复式分汊河道三维水流特性及紊动特性研究

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在自然河流中,分汊河型是一种常见河道,边界条件与分汊河道演变密切相关。黑龙江干流河道普遍存在宽边滩和洲滩岛屿发育的特点,边滩使单一分汊河道具有单一复式、弯曲复式等特点,边界条件更加复杂,使河道水流特性发生改变,进而影响泥沙输移特性。因此,本文以黑龙江典型分汊河段的边界特征为依据,概化了复式分汊水槽模型,以流量、主支汊宽度比、进口高程差和边滩糙率为主要设计变量,进行了 36组清水定床试验。基于多普勒ADV、超声波水位仪测量的三维流速和水位数据,从复式分汊河段的自由水面、分流、流速、紊动等四个方面开展研究。主要结论如下:(1)研究复式分汊河道的自由水面特征,发现复式断面使分汊河道的水面沿程变化更加剧烈,分、汇流段产生明显的水面横比降。在不同因素下,流量最能引起水位比降产生明显变化,宽度比、高程差和边滩糙率主要通过影响边滩立轴漩涡的发展,改变分汊后的水位下降速率。(2)复式分汊河道的分流表明:主汊分流比(η主)在产生漫滩流后,下降幅度大大减缓,保证了主汊的行洪能力。η主与宽度比和高差都呈正相关。边滩植被在浅漫滩时使η主突变增大。边滩分流比(η边)与流量呈正相关,η边与宽深比密切相关,呈负相关,(η边)支汊始终高于(η边)主汊。在不同因素中,宽度比增大使主汊的宽深比增大,(η边)主汊减小。在不同高差下,主汊η边增大。植被使两汊η边显著降低,降低了断面行洪能力。在分流的基础上,发现复式分汊河道的水位(H)~流量(Q)关系整体呈现复式断面的特点。H~Q曲线斜率沿程变化与宽深比相反,斜率大小依次为支汊>主汊>上下游单一河段。(3)分析平面和断面流速分布,发现水流结构呈现强烈的三维特性。从断面二次流的产生机理可知,分流段无二次流产生,复式汊道段出现断面二次流,但其位置和形态仍然受上游分流影响。汇流段和下游单一复式段产生顶托回流。从流速平面分布可知,复式断面使u流速和v流速在分、汇流段的峰值区相应转移到滩地,改变了洲头、洲尾的冲淤特性。进一步探讨分、汇流段的平面流速偏转(θ),分流段θ支汊>θ主汊,表明支汊水沙输移更强。在汇流段,θ数值因断面束窄增大,θ=0点与断面顶托回流相关。在不同因素下,θ在分流段的变化强于汇流段。从流速断面分布可知,分流段的u和v的高值区因分流向内侧滩地转移。在复式汊道段,u和v分布受断面二次流影响。在汇流段,洲尾边滩的u流速低值区有利于泥沙淤积,v流速峰值始终位于主槽。在不同因素下,流量作用机理主要是通过改变分流比,主支汊宽度比、进口高程差和边滩糙率则是通过分流比和断面形态综合作用。(4)研究了复式分汊河道的紊动变化规律。不同于单一分汊河道,复式分汊河道的强紊动区转移到江心洲边滩。在此基础上,全面探讨了三维紊动强度横断面的沿程分布,发现平面立轴漩涡和断面回流引起σv和σw显著变化。于是重点研究了四个因素对σv和σw的影响,发现分、汇流段的σv和σw数值与流量呈正相关。宽度比增加,分流段支汊的σv减小,主汊则增加,洲尾的σv峰值明显减小。高差使支汊的宽深比增大,σv增大,σw等值线向水面发展。植被使滩槽流速梯度增大,分流段的σv和σw增加,洲尾边滩则相反。
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