箱形涵洞对河床水沙特性影响试验探究

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1、箱形涵洞对河床水沙特性影响试验探究摘要：以漳河的穿河涵洞为对象，采用物理模型的方法,就3年一遇和50年一遇洪水工况时箱形涵洞所在河道的沿程水位、上下游各断面流速及其下游河床局部冲淤变形等问题进行了试验观测，探讨了箱形涵洞对河床水沙特性的影响。试验表明：在3年一遇和50年一遇洪水工况下，箱形涵洞对上游河床的壅水较少，最大壅水高度分别为057m和03m；涵洞上游各断面的平均流速较无涵洞时有所减小，且断面横向流速分布曲线更平坦。在迎水面出现了河中心流速较左右岸流速大的现象；在涵洞下游较远的CS8断面的平均流速分别为18m/s和37m/s,与无涵洞时相差不大；在3年一遇

2、洪水工况下，箱形涵洞洞后能形成Fr=452的稳定水跃，使得箱形涵洞下游CS6断面的河床局部冲刷较少，其平均冲刷深度约为05m。由此可见，箱形涵洞具有较优的水力条件。关键词：箱形；穿河涵洞；水位；壅水；流速；冲淤变形；模型试验中图分类号：TV131.61；TV149文献标识码：A文章编号：16721683(2013)03009704为了满足人们生产生活的需要，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，还可以作为节点［1］发挥其缓冲调节上游来水，控制下游河段主槽发展方向的作用。位于漳河的穿漳涵洞就是一个典型的节点工程。通过穿漳涵洞的调节，刘深屯

3、-穿漳险工段的主要河段逐步稳定，险工段也趋向脱险。然而，穿漳涵洞在“968”洪水中受到了严重毁坏，经过几次修复后，局部冲刷仍较严重，其稳定性受到影响［2］。为了保证穿漳涵洞等节点工程的自身稳定性，进而发挥节点在河道的作用，有必要对其附近河床水沙特性进行研究。目前，有关河道节点工程对其附近河床水沙特性的研究主要针对的是溢流坝［3］、橡胶坝［4］、滚水坝［5］等，而关于穿河涵洞影响河床水沙特性的研究较少。张鸿清等［6］就圆弧形和梯形穿河涵洞对河床冲淤变化的影响进行过试验研究，结果表明，在3年一遇和50年一遇洪水工况下，圆弧形涵洞周围河床变形较梯形涵洞都要小，因此对于

4、常年来水与3年一遇洪水标准流量相差不大的漳河，选择圆弧形涵洞较好。但是，圆弧形涵洞下游河床的冲刷依旧较严重，同时其迎水面和背水面的曲面设计，在实际施工中较为复杂。为了保证穿河涵洞下游河床出现较小的冲刷，本文设计了一种箱形截面的穿河涵洞，并以穿漳涵洞所在河道为模型，利用物理模型的方法就箱形涵洞对河床水流特性及其下游河床局部冲淤变形的影响进行研究。1试验设计与验证1.1试验设计模型的几何比尺为1:100,长度范围为上起漳河右堤桩号61+800,下迄桩号63+800,总长约2kmo试验模型的长度为20m（进水段和出水段长各5m,试验段长10m）,宽度为13m。模型中主

5、槽部分采用动床模型，而滩地以及大堤则采用定床模型。通过计算得出满足水流运动相似的流速、糙率、流量和时间比尺分别为：1：10、1：215、1：100000和1：10。为了分析涵洞对其所在河道的河床水沙特性影响,流速和泥沙冲淤测量断面分别布置在涵洞上下游。在原型河道中，涵洞上游CS1至CS5断面与迎水面的距离分别为220m、150m、100m、50m和10mo涵洞下游CS6至CS9断面与背水面的距离分别为20m、70m、120m和190mo水位观测点1号-12号布置在河床两岸，见图1。试验设计的箱形涵洞与原穿漳涵洞具有相同的过水能力，即达到涵洞双排布置的要求，并与文

6、献［6］中的两种穿河涵洞具有相同的截面面积。设计的箱形涵洞模型见图2。据文献［8］,本试验中的涵洞顶部高程设计为46ni,河道上下游河床的初始地形高程均设计为44m。箱形涵洞的截面尺寸、洞顶高程和上下游初始河床的高程，见图2。模型根据动床河工模型相似律［7］进行设计。试验选择的来水工况和模型沙均与文献［6］中的一样。来水工况为3年一遇和50年一遇洪水两种工况。其中，3年一遇洪水时的主槽过水流量为500m3/s,50年一遇洪水时的主槽过水流量为206973m3/So由于模型试验所在的平原河道中推移质输沙量占悬移质输沙量的比例很小，影响河床冲淤变化的主要是悬移质中的

7、床沙质部分，因此模型试验中将沙质推移质放在床沙质中一并考虑。本试验选用的模型沙是重率为117t/m3的塑料沙。表1为满足悬移质与沙质推移质运动相似［911］的比尺汇总表。模型根据动床河工模型相似律［7］进行设计。试验选择的来水工况和模型沙均与文献［6］中的一样。来水工况为3年一遇和50年一遇洪水两种工况。其中，3年一遇洪水时的主槽过水流量为500m3/s,50年一遇洪水时的主槽过水流量为206973m3/So由于模型试验所在的平原河道中推移质输沙量占悬移质输沙量的比例很小，影响河床冲淤变化的主要是悬移质中的床沙质部分，因此模型试验中将沙质推移质放在床沙质中一并考

8、虑。本试验选用的模型沙是