局部正態(tài)物理模型在潮汐河口的應(yīng)用研究

1、2013 年 11 月第 11 期 總第 485 期水運(yùn)工程Port & Waterway EngineeringNov. 2013No. 11 Serial No. 485 開(kāi)展正態(tài)物理模型試驗(yàn)是目前用于研究局部沖刷1-5等三維流場(chǎng)問(wèn)題的可靠手段,其主要包括正態(tài)系列物理模型、整體正態(tài)物理模型和局部正態(tài)物理模型。長(zhǎng)江南京以下12.5 m 深水航道一期工程白茆沙水道工程(圖1在局部沖刷研究中創(chuàng)新了試驗(yàn)方法,首次將局部正態(tài)物理模型成功應(yīng)用于潮汐河口,并攻克了模型設(shè)計(jì)中的一系列難題。模型的成功設(shè)計(jì)不僅較好地服務(wù)于白茆沙水收稿日期:2013-08-25*基金項(xiàng)目: 水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)

2、項(xiàng)目(201301020;上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目(11231202300;交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目(2011328A0670作者簡(jiǎn)介:劉猛(1983,男,碩士,助理研究員,從事河口水沙運(yùn)動(dòng)及河口航道治理研究。局部正態(tài)物理模型在潮汐河口的應(yīng)用研究*劉 猛,張宏偉,李為華(上海河口海岸科學(xué)研究中心,河口海岸交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201201摘要:首次在潮汐河口采用局部正態(tài)物理模型研究了局部沖刷問(wèn)題,結(jié)果表明:采用局部正態(tài)物理模型研究潮汐河口相關(guān)工程問(wèn)題是可行的,試驗(yàn)水力條件的選擇、模型邊界的確定以及模型的整體變坡是將局部正態(tài)模型應(yīng)用于潮汐河口的關(guān)鍵技術(shù),提出了簡(jiǎn)便易行且效果良好的模型邊界的

3、確定方法,闡述了模型整體變坡的必要性及方法。關(guān)鍵詞:局部正態(tài)物理模型;潮汐河口;局部沖刷;水力條件;模型邊界;模型整體變坡中圖分類(lèi)號(hào):TV 148 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1002-4972(201311-0106-05道工程局部沖刷問(wèn)題的研究,也為該模型在潮汐河口進(jìn)一步推廣應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。1 局部正態(tài)物理模型在潮汐河口應(yīng)用難點(diǎn)分析目前尚無(wú)局部正態(tài)物理模型在潮汐河口應(yīng)用的先例,若采用該方法開(kāi)展白茆沙水道工程局部沖刷研究,必須合理地解決以下兩個(gè)難題:1合理的試驗(yàn)水力條件選擇。局部正態(tài)物理Application of local normal physical model in tidal

4、 estuaryLIU Meng, ZHANG Hong-wei, LI Wei-hua(Key Laboratory of Estuarine & Coastal Engineering, Ministry of Transport, Shanghai Estuarine andCoastal Science Research Center, Shanghai 201201, ChinaAbstract: The local normal physical model is adopted to study the local scour (problems on project i

5、n thetidal estuary for the first time. The results show that: 1 It is feasible to apply the local normal physical model tostudy the engineering problems in the tidal estuary; 2 Choice of the test hydraulic conditions, determination of model boundary condition and entire variable slope of the model a

6、re the key techniques to apply the local normalphysical model to the engineering problems in the tidal estuary; 3 A simple and feasible method to determine model boundary condition is presented; 4 The necessity and method of applying entire variable slope of the model are expounded.Key words: local

7、normal physical model; tidal estuary; local scour; hydraulic condition; model shoreline;total variable slope of model 107 第 11 期 模型一般只能模擬恒定流,而白茆沙水道工程所在區(qū)域是潮流起主導(dǎo)作用的非恒定往復(fù)流,因此選擇合理的試驗(yàn)水力條件是應(yīng)用局部正態(tài)物理模型開(kāi)展試驗(yàn)研究必須解決的難題。 2試驗(yàn)水力條件在模型上的實(shí)現(xiàn)。由于潮棱體的存在,潮汐河口潮量沿程不守恒。如何選擇模型邊界,既能確保模型沿程流量守恒,又能較好地模擬目標(biāo)試驗(yàn)水力條件是模型設(shè)計(jì)首先要解決的技術(shù)難題;其次由

8、于材料限制,正態(tài)模型糙率偏高,模型水面坡度無(wú)法與目標(biāo)水力條件相似,采用怎樣的措施才能使模型上各處水深均與目標(biāo)水力條件一致也是模型設(shè)計(jì)必須解決的技術(shù)難題。2 試驗(yàn)水力條件選擇及其特征2.1 試驗(yàn)水力條件選擇依據(jù)文獻(xiàn)6采用正態(tài)系列物理模型對(duì)長(zhǎng)江口深水航道治理工程丁壩頭部沖刷進(jìn)行了研究,取得一些重要認(rèn)識(shí),主要有:1工程區(qū)域洪季大潮落急流速大于漲急流速,落潮流歷時(shí)為漲潮流歷時(shí)的1.52.0倍,落急流速發(fā)生在較低潮位,漲急流速發(fā)生在中潮位之上,壩頭沖刷以落潮水流為主;2與采用落急流速的恒定流試驗(yàn)相比,潮流條件下壩頭沖刷平衡的歷時(shí)延長(zhǎng)34倍,最大沖刷深度有所減小,約為恒定流條件下最大沖刷深度的0.85倍,

9、采用落急流速的恒定流試驗(yàn)可以滿足研究需求;3針對(duì)工程丁壩壩頭的潮流特點(diǎn),可采用落急流速進(jìn)行穩(wěn)定流試驗(yàn),壩頭防沖范圍采用對(duì)稱(chēng)布置,以防漲潮流側(cè)的沖刷。圖1 白茆沙水道工程平面布置與長(zhǎng)江口深水航道治理工程相比,白茆沙水道整治工程亦具有相似特征:1工程重要區(qū)域護(hù)排布置采用對(duì)稱(chēng)布置方式;2白茆沙水道工程處于長(zhǎng)江口深水航道治理工程的上游,落潮流優(yōu)勢(shì)相對(duì)更加顯著,工程區(qū)域洪季大潮落急流速大于漲急流速,落潮流歷時(shí)顯著大于漲潮流歷時(shí),落急流速發(fā)生在較低潮位,漲急流速發(fā)生在中潮位之上。2011年10月12日13日口外潮型為大潮,大通流量為22 000m 3/s ,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)點(diǎn)具體位置見(jiàn)圖1,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)點(diǎn)SW6,SW

10、7,SW8及SW9流速過(guò)程線見(jiàn)圖2。/ m ·s -1圖2 實(shí)測(cè)流速過(guò)程線由圖2可見(jiàn),即使在大通流量?jī)H為22 000 m 3/s(枯季平均流量約為16 000 m 3/s ,洪季平均流量約為36 000 m 3/s 時(shí),各測(cè)點(diǎn)落急流速均超過(guò)漲急流速,持續(xù)時(shí)間約是漲急流速持續(xù)時(shí)間的23倍,落急流速發(fā)生在較低潮位,漲急流速發(fā)生在中潮位之上。從以上分析可見(jiàn),對(duì)于白茆沙水道整治工程的局部沖刷問(wèn)題研究,采用具有代表性的落急流速開(kāi)展恒定流試驗(yàn)是可行的,既滿足安全需求也能加快研究進(jìn)度。鑒于白茆沙水道整治工程重要性,擬采用防洪設(shè)計(jì)洪水(徑流量為100 400 m 3/s 大潮落急流速開(kāi)展局部沖刷問(wèn)題

11、的試驗(yàn)研究。2.2 試驗(yàn)水力條件特征1在防洪設(shè)計(jì)洪水大潮條件下,工程區(qū)域落潮流優(yōu)勢(shì)極為顯著。在防洪設(shè)計(jì)洪水流量(100 400 m 3/s 條件下,數(shù)模計(jì)算點(diǎn)SM1和SM2流速過(guò)程線見(jiàn)圖3,數(shù)模劉 猛,等:局部正態(tài)物理模型在潮汐河口的應(yīng)用研究* 108 水運(yùn)工程2013 年計(jì)算點(diǎn)具體位置見(jiàn)圖1,需要說(shuō)明的是本文涉及到的數(shù)模計(jì)算結(jié)果均考慮了白茆沙水道工程作用。 /I/ m ·s -1圖3 數(shù)模計(jì)算流速過(guò)程線由圖3可見(jiàn),在洪水大潮期間,落急流速更大,落潮高流速持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng),當(dāng)上游徑流為防洪設(shè)計(jì)洪水流量時(shí),各測(cè)點(diǎn)落急流速約是漲急流速的2倍,落潮高流速持續(xù)時(shí)間約是漲潮的48倍,落潮流速過(guò)程

12、線上出現(xiàn)一個(gè)“高流速平臺(tái)”。2落急時(shí)段工程區(qū)域跌水現(xiàn)象顯著,有利于較強(qiáng)的局部沖刷現(xiàn)象產(chǎn)生5。在防洪設(shè)計(jì)洪水和大潮條件下,白茆沙水道工程圍堤頭部?jī)?nèi)外側(cè)潮位(85高程,下同變化過(guò)程見(jiàn)圖4,各測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。 /m/h圖4 圍堤頭部?jī)?nèi)外側(cè)潮位變化過(guò)程由圖4可見(jiàn),在防洪設(shè)計(jì)洪水大潮條件下,落潮期間,落急流速大,水位低,潛堤、潛壩兩側(cè)存在較大水位差,易產(chǎn)生明顯跌水現(xiàn)象,如落急時(shí)刻圍堤頭部外側(cè)水位較內(nèi)側(cè)高出約0.3 m ,跌水現(xiàn)象將增強(qiáng)工程附近水體的紊動(dòng),有利于工程附近局部沖刷的產(chǎn)生5;而漲潮期間,漲急流速小,水位高,圍堤內(nèi)外側(cè)無(wú)明顯水位差,亦無(wú)明顯的跌水現(xiàn)象產(chǎn)生,不利于顯著的局部沖刷現(xiàn)象產(chǎn)生。從以上分析

13、可見(jiàn),選擇防洪設(shè)計(jì)洪水大潮落急流速作為試驗(yàn)水力條件開(kāi)展白茆沙水道整治工程局部沖刷問(wèn)題研究是合理的。在防洪設(shè)計(jì)洪水大潮落潮條件下流速過(guò)程線上出現(xiàn)一個(gè)“高流速平臺(tái)”,在該過(guò)程中流速變化雖然不大,但潮位變化明顯?？紤]白茆沙水道工程建筑物頂部高程變化特征,擬選擇兩個(gè)特征水位下的水力條件作為模型的試驗(yàn)水力條件,一個(gè)是工程區(qū)域平均水位約1.7 m 的落急流場(chǎng),與“高流速平臺(tái)”最大值基本對(duì)應(yīng);另一個(gè)是工程區(qū)域平均水位約0.7 m 的準(zhǔn)落急流場(chǎng),與“高流速平臺(tái)”末端拐點(diǎn)基本對(duì)應(yīng),接近最低潮位。試驗(yàn)成果取兩種試驗(yàn)水力條件下工程附近最不利局部沖刷情況的組合,這種試驗(yàn)水力條件的組合可以基本同時(shí)確保堤頂高程較低的丁壩

14、、潛堤和堤頂高程較高(1.0 m 的圍堤、護(hù)灘帶局部沖刷達(dá)到最不利狀態(tài)。需要說(shuō)明的是,本文提及用于局部正態(tài)模型試驗(yàn)的流場(chǎng)不是瞬時(shí)流場(chǎng)而是潮波自下而上傳播過(guò)程中工程區(qū)域各點(diǎn)同一相位時(shí)刻的水流運(yùn)動(dòng)組成的流場(chǎng),它反映的是潮波運(yùn)動(dòng)過(guò)程中某個(gè)相位的水流運(yùn)動(dòng)的傳播過(guò)程,在這個(gè)傳播過(guò)程中,工程上每個(gè)點(diǎn)流速均達(dá)到或接近目標(biāo)值,可以在模型上采用恒定流較好的模擬(后文的水流驗(yàn)證將予以證明,而瞬時(shí)流場(chǎng)是非恒定流的一個(gè)瞬間狀態(tài),不宜在模型上用恒定流模擬。為了方便,在下文模型設(shè)計(jì)和水流驗(yàn)證中僅以防洪設(shè)計(jì)洪水大潮落急流場(chǎng)(對(duì)應(yīng)工程區(qū)域平均水位約1.7 m 為例進(jìn)行說(shuō)明。3 模型設(shè)計(jì)在潮汐河口采用局部正態(tài)模型研究局部沖刷問(wèn)

15、題時(shí),模型設(shè)計(jì)不僅涉及常規(guī)的模型比尺選取、模型沙選擇和建筑物模擬等,還需涉及模型邊界的確定和模型的整體變坡。根據(jù)試驗(yàn)特性、模型場(chǎng)地、模型沙選擇及實(shí)驗(yàn)室供水能力等綜合考慮,選擇白茆沙水道工程局部正態(tài)模型幾何比尺L =H = 125,其流速比尺V =11.18。3.1 模型邊界確定方法在徑流河段采用局部正態(tài)模型可以直接將109 第 11 期劉猛,等:局部正態(tài)物理模型在潮汐河口的應(yīng)用研究*流線作為岸線,但在潮汐河口情況則不同,由于潮棱體的存在,潮汐河口兩岸之間潮通量沿水流方向是變化的,越往口外潮量越大,若采用某個(gè)試驗(yàn)流場(chǎng)的流線直接作為岸線,流線之間潮量也是變化的,不符合開(kāi)展恒定流試驗(yàn)對(duì)流量沿程不變的

16、基本要求,因此,若想在潮汐河口開(kāi)展局部正態(tài)模型試驗(yàn),必須解決模型邊界確定的技術(shù)難題,選擇的模型邊界必須滿足以下兩點(diǎn): 1對(duì)于選定的目標(biāo)試驗(yàn)流場(chǎng),若統(tǒng)計(jì)模型邊界范圍以內(nèi)流量時(shí),沿程流量應(yīng)基本相等。2對(duì)于選定的目標(biāo)試驗(yàn)流場(chǎng),模型邊界各處切線方向與流向夾角應(yīng)盡可能小,否則會(huì)影響目標(biāo)試驗(yàn)流場(chǎng),根據(jù)規(guī)范要求,其最大夾角不應(yīng)超過(guò)10°。下面對(duì)白茆沙水道工程局部正態(tài)模型采用的岸線確定方法及效果進(jìn)行介紹,模型邊界確定方法可總結(jié)為3個(gè)步驟(圖5,即選流線、畫(huà)斷面和移交點(diǎn),具體如下: 圖5 模型邊界確定示意圖1選流線。在目標(biāo)試驗(yàn)流場(chǎng)中提取3根流線,分別為左側(cè)流線、右側(cè)流線和參考流線,左側(cè)流線和右側(cè)流線分

17、別作為模型左側(cè)岸線和右側(cè)岸線最終確定的初始位置,參考流線位置在模型入流處盡可能將左側(cè)流線和右側(cè)流線之間流量均分為二。2畫(huà)斷面。在目標(biāo)試驗(yàn)流場(chǎng)中順?biāo)鞣较虿贾昧?2個(gè)斷面(斷面越多,最終確定的模型邊界位置越精確,但計(jì)算量也相應(yīng)增加,每個(gè)斷面均與左側(cè)流線、右側(cè)流線和參考流線相交。3移交點(diǎn)。在每個(gè)斷面上分別對(duì)左側(cè)流線和右側(cè)流線與斷面的交點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整,既要確保每個(gè)斷面上新得到左側(cè)交點(diǎn)至參考流線之間的流量基本相等,也要確保每個(gè)斷面上新得到右側(cè)交點(diǎn)至參考流線之間的流量基本相等,將各斷面上左右兩側(cè)新得到的交點(diǎn)分別平順連接,便得到需要的模型邊界。通過(guò)上述岸線的確定,模型邊界之間的流量沿程基本相等,而調(diào)整前左

18、側(cè)流線與右側(cè)流線之間的流量在進(jìn)口與出口位置相差超過(guò)20%;比較模型邊界與目標(biāo)流場(chǎng)發(fā)現(xiàn),模型邊界各處切線方向與流向夾角基本在3°以內(nèi),最大僅為5°,完全滿足規(guī)范7小于10°要求,可見(jiàn)按照上述方法確定的模型邊界是可以滿足白茆沙水道工程局部正態(tài)模型設(shè)計(jì)的要求,目標(biāo)試驗(yàn)流場(chǎng)可以在模型中較好地復(fù)演。上述分析表明在潮汐河口開(kāi)展局部正態(tài)模型試驗(yàn),模型邊界問(wèn)題是可以較好地解決的。上述的模型邊界確定方法簡(jiǎn)便易行且效果好,可以在解決類(lèi)似問(wèn)題中使用。最終確定的白茆沙水道工程局部正態(tài)模型最長(zhǎng)約140 m,最寬約54 m,面積為3 522 m2,折合天然約55 km2。3.2 模型整體變坡

19、必要性和變坡坡度確定為了滿足模型水流運(yùn)動(dòng)與天然相似,通常情況下模型設(shè)計(jì)應(yīng)滿足糙率相似條件,即:n=H2/3/L1/2(1式中:n為糙率比尺;H為垂直比尺;L為平面比尺。當(dāng)L=H=125時(shí),n=2.236,白茆沙水道河段河床天然糙率在0.010.028,根據(jù)糙率相似準(zhǔn)則,模型糙率應(yīng)在0.0040.009,受到制作材料的糙率限制,模型糙率是無(wú)法滿足的,因此需進(jìn)行模型的整體變坡處理。長(zhǎng)江口特征水面坡度,如平均潮位面坡度、最高潮位面坡度、最低潮位面坡度以及其它潮波是由傳播過(guò)程中的相同相位點(diǎn)組成的 110 水運(yùn)工程2013 年 (如落急流場(chǎng)潮位面坡度均較小,坡度一般在0.010.02。在防洪設(shè)計(jì)洪水大潮

20、落急流場(chǎng)條件下,白茆沙水道工程天然水面坡度約為0.018,表明整個(gè)工程區(qū)域上下游最大水位差約為0.18 m 。若在局部正態(tài)物理模型上模擬防洪設(shè)計(jì)洪水大潮落急流場(chǎng),其水面坡度可采用下面公式計(jì)算9:i v n h 2234=- (2式中:i 為水面坡度;v 為平均流速(m/s;n 為模型糙率;h 為水深(m。根據(jù)式(2計(jì)算,白茆沙水道工程局部正態(tài)物理模型水面坡度在0.20.3,這表明模型中整個(gè)工程區(qū)域上下游最大水位差約為2.03.0 m ,可見(jiàn)若不進(jìn)行變坡處理,模型上無(wú)法復(fù)演目標(biāo)試驗(yàn)流場(chǎng)?？紤]到在模型中增加糙率較為容易而減少糙率難以實(shí)施,為了便于模型水流的驗(yàn)證,白茆沙水道工程局部正態(tài)模型整體變坡坡度確定為0.3。4 水流驗(yàn)證前文對(duì)白茆沙水道工程局部正態(tài)模型設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,模型設(shè)計(jì)的優(yōu)劣最終需通過(guò)水流驗(yàn)證的效果來(lái)證明,下面對(duì)白茆沙水道工程局部正態(tài)模型水流驗(yàn)證情況進(jìn)行介紹。在防洪設(shè)計(jì)洪水大潮落急流場(chǎng)條件下根據(jù)兩側(cè)岸線之間的潮通量計(jì)算,模型上游徑流施放量約為0.31 m 3/s ,換算至天然為54 000 m 3/s 。經(jīng)過(guò)模型河床糙率局部調(diào)整后,模型水面平均坡度最終約為0.32,折算至天然約為0.02,與天然0.018的水面坡降基本吻合,模型各處水深達(dá)到目標(biāo)水深要求。白茆沙水道工程局部正態(tài)模型水流驗(yàn)證測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖6,在模型上游進(jìn)口斷面和工程重點(diǎn)區(qū)域共布置16個(gè)流速驗(yàn)證點(diǎn),各點(diǎn)流