局部模型设计可行性分析

8.4　局部模型设计可行性分析

8.4.1　内流河宽浅变迁河段地形变化

内流河宽浅变迁河段流经地势平坦、土质松散的山前冲洪积平原，属于大比降卵砾石冲积性河流。从图3.10可以看出，内流河宽浅变迁河段的等高线基本上按等间距分布，无明显的深槽和浅滩，在局部地方有小的冲沟。在洪水期，河流沿程坡度相同、粒径组成相差不大，沿河宽方向水力参数（流速、比降、单宽流量）基本相同。在局部模型中，选取桥位断面合适的宽度进行研究，保持单宽流量不变，能反映全断面的水流变化情况。

8.4.2　桥位断面宽度对水流地形变化的影响

表8.2列出了代表性河流的标准模型和各种模型的参数。保持桥位断面的单宽流量不变，设计4种局部模型，模型比尺为15，分别选择标准模型桥位断面宽度的1 m，2 m，3 m，4 m进行模拟。按照Chow（1965年）^[180]的研究，当宽深比大于10，边界对明渠水流的影响较小，可视为二维水流。当模型桥位处宽度为1～4 m时，桥位断面的宽深比为13～52，都大于10，满足二元流的条件。

表8.2　代表性河流和各种局部模型的参数（平面比尺1∶15）

在局部模型设计中，到底哪一种宽度能模拟桥位断面地形的变化，以下通过试验进行分析。

1）试验布置

试验水槽长24 m，宽7 m。前池与动床段之间设置3 m长过渡段，材料为预制水泥板，板面高程由水准仪安平，精度控制在1 mm。动床段长22 m，铺制20 cm厚的模型沙，见图5.13。桥位段设置在动床段12 m处，导流堤形式按照图8.4在试验槽对称布置。试验流量过程通过计算机控制。动床模型采用人工在水流入口处，即过渡段与动床段的接口处加沙，加沙时以动床的入口段床面保持平整为标准，即达到不冲不淤，保证上游来沙平衡。试验尾水控制采用自由出流方式。

2）试验结果分析

在局部模型中，桥位宽度分别选择1 m，2 m，3 m，4 m进行模拟，各模型参数见表8.2。试验流量按照新疆典型流量过程控制（原型q＝4 m³/（s·m）），主要测量沿程水位以及桥位断面床面高程。

图8.6～图8.8给出了相同流量过程不同桥位长度时，桥位断面地形变化和桥前最大壅水高度。当桥位宽度为1 m时，桥前冲刷深度和最大壅水高度都明显比其他3个模型大；当桥位宽度为2～4 m时，桥前冲刷深度和最大壅水高度相差不大。从桥位横断面地形比较来看，桥位宽度为1 m和3 m的主要区别在于洪水过程退水末期，1 m宽的模型形成一股股流，而3 m宽的模型形成两股股流，与原型更为接近。

图8.6　桥位断面最大冲刷深度变化

图8.7　桥前最大壅水高度变化

图8.8　桥位断面地形变化

（a）模型宽度1m；（b）模型宽度3 m

在局部模型设计中，桥位断面宽度取3 m，能模拟桥位断面的地形变化以及桥前壅水。

8.4.3　沿程单宽流量偏差的影响

图8.9绘出了标准“自相似”模型和局部模型沿程的单宽流量变化（桥位宽度为3 m）。局部模型在导流堤以上河段的单宽流量与标准模型相比，有一定差别；在导流堤段逐渐接近，在桥位断面，二者相同。

图8.9　局部模型单宽流量沿程变化

图8.10绘出了在洪水过程中，局部模型中轴断面的水位地形变化（桥位宽度为3 m）。桥位河段建桥后，由于导流堤压缩河道过水断面，洪水在桥位河段受阻，在桥前区形成壅水，并在洪峰时达到最大壅水高度，同时在桥位上下游河段形成一般冲刷，如图8.10中4 min的地形和水位。在洪水退水过程中，冲刷坑继续向上游发展，桥前区壅水也进一步减小甚至不产生壅水，见90 min的地形和水位。随着流量的进一步减小，桥位河段压缩洪水的作用也随之减弱，桥位断面单宽流量减小，壅水完全消失，水流挟砂冲刷能力下降，从上游带来的泥沙在冲刷坑内落淤，冲刷坑回淤，冲刷深度减小，见180 min的地形和水位。

从典型洪水过程作用下，桥位断面的地形和水位变化来看，变化较大的区域主要在桥位断面上游4m至桥位下游2m，尽管在导流堤以上河段的单宽流量与标准模型有一定的偏差，但该区域的水位和地形变化均较小。桥前壅水最大值一般发生在桥位断面上游2～4 m，该段的流量偏差为3%～10%，由于桥位壅水主要取决于桥位断面的压缩情况，只要保持桥位断面的单宽流量不变，基本上不影响桥位断面的地形和水位变化。

图8.10　中轴断面水位地形变化