研究阶梯-深潭系统的水力学特性

研究阶梯-深潭系统的水力学特性

阶梯-深潭系统是山区河流常见的河床微地貌现象，由一段陡坡和一段缓坡加上深潭相间连接而成，呈一系列阶梯状，是山区河流为维持稳定进行的自我调整。中国山区面积大，分布广，阶梯-深潭系统在云南、四川和贵州等省份均广泛分布。国际上对于阶梯-深潭系统的研究始于20 世纪80 年代，研究方向可分为3 个方面：①阶梯-深潭系统形态特征以及决定其形态特征的因素；阶梯-深潭系统形成和破坏机理；阶梯-深潭系统在防灾减灾和生态修复方面的应用。国内对于阶梯-深潭系统的研究目前不多，王兆印等对阶梯-深潭系统的消能减灾和水生态学等方面开展了较系统的研究。

水力特性是阶梯-深潭系统的重要研究内容，但阶梯-深潭系统发育于山区河流，交通不便，而实验室因为场地、水流流量过小等限制因素，使得水槽实验无法开展，故关于阶梯-深潭系统的水力特性研究较为欠缺。国外关于阶梯-深潭系统水力特性的研究也很少且以定性描述为主。Wohl 和Thompson利用一维电磁流速仪对发育阶梯-深潭系统的河段开展断面流速测量。Wilcox 和Wohl利用三维多普勒流速仪对阶梯-深潭系统的流场进行测量。前者所用的流速仪为一维，难以反映阶梯-深潭系统的强三维水流特性，后者所使用的声学多普勒流速仪频率为1 Hz，测量的数据无法反映阶梯-深潭系统流场的强烈紊动特征。

本研究在天然河流中修建典型的人工阶梯-深潭系统，采用高

频率（最大频率达200 Hz）声学多普勒流速仪测量阶梯-深潭系统阶梯上游、阶梯上和深潭中 3 个横断面和沿深泓线 1 个纵断面流速，得到阶梯-深潭系统不同部位时均流速、紊动强度、弗劳德数和雷诺应力的特征，计算阶梯-深潭系统的消能率，并对不同工况进行对比，这些工作为深入认识阶梯-深潭系统打下基础。

1、研究方法

1.1 实验仪器

本研究采用挪威Nortek公司生产的Vectrino声学多普勒点式流速仪（ADV）。该款ADV可用于测量三维流速，测量技术的基础是相干多普勒处理，在测量时ADV发射声学脉冲，脉冲被水流中的颗粒或者气泡反射回来，ADV接受信号从而能够计算测量点的流速。该款ADV具有测量精度高，无零点漂移的特点，其探头为侧向式，采样点距探头距离5 cm，采样体积0.085 cm3。测量频率最大可至200Hz。该仪器为阶梯-深潭系统研究领域所用流速测量仪器中采样频率最高，采样体积最小，野外实用性最强的一款ADV。

1.2 实验布置

实验场地位于湖北省钟祥市温峡河上游，实验点上游300 m 处为温峡口水库大坝（图1（a））。温峡口水库位于钟祥市东北部，总库容5.78 亿m3，是一座以灌溉、防洪为主，兼有发电、养殖、旅游等综合利用的大（二）型水利工程。在非发电期间，实验河段流量稳定，日流量变幅在5%以内。实验河段河宽为6.5 m，两岸为修砌好

的浆砌石。根据实验需求，在实验段修建拦水坝和隔水墙（图1（b））。挡水坝高1.2 m，拦水坝主要功能为抬高水位和调节实验河道流量。拦水坝分为左右两个坝段，左坝段长2 m，从左岸到隔水墙，设矩形溢流堰，用于测量实验河道的流量，实验开始前在溢流堰下游2m较平顺处进行流量校核。矩形溢流堰下游为实验河段。右坝段长4.5 m，从右岸到隔水墙。右坝段设置由木闸板构成的调节闸门（图1（b）），通过增减闸板的高度调节实验河道的流量。

隔水墙距左岸2 m，长11 m，高1.1 m，平行于水流方向，分隔实验河道和原河道其余部分。拦水坝和隔水墙采用钢筋混凝土现浇，牢固无裂缝无沉降。

隔水墙左岸的河道为实验河道，长11 m，宽2 m，阶梯-深潭系统在距离矩形堰4.5～8 m 范围内修建。在云南、四川和贵州的多次野外河流调查发现，许多自然阶梯深潭都有类似7 块巨石的结构特征，因此本研究仿照自然修建典型的阶梯-深潭系统进行水力特性研究（图2（a））。7 块巨石的阶梯-深潭系统具有这样的结构特征：1 号巨石位于整个结构最底部，其作用为防止水流淘刷阶梯-深潭系统底部并挑流消能。2 号和3 号巨石紧接1 号巨石，流量较小时主要依靠它们消能。4 号和 5 号巨石紧接2、3 号巨石，小流量时不会被淹没，大流量时水流完全淹没2、3 号巨石，主要依靠4、5 号巨石消能。6 号和7 号巨石可以与前5 块连成一体，也可以有一定间隔，起到护岸作用，防止高速水流近岸和对4、5 号巨石两边的冲

刷。巨石三轴尺寸为0.5～1.0m，河道坡降为 6.2%。实验河道上布置10 个地形测量断面，实验前测量河道地形。流速测量完成后，对各个断面水深进行测量。

流速测量在3 个垂直流向和1 个顺流向的断面进行，3 个垂直水流流向的断面依次位于阶梯上游、阶梯上和深潭中，顺流向断面位于河道深泓线上（图2（b））。在每个断面上布设有3～5 个测量垂线，均匀分布于各个断面上，每个垂线沿水深均匀布置流速测量点，除极少数水深很浅的垂线外，大部分垂线有 5 个测点，每个测点测量时间为90 s。数据分析前对数据进行过滤，信噪比低于10 及高于35 的数据被舍弃。数据中的一些“尖刺”（距平均值超过 3 倍标准差）也会被舍弃。测量时在测点上方搭设木桥，木桥上安装可横向、垂向移动的支架，ADV 安装在支架上对断面所有测点进行测量。实验在6 种工况下进行，流量依次为10L/s、50L/s、100L/s、150L/s、290L/s 和420L/s。

水力特性分析时选取工况3（100L/s）为典型工况，此工况下水流流过2、3 号巨石，4、5 号巨石没有被淹没。对比流量间水力特性时，选取工况5（290L/s）作为对比工况，此时水流刚刚漫过4、5号巨石。消能率分析时，6 种工况的消能率都计算。

2、阶梯-深潭系统水力特性

瞬时流速分解为平均流速和脉动流速，即

瞬时流速，U ，V，W为时均流速，u '，v'，

w'为脉动流速，其中u 代表水流方向流速，v 代表横

下规律相同，即阶梯上时均流速较大，以流向速度为主，紊动较弱；深潭中时均流速较低，紊动强烈，垂向紊动最大。

2.2 时均流速及弗劳德数分布

阶梯上的垂线时均流速分布与明渠水槽中的流速分布类似，近似为对数分布（图4（a））。深潭中由于阶梯上水流的入射和水跃的发生，垂线流速分布和阶梯上有所不同（图4（b）），负向流速的出现和相邻流层间巨大的流速梯度表明大尺度漩涡的存在。选取工况3（100L/s）几个典型垂线，每条线代表一个测量垂线，线上的点代表一个测点的平均流速。

水流流经阶梯-深潭时，地形的变化使得时均流速沿程剧烈变化。进入阶梯段后，时均流速增加，在跌下阶梯进入深潭前时均流速达到最大。经过阶梯消能和水跃消能，时均流速在深潭达到最低，然后又会慢慢恢复（图5（a））。图5（a）为工况3（100L/s）垂线平均流速沿深泓线变化线，以阶梯唇部为基准点，位于基准点下游为正，位于基准点上游为负。弗劳德数沿深泓线的变化规律与时均流速相同（图5（b）），弗劳德数除了与时均流速有关外，还与水深有关，测量到的垂线中，阶梯唇部弗劳德数大于1，经过水流下跌后，弗劳德