动床模型设计方法

8.3　动床模型设计方法

8.3.1　内流河宽浅变迁河段河床变化特点

内流河宽浅变迁河段主要是季节性河流，其河床边界的抗冲性较差。遇到小洪水时，洪水未布满河床，主要是股流冲刷，如图8.1所示。当遇到大洪水时，水流布满河床，整个河床的泥沙以沙波形式向前推进，河床中原有的凹凸不平的地形，变为较为平整且平面形态较规则的沙波地形，如图8.2所示。

图8.1　小洪水或股流时地形

图8.2　大洪水时地形

内流河宽浅变迁河段变化具体过程如下：

①涨水前的小流量时，河床主要以股流的形式存在。内流河宽浅变迁河段属于滩槽难分的河流，“滩槽难分”是指没有固定的主槽和滩地，滩槽的高差很小（一般在50 cm以内，较大的不会超过1m），凭一般的观察很难判断。但在无水或小流量时，河床在虚拟等高线上仍然存在局部的高程变化，水流主要往高程低的地方流动。在全河床范围内，出现多股水流，且股流的纵向和横向输沙不平衡，引起股流平面摆动，如图8.3（a）所示。

②设计洪峰流量超过股流消失流量，易引起全河床输沙。新疆典型暴雨洪水过程的涨水很快，一般为0.5 h，洪峰持续时间为2～3 h。当洪水涨到设计洪峰流量，并且超过股流消失流量时，滩上泥沙向槽内输移，槽内逐渐淤高，如图8.3（b）所示。当洪峰持续一段时间后，滩槽消失，全河床泥沙以小三角洲或沙纹的形式徐徐向前推进，河床较为平整，如图8.2和图8.3（c）所示。

③洪水退水过程刚开始时，仍然为全河床输沙，当流量小于股流消失流量后，又出现股流。动床模型试验发现，全河床输沙时，床面泥沙颗粒分布不均匀，小三角洲的边缘局部有10 cm左右的高程，如图8.3（d）所示。当流量减小、水位降低后，在泥沙颗粒分布较细、高程较低的地方易出现槽，在颗粒较粗、高程较高的地方易形成滩，滩槽高程相差较小，一般为0.5 m。由于泥沙颗粒分布、小三角洲出现的位置以及入流边界条件均有较强的随机性，所以在洪水退水过程出现股流的位置和大小也有较强的随机性。

图8.3　洪水过程河床变化图

（a）股流示意图；（b）洪水期滩槽泥沙运动图；

（c）全河床输沙示意图；（d）小三角洲示意图

8.3.2　“自相似”模型的困难

内流河宽浅变迁河段上的桥渡布置主要包括桥涵和导流堤，如图8.4所示。桥渡动床模型主要模拟在典型洪水过程下，建桥后桥位断面地形变化以及桥前壅水高度。

假设模拟一条代表性河流，研究河段长1 500 m，宽为800 m，设计流量Q＝840 m³/s，桥长L＝210 m，桥位断面的单宽流量q＝4 m³/（s·m）。按照“自相似模型”动床模型设计方法，平面比尺为15，需要模型场地为100 m×53 m，模型进口流量为0.964 m³/s，模型场地、进出口边界控制很难达到要求。为解决这一问题，在“自相似”模型设计基础上，采用局部模型进行概化模拟。

图8.4　桥涵和导流堤组合布置

8.3.3　局部模型布置

局部模型主要模拟桥位断面地形变化和桥前壅水高度。具体布置为：在桥位断面处的宽度由14 m减小为1～3 m，进口断面宽度由53 m减小为7 m。保持导流堤的线型，距桥位断面4 m以上的导流堤直线段减小0～47.6 m，如图8.5所示。局部模型在桥位断面单宽流量保持不变，即q＝0.069 m³/（s·m），进口流量为0.207 m³/（s·m）。

局部模型设计中最关键的问题是桥位断面（出口断面）的宽度的确定。按照一般模型场地，出口断面设计成1～3 m均能满足要求。

图8.5　局部模型模拟部分示意图