發布時間：2019-03-12所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：自然狀態下，由于受到河床、地形地貌等因素的影響，河流會呈現很多種形態。根據河流平面形態將其分為四類：順直型、分汊型、彎曲型及游蕩型。本文重點對彎曲型河流中一種常見的水流形式彎道水流進行研究，分析彎道水流特點、分類、沖刷機理以及沖刷深
摘要：自然狀態下，由于受到河床、地形地貌等因素的影響，河流會呈現很多種形態。根據河流平面形態將其分為四類：順直型、分汊型、彎曲型及游蕩型。本文重點對彎曲型河流中一種常見的水流形式彎道水流進行研究，分析彎道水流特點、分類、沖刷機理以及沖刷深度計算。
關鍵詞：河流,彎道水流,特點,分類,沖刷深度
在河流動力學中，彎道水流特點、分類、沖刷機理及沖刷深度的計算一直是重點研究的方向。彎道水流的分析將對河流樞紐工程、引水工程以及整治工程的發展具有非常重要的作用，而彎道水流研究方法主要包括確定型和隨機型。確定型方法由于其建模簡單、易于分析和計算方便等優點，受大部分學者青睞。
隨機型方法是較為符合彎道水流隨機性特點的一種方法，隨機型方法使用過程中較為復雜、計算模型建立難度大、計算時間較長、研究成本較高。故本文采用確定型方法，重點分析彎道水流特點、分類、沖刷機理及沖刷深度計算。
1河流彎道水流分類
自然狀態下的彎道水流邊界條件存在差異，導致彎道中水流運動特性和直道中水流運動特性有著明顯差異。彎道水流中有緩流和急流之分，而彎道也可以分為緩流彎道、急流彎道。
1.1緩流彎道
1.1.1水面橫比降較高
所謂彎道水流水面橫比降，即水流在直段流入彎段之后會產生離心力，容易破壞自由水面的平衡，從而造成彎道水流形成的凸岸水面要低于凹岸水面形成的橫向水面比降，而凹岸與凸岸之間形成的水位差就被稱為橫向水面超高。
1.1.2斷面環流
河流彎道的斷面環流是因為彎道水流在橫斷面上凹岸水面高、凸岸水面低而形成的環形流動形式。彎道水流受離心力、水沖擊力以及壓力的影響，再加上水流運動的連續性，導致出現斷面水流的現象。
1.1.3彎道環流
彎道環流又被稱為彎道環流水沙分流，主要指水流在彎道過程中產生的離心力會將表面水流沖到凹岸，而底面的水流會達到凸岸，從而形成一種封閉形式的環流。當橫向環流與縱向環流融合在一起時，會形成螺旋運動的水流。故在彎道環流水沙分流的作用下，自然河流的基本形態大多均呈彎道。較彎道水流，直道河流中的水深、流速、含沙量都較為均勻，而在彎道水流中，由于受水流在彎道離心力的作用，導致水深、含沙量等分布不是特別均勻，河床的高低也不是特別均勻[1]。
此外，離心力的大小與水流流速有著直接關聯，而水流流速主要由河道彎曲程度和河床高低而決定。綜上所述，對彎道水流而言，離心力在水流表層是比較大，在低層時比較小。在水面差基礎上所形成的側壓力方向和彎道形成的離心力方向正好相反，側壓力與離心力的合力方向就是水流的方向。
1.2急流彎道
對于河流的彎道急流而言，彎曲河道水流對凹岸河床形成較為強的沖刷，同時彎曲河道壁將產生沖擊波對水流流態起到一定的干擾作用，導致水面發生非常復雜的變化。考慮到彎道急流不僅具有彎道緩流螺旋水流，還會在彎道壁中產生干擾水流的沖擊波使水面發生異常激烈的運動。
故研究彎道急流不僅需要考慮重力和離心力的作用，同時還要考慮彎曲河道壁對水流干擾情況以及急流彎道沖擊波干擾會在水面形成水波。在彎道急流狀態下，河流彎道水流特點將十分顯著，需要在其深入分析下計算彎道的沖刷深度，這樣才能掌握河流的實際情況，確保河流的安全運動。
2河流彎道水流特點
對于河流彎道位置的特殊水流，主要是在橫向環流的基礎上產生的，彎道水流也叫做三維流，在垂直方向具有側向壓力梯度，導致表層水流和底層水流之間存在很大的差異性。一般來說，表層水流的速度要比彎道水流的平均速度大很多，而底層水流速度要比彎道水流速度小很多。所以，彎道水流表面及底層向心加速度對比，表層水流要更大一些。
基于此此種情況，表層水平會沿著外向不斷運動，而底層水流則與之相反，當靠近河岸處時，會自動變成垂向流速分流，會對彎道河床的斷面造成嚴重影響。受到環流作用，表層含沙量比較少的水流會不斷向凹岸流動，底層含沙量較多的水流會向凸岸邊灘流動，從而出現橫向輸沙不平衡的現象。除此之外，縱向的水流會產生頂沖現象，會破壞凹岸的岸坡，甚至引發凹岸坍塌、凸岸彎道延長等現象[2]。
基于動量向凹岸不斷轉移，環流對主流的分布狀況具有重要影響，特別是在水平河床中，如果沒有對環流作用進行分析，會在凸岸產生最大流速，在考慮環流作用之后，最大流速將會轉移到凹岸。無論是環流形式還是主流形式，在向凹岸轉移時都要經過較為復雜的過程，因此在進入彎道的地方其河床形狀和軸對稱河床形狀存在很大的不同。彎道處水流或泥沙要對河道斷面條件全面分析，當接近彎道下游后，軸對稱水流條件就會占據絕對的優勢。如果軸對稱水流能夠沿著水深方向呈對數狀態進行分布。
3河流彎道沖刷深度
通過上文敘述可知，彎道中的橫向環流會造成凹岸被沖刷、凸岸嚴重淤積，最后引發河床的橫向變遷。需要注意的是，凹岸被沖刷不會在彎道內產生，而且通過有關資料可知，沖刷的范圍大約是整個彎道的70%，如果彎道的整體長度設為L，其沖刷范圍則為0.7[3]。
主流與凹岸的接觸位置視為頂沖點，當枯水時，頂沖點將被稱為水流的上頂沖點，在洪水期，頂沖點被稱為下頂沖點。基于自然河流及模型試驗，主流線會在水流量的基礎上進行變化，水流量增加，慣性增加，水流量減少，慣性變小，而且主流線的曲率半徑也會發生改變。此外，洪水時期，主流趨向于河中心，頂沖點會不斷移動，但是在枯水期，主流線則更加傾向于凹岸。
4結束語
綜上所述，大概明確了河流彎道水流特性以及其中存在的一些問題，如彎道水流特性較為復雜，與彎道水流特性有關的實驗研究及公式計算仍然存在不足，計算急流彎道時缺少統一的計算標準。因此，需要對河流彎道沖刷深度進行分析，得出相應的研究數據，有效解決彎道水流中存在的問題，確保彎道水流的有效運行。
參考文獻
[1]劉麗，陳洪凱.彎道流速與路基沖刷深度關系研究[J].路基工程，2010，(5).
[2]吳門伍，嚴黎，胡曉張，等.南寧過江隧道河段極限沖刷深度預測[J].人民珠江，2012，(1).
[3]李景娟，段祥寶，謝羅峰.彎曲航道水流特性及岸坡穩定性研究[J].水運工程，2016，(12).
[4]林文婧.山區中小河流沖刷深度計算及分析[J].廣東水利水電,2016，(5).
水利工程師評職期刊：《水利水電工程設計》雜志是經國家科委批準，由水利部天津水利水電勘測設計研究院和天津市水力發電工程學會共同主辦，向國內外公開發行的技術性刊物。設有設計與施工、機電與金屬結構、規劃和經濟、地質與測量、工程監理、新技術開發與應用、試驗與研究、專題討論、綜述、安全監測、水力機械、國外科技、小資料、簡訊、信息與服務等欄目。
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