉陵江与长江交汇区水流流场，当R_q＝0.4时，楔锥体修建前后流场如图11、12所示；当R_q＝0.17时，楔锥体修建前后流场的流速变化等值线(即修建后流速减去修建前流速)，见图13；当R_q＝1.00时，楔锥体修建前后流场的流速变化等值线(即修建后流速减去修建前流速)，见图14；当R_q＝1.33时，楔锥体修建前后流场的流速变化等值线(即修建后流速减去修建前流速)，见图15。从以上图中可知，修建楔锥体后，水流停滞区流速增大，小流速区域面积减小，说明在一定程度上防止了泥沙在水流停滞区淤积，使交汇区域水流更加均匀，同时也降低了交汇河道水流的顶托效应。

表3

汇流比Rq	长江流量(m3/s)	嘉陵江流量(m3/s)	出口水位(m)
				0.17	24000	4000	170.9
0.40	20000	8000	170.9
				1.00	14000	14000	170.9
1.33	12000	16000	170.9

Claims (4)

1.一种河道交汇水流停滞区楔锥体的构建方法，其特征在于该方法的构建步骤如下：

(1)在干支流来流代表性流量条件下，利用SMS数值模拟软件计算自然地形条件下干支流交汇区域的二维水流速度场，提取不同水位高程处流速等值线图；

(2)先根据泥沙颗粒运动条件确定泥沙起动的临界流速U_c，从不同水位高程流速等值线中确定停滞区内流速等于U_c的等值线，然后将确定的停滞区内流速等于U_c的等值线叠加，从立体上来看，不同水位处泥沙起动临界流速U_c等值线图就形成楔锥体结构；

(3)将水位最低处，干支流区域流速等于对应水位处泥沙起动临界流速U_c时的流速等值线的交点与岸线交点的连线定为y轴，对不同水位高程流速等于U_c的等值线进行剖分，提取等值线上断面各点对应的水位高程，对所得水位高程进行曲线拟合，建立自然河流交汇区域的水流停滞区泥沙处于起动临界状态下水位满足抛物线关系：

Z＝ax²+bx+c

式中Z为楔锥体顶面高程；x为楔锥体底面垂直于y轴的偏量；a为楔锥体抛物线幅度，b为楔锥体的宽度，c为干支流交汇河床与楔锥体的交点，a、b、c等参数根据干支河床地形与泥沙起动临界流速U_c等值线图形成的横剖面抛物线确定。

2.根据权利要求1所述的河道交汇水流停滞区楔锥体的构建方法，其特征在于该方法中所述泥沙起动临界流速U_c选用沙莫夫公式式中g为重力加速度，h为交汇区平均水深，d为泥沙平均粒径。

3.一种由权利要求1所述方法构建的河道交汇水流停滞区楔锥体，其特征在于该楔锥体横断面满足以下抛物线方程；

Z＝ax²+bx+c

式中Z为楔锥体顶面高程；x为楔锥体底面垂直于y轴的偏量；a为楔锥体抛物线幅度，b为楔锥体的宽度，c为干支流交汇河床与楔锥体的交点，a、b、c等参数根据干支河床地形与泥沙起动临界流速U_c等值线图形成的横剖面抛物线确定。

4.根据权利要求3所述的楔锥体在河道交汇水流停滞区中的应用。