推移质输沙对阶梯-深潭系统消能的影响

第28卷第3期2017年5月水科学进展ADVANCESINWATERSCIENCEVo1．28．NO．3May，2017DOI：10．14042／j．cnki．32．1309．2017．03．003推移质输沙对阶梯一深潭系统消能的影响李文哲，李志威，王兆印(1．深圳市水务(集团)有限公司，广东深圳518031；2．清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验窒，北京100084；3．水利部黄河泥沙重点实验室，河南郑州450003；4．长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙410114)摘要：阶梯一深潭系统是山区河流上一种河床结构形态，具有稳定河床和消能减灾的作用。推移质运动会影响水流结构并改变河床形态，从而影响阶梯一深潭系统的消能效率。在野外构建阶梯一深潭系统，通过人工加沙试验，研究不同来水来沙对阶梯一深潭系统流场及消能的影响。研究表明，推移质运动使阶梯上紊动略增强，深潭中紊动大为减弱，从而使阶梯深潭系统消能率降低。推移质运动的增强改变水流能量分配，其消能附加作用使阶梯一深潭结构消能降低和深潭淤埋。关键词：阶梯一深潭系统；推移质输沙；山区河流；消能；野外试验中图分类号：TV142．2文献标志码：A文章编号：1001—6791(2017)03·0338—08阶梯．深潭系统是山区河流常见的一种河床结构，由一段陡坡和一段缓坡加上深潭相问连接而成，在河床纵剖面呈现一系列阶梯状⋯。已有较多的研究表明，阶梯．深潭系统的水力特性使得水流通过时能够大量消耗能量，其依靠尾流和形状阻力的消能方式比床面肤面摩擦消能更高效。进一步研究将阶梯-深潭系统消能方式分为阶梯消能和深潭消能，阶梯与深潭的组合使阶梯一深潭系统在高、低流量下均能保持较高的消能率。高效的消能使阶梯．深潭系统可以稳定河床、控制河床下切，进而被运用于减小山洪泥石流灾害和河流生态修复。推移质输沙是山区河流重要的水沙动力过程，影响着山区河流的河床演变和水生生物栖息地。高强度的河床结构如阶梯一深潭河床中，推移质输沙会受到一定抑制，从水流能量消耗和控制河床下切上看河床结构和推移质运动存在着此消彼长的等价关系。同时，推移质输沙也通过影响水流结构和改变河床结构对阶梯一深潭系统消能产生影响，甚至引起阶梯．深潭系统的破坏。已有的关于推移质输沙与阶梯深潭系统相互影响的研究重点在阶梯一深潭河段推移质输沙率影响因素¨⋯、推移质输沙对阶梯一深潭和河道稳定性的影响⋯以及推移质输沙对阶梯一深潭阻力影响¨副等方面。推移质输沙对阶梯一深潭系统消能影响方面的试验研究目前还较缺乏，未见研究报道。本研究在野外构建典型阶梯一深潭系统，通过人工加沙试验，得到不同来水来沙工况输沙过程和床面形态变化，测量加沙后阶梯-深潭流场变化并得到消能率的变化，分析推移质运动对阶梯一深潭系统消能的影响。本研究在文献[2，6]基础上进行了有推移质情况下的试验，是对阶梯一深潭系统水力特性和消能机理的进一步探索。1试验布置与方法试验地点位于湖北省钟祥市温峡河，试验河道来流充沛(试验期间约0．300m／s)稳定(日变幅5％以收稿日期：2016—10—24：网络出版时间：2017-04-26网络出版地址：http：／／kns．cnki．net／kcms／detail／32．1309．P．20170426．0931．024．html基金项目：水利部黄河泥沙重点实验室开放课题基金资助项目(2017005)；国家自然科学基金资助项目(91547112)作者简介：李文哲(1986一)，男，湖北钟祥人，博士，主要从事山区河流动力学和海绵城市研究。E—mail：liwenzhe2010@163．corn通信作者：李志威，E—mail：lzhiwei2009@163．corn第3期李文哲，等：推移质输沙对阶梯一深潭系统消能的影响339内)。原河道宽6．5m，为试验需要在原河道中修建挡水坝(高1．2m)和隔水墙。挡水坝抬高水位为试验提供水头，隔水墙分隔出试验河道。隔水墙左边为试验河道，试验河道最上游为矩形堰，用于量测试验河道流量。隔水墙右侧为调节河道，调节河道上游为木闸板控制的m水口，通过调节木闸板顶部高程调节试验河道流量。试验河道宽2m，长11m，坡降为6．2％，阶梯一深潭系统在距离矩形堰5～8m范围内修建(网1)。图1试验场地与布置Fig．1Siteandarrangementofthefieldexperiment试验河道矩形堰下游1．2Ill处搭设木桥，木桥上架设加沙漏斗，3个加沙漏斗并列布置于加沙断面，沙通过加沙漏斗在断面均匀加入试验河道上游。推移质测量在阶梯一深潭下游深潭出口处(图2(a))。椎移质输沙率测量采用坑测法。测量T具为推移质采样槽，推移质槽分为母槽和子槽，母槽埋于河床中，其顶部与河床平齐，测量时将子槽放入，达到预设时间后取出子槽称量子槽中推移质的重量，除