干支流交織角對匯口水面形態(tài)的影響

干支流交織角對匯口水面形態(tài)的影響

0通道形態(tài)及匯流問題干支流的交叉口形成了一個水道網(wǎng)。十字路口是水和河發(fā)展的關(guān)鍵部分。另一方面，干支流相交，水相對較高。交叉處的水流紊亂，混合，其能量不可避免地?fù)p失。沙卵石和礫石在交叉處形成一個海灘（也稱為河口海灘）。河口海灘與干支流的輸送沙有關(guān)，變化非常復(fù)雜。因此，交叉口是航行工具的難點。由于河槽邊界形態(tài)不一,以及這一問題所包括的變量如交匯角、河寬、河床組成、水沙組合等有多種的組合類型,使河道匯流問題變得相當(dāng)復(fù)雜.同時交匯角本身也存在兩種不同的觀點:一種觀點認(rèn)為交匯角應(yīng)為干支流水流動力軸線的夾角,這樣,對同一個交匯河口而言,干支流的流量在不時地發(fā)生變化,因而其交匯角也在不停地改變,對一個交匯河口的交匯角無法給出一個確定的值,使得對交匯河口的描述變得較為困難;另一種觀點認(rèn)為交匯角為干支流幾何軸線的夾角,這樣就可以定量說明一個交匯河口交匯角的大小.本文為便于說明和分析,采用后一種觀點,即認(rèn)為交匯角為干支流幾何軸線夾角(如圖1所示α角).交匯河口水流特性決定了水面形態(tài)的復(fù)雜性,本文正是基于此,根據(jù)收集的資料,分別以交匯角、匯流比、干流流量為變量進(jìn)行試驗,希望找出各變量與描述水面形態(tài)特征的比降之間的關(guān)系,從而為河口灘的整治提供一些理論依據(jù).1匯流試驗設(shè)計本文收集了幾乎所有四川省境內(nèi)通航的交匯河口資料,如長江上的嘉陵江口、岷江口、沱江口、長寧河口以及嘉陵江上一系列支流河口的資料,通過分析發(fā)現(xiàn),交匯角幾乎都在30°～90°之間,而且交匯河口形態(tài)一般為支流斜接干流,即交匯前后干流走向基本未變.為此,本文進(jìn)行了交匯角為30°、60°、90°支流斜接干流的交匯水流試驗(見圖1),每一交匯角又進(jìn)行了15組不同流量組合匯流試驗,并在選定流量下在交匯口處沿角平分線布置挑流壩進(jìn)行對比試驗.1.1匯流比對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響由于天然情況下干支流洪水期的不一致,造成了干支流的多種流量組合,為了深入研究匯流比的改變對交匯河段水流形態(tài)特征的影響,采用了幾種流量組合如(表1):1.2試驗平面布置模型干流長7～8m,寬1.2m,支流長6～7m,寬0.8m,下游長6.5～7.5m,寬1.6m,橫斷面為拋物線型.挑流壩長70cm,寬6cm,高6cm.為達(dá)到要求的交匯角,本試驗設(shè)計成干流位置不變,改變支流位置以達(dá)到不同的交匯角,設(shè)置兩個量水堰來控制流量,一個矩形寬頂堰來控制總流量,在支流進(jìn)口處設(shè)置三角堰控制支流流量,這樣,干流流量也隨之確定.試驗平面布置見圖1.1.3匯流壩和挑流壩布置方案(1)以交匯角為變量,考慮天然情況交匯角的變化范圍,選定交匯角分別為30°、60°、90°進(jìn)行試驗研究.(2)在交匯角一定的情況下,匯流比和干流流量的改變對匯口段的水流特征變化作用非常大.為此,考慮3組干流流量、5個匯流比共15組流量組合(見表1)進(jìn)行試驗.(3)為研究挑流壩對交匯河口水流的影響,在匯口處沿角平分線布置挑流壩.2試驗結(jié)果的分析2.1挑流壩水面橫向形態(tài)特征干支流相匯,由于水流匯合時相互沖擊、摩擦和擠壓,在摻混區(qū),中心水位高于兩岸,即摻混區(qū)并非為單一比降斷面,而是有一水面凸起,水面橫向中高兩邊低,由于摻混區(qū)水流特別紊亂,其橫比降與其它因素的關(guān)系很難用一個關(guān)系式表示出來,但對其橫向特征可定性分析描述如下:①RQ增大,支流的水流動量增大,干支流交匯口處的紊動摻混增強,導(dǎo)致匯口處水面凸起增大.②α增大,干支流交匯的交接線變短,使紊動加劇,匯口處水面凸起也隨之變陡.③Q干增大,干支流的動量增大,水面凸起增大.④交匯河段出口處沿下游方向,環(huán)流逐漸消失,凸起逐漸減緩.⑤布置挑流壩后,水面橫向形態(tài)特征也有以上規(guī)律.⑥布置挑流壩后,支流水流沿壩體而下,與干流相交比較平順,水流碰撞減小,摻混強度減弱,因而水面凸起較筑壩前為小.2.2匯口上游水流形態(tài)特征為便于分析說明,將交匯河段(干支流交匯相互影響的整個范圍)分為三個區(qū)域:壅水區(qū)Ⅰ區(qū)、合流區(qū)Ⅱ區(qū)、集流區(qū)Ⅲ區(qū),如圖2所示.干支流交匯,水流相互頂托使上游形成壅水,故Ⅰ區(qū)水流較平穩(wěn).由于干支流所處的方位與下游銜接不同,盡管作用機理相同,但其影響程度各異,本文主要分析匯口上游干流水面形態(tài)變化(Ⅰ干),同理可分析支流的水面形態(tài)特征.2.2.1u3000結(jié)論分析匯口上游干流水位Z干與干流流量、匯流比的關(guān)系(圖3、圖4),可以得出下列關(guān)系圖:Z干與RQ成線性關(guān)系,Q干,RQ任一因素的增大,都會使支流的動量增加,對干流的頂托作用加強,造成干流壅水加重,從而使Z干增加,此結(jié)論已在其它物理模型上得到驗證.因此,在生產(chǎn)、科研中,當(dāng)資料缺乏時,我們可以引用此結(jié)論根據(jù)已知資料繪制圖3、圖4所示的關(guān)系線,然后對Z干或RQ進(jìn)行線性內(nèi)插推求Q干或Z干,且能達(dá)到一定的精度.合流區(qū)(Ⅱ區(qū))干支流兩股水流匯合時互相沖擊、擠壓,產(chǎn)生強烈的紊動摻混,水面波動劇烈,紊動摻混使水流能量損失很大,由上至下產(chǎn)生大幅度跌落,水流結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,兩股水流交界處形成水面脊線.由于支流的挑流和水流在下方的折沖,在集流區(qū)(Ⅲ區(qū))形成一系列旋渦.2.2.2區(qū)合流區(qū)的水流比降變化(1)Ⅰ區(qū)的水面縱比降變化支流對干流的頂托使上游干流Ⅰ區(qū)壅水,水面比降變緩.分析干流的水面比降變化可得如下結(jié)論:①RQ增大,Q支增大,支流對干流的頂托作用加強,Ⅰ干的水面比降隨之而變小(圖5).②Ⅰ干的水面比降隨α的增大而變小(圖5).③Q干增加,Ⅰ干的水面縱比降變小(圖6).④布置挑流壩后,減小干支流的交匯角,從而使支流對干流的頂托作用減弱,導(dǎo)致Ⅰ干的水面比降增大(圖7).(2)Ⅱ區(qū)(合流區(qū))的水面縱比降變化與Ⅰ區(qū)剛好相反,隨RQ的增大,支流一側(cè)水流變急,干流一側(cè)受支流的沖擊摩擦,流態(tài)紊亂,其比降J′干有以下變化特點:①Q(mào)干,α一定,RQ增大,J′干也增大(圖8).②RQ,α一定,Q干增大,J′干增大(圖8).③RQ,Q干一定,α增大,J′干也增大(圖9).Q干,RQ,α任何一因素的增大,都會加強合流區(qū)的紊動摻混,從而使J′干增大.關(guān)于筑壩對J′干的影響,我們可以分析交匯角α為60°、Q干=45.255l/s時合流區(qū)干流一側(cè)的縱比降J′干的變化(見表2).從表2可以看出,筑挑流壩后,干流一側(cè)的比降增大許多,由于挑流壩縮窄了干流的過水?dāng)嗝?增大了流速,加大比降,合流區(qū)正好處于壩頭沖刷區(qū),因而J′干也很大,從表中資料看來,筑壩后J′干仍隨RQ的增大而增大.3下一種作為收支流場分布的沖擊方式,主要表現(xiàn)為通過以上分析,可得以下結(jié)論:1.對同一交匯河段,匯流比RQ是影響交匯段水面形態(tài)的主要因素,RQ的改變直接表明干、支流的水流受阻情況,具體說明如下:RQ增大,干流Ⅰ區(qū)水位壅高,比降變緩,且RQ與Z干成正比,在生產(chǎn)、科研中,Q干已知時,可通過對RQ線性內(nèi)插求Z干;或在Z干已知的情況下,對RQ線性內(nèi)插推Q干,具有實用價值.RQ增大,支流動量增大,導(dǎo)致支流一側(cè)流速變急,使合流區(qū)一側(cè)比降增大,合流區(qū)水面橫向凸起帶增高.2.交匯角對交匯河口的水流形態(tài)起控制作用,對不同的交匯河口,交匯角的大小決定了干支流的相對位置,也就控制了干、支流的相互作用.交匯角的增大,加劇了兩江水流的紊動摻混,使匯流段水流彎曲程度加大,導(dǎo)致水流現(xiàn)象更加紊亂,增大了兩江頂托作用,使上游干流段比降減緩,合流區(qū)干流一側(cè)比降加大.3.布置挑流壩實際上減小了兩江交匯角,如上述,上游干流比降增大,另外,合流區(qū)正好處于壩