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基于物理模型对不同测流断面固化方案下断面冲淤变化研究

2020-02-27 266 上传者：管理员

摘要： 结合物理模型试验方式，探讨不同断面固化方式下的冲淤变化和水位流量关系。结果表明：固化3个断面的方案三断面基本被淤积，断面冲淤变化最小，固化一个断面和固化两个有坎断面其水位流量关系均可在中、高水位时呈现单值化关系，综合冲淤变化和水位流量关系单值化影响，固化两个有坎断面的方式为最为有效的断面固化方案。

关键词：
冲淤变化
断面固化
水位流量关系
测流断面
物理模型试验
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近些年来，中小河流的防汛工作逐步成为社会关注的热点和焦点[1]，辽宁省有中小河流站点163处，占全省总水文站数(218站)的75％，数量多，分布广，其水文测报信息的及时、准确是中小河流防汛决策的重要保障。当前，辽宁省中小河流测流方式主要还依靠传统的方式进行，这种方式存在时效性差、自动化程度低、人身安全没有保障的问题[2]。如何实现流量自动化监测是当前中小河流水文监测的难点以及从传统水利向智慧水利转变的关键问题[3]。水位流量关系法是解决中小河流流量自动监测最为行之有效的方式[4－9]，但由于中小河流断面冲淤变化大，水位流量关系十分紊乱，该方法很难实现。因此需要对测流断面进行固化，通过稳定其水位流量关系，实现测流断面流量自动推求。本文主要结合物理模型试验方式，通过探讨不同断面固化方式下的冲淤变化和水位流量关系，确定最优的断面固化方式。

1、物理模型试验

1.1 模型试验主要内容

1) 建立能够反映河道冲淤变化的动床河道物理模型；2)模拟天然河道冲淤变化过程，观测各水力要素，确定测流断面水位流量关系；3)确定固化断面型式及位置，观测各水力要素变化情况，确定测流断面水位流量关系；4)依据观测分析成果，进一步优化固化断面方案，用推流法推求断面流量。

1.2 模型设置

模型设置的主槽长度为45ｍ，主要由3个部分组成，模型结构见图1，第一部分为稳定水流的河段，第二部分为水流动态变化的河段，其河段长度为30ｍ。在稳定水流段和动态水流段设置长度为5ｍ的河段过渡连接段，过渡河段与动床河段之间采用长度为20ｃｍ的粗砂段进行连接。模型设置整合河段的纵向比降为1/1000。

1.3 试验方案设置

设置4种试验方案，进行断面冲淤变化以及断面水位流量关系分析。方案一为固化1个断面；方案二为固化1个有坎断面；方案三为固化3个断面，在中断面的上、下游设置两个有坎固化断面；方案四为固化2个有坎断面。

图1模型结构设置

2、模型试验结果

2.1 冲淤变化试验结果

对各方案退水后的冲淤变化进行分析，各方案的冲淤变化见表1。

表1各方案控制断面河底冲淤变化表

从各方案退水试验结果可看出，在水流的作用下，河槽不仅发生纵向的冲淤变化，还会产生横向河宽调整。有冲淤变化，必有泥砂的运动，边坡泥砂起动后，发生冲刷、崩塌，河宽不断增加。在河宽调整过程中，由于水流的非均匀性，不同断面的流速、水深都将不同，河床物质组成也将发生变化，结果导致不同断面的河宽调整速度也会不同。从表1淤积变化关系可看出，方案二流量较大时出现明显的跌水现象，其原因在于断面的坎高较大，对水流的形态产生不同程度的影响，方案三断面已基本被淤积，而在方案四其抗淤积效果较好，在中、高流量时也未出现明显的跌水现象。

2.2 水位流量关系试验结果

对各固化断面方案的水位流量关系进行分析，分析结果见图2。

图2各方案水位流量关系试验结果

从图2可看出，方案一在中高水位下其水位流量关系较为稳定，而在低水时期水位流量关系较为散乱，这主要是因为方案一其断面还呈现一定的淤积变化，在中高水位时期断面淤积所占的比重较小，因此其中高水位时水位流量关系呈现单值化，而在低水位时，其淤积变化所占据的比重较大，使得其低水位水位流量关系呈现绳套变化。在方案二其水位流量关系呈现明显的绳套变化，退水试验过程中不同流量条件下呈现明显的跌水变化，水位变幅较大，因此水位流量关系较为紊乱。方案三由于断面淤积变化，水位流量关系较为紊乱。方案四断面在中高水位时发生较为明显的淤积变化，呈现单一变化，而在低水影响时，呈现绳套变化。

3、试验结论

1)各固化试验方案下均有不同程度的冲淤变化，在四种方案中，固化一个有坎断面和固化两个有坎断面的淤积厚底最低；2)固化一个断面和固化两个有坎断面其水位流量关系均可在中、高水位时呈现单值化关系，综合冲淤变化和水位流量关系单值化影响，方案四即固化两个有坎断面的方式为最为有效的断面固化方案。

张立章.不同测流断面固化方案下断面冲淤变化物理模型试验分析[J].水土保持应用技术,2019(5):30-32.