基于物理模型的河流断面固化测流技术试验研究

第25卷第3期2015年06月Vol.25N O.3Jun.2015IN FLOOD &DROUG T M N G M NT丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈图2模型剖面示意图（单位：mm ）1∶2240370100037024030055010003940稳水段过渡段动床段动床段过渡段50005000300005000水流方向平面图：立面图：水流方向丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一3940图1模型整体布置平面、立面示意图（单位：mm ）目前我国大中型河流洪水监测的方法主要有船测、水文缆道、桥测、浮标、比降面积法、水工建筑物测流等方法，存在测流时间长、效率低、自动化作业难度大、测流环境艰苦、精度低、人身安全没有保障等弊端，因此需要开展对大中型河流汛期洪水测流技术的研究。

国内外许多学者对汛期河流测流方式做过相关研究，取得了一定的研究成果,但固化测流断面技术的研究成果非常少。

本文通过物理模型试验，设定不同断面固化布置方案，采集不同方案测流断面的水位、流量数据，定量分析固化断面后河流水位—流量关系。

基于稳定的水位—流量关系，通过水位推求河道测流断面流量。

研究成果可为汛期测流技术的改进和提高提供参考。

模型试验河槽长45m ，由稳水段、动床段、过渡段3部分组成，其中动床段长30m ，上下游各布置5m 的过渡段，过渡段与动床段之间为20cm 长的粗砂连接段，河床纵比降为1/1000，河槽平、立面布置如图1所示。

试验水槽内宽3.94m ，槽深1.00m 。

全动床河槽由中值粒径为0.42mm 的天然沙均匀构筑而成。

为了模拟河道床面的冲刷，河槽泥沙厚度为0.30m ，边坡为1∶2，底宽1.00m ，每侧滩地宽度为0.37m ，模型剖面如图2所示。

模型水流由高位水箱供应，动床段中间的15.00m 为本次试验测量范围。

在试验范围内布置3个断面量测水位，断面间距为3.00m 。

在模型区尾部设置了尾门和水位测针，用来观测调节尾水。

试验中每级流量趋于稳定后，同步基于物理模型的河流断面固化测流技术试验研究(辽宁省江河流域管理局，沈阳110003)陈文熙王鑫东摘要：为定量研究不同河流断面固化方案下测流断面水位—流量关系，采用物理模型试验方法，设定模拟天然河道和固化测流断面两个方案，采集测流断面水位、流量数据，分析不同方案下河道水位—流量关系。

研究结果表明：固化后的测流断面相比于天然河道，其水位—流量关系更加稳定，可通过河道水位推求流量。

研究成果可以为汛期河流测流效率提高和技术改进提供参考。

关键词：测流断面固化；物理模型试验；水位流量关系；冲淤变化中图法分类号：T V133文献标识码：B文章编号：1673-9264（2015）03-66-02收稿日期：2015-04-17第一作者信息：陈文熙，男，高级工程师，E-mai l ：5319769@ 。

1物理模型试验的整体布设S tudie s and Discussions研究探讨66CH A H A A E E第25卷第3期2015年06月V ol.25NO.3Jun.2015中国防汛抗旱测量河床地形、水位和流速。

本次试验设计2个方案，方案一为模拟天然河道，主要是做河道糙率率定和流量复核；方案二为无坎固化断面。

本次动床试验采用非恒定流，放水流量过程线概化流量分别为10L/s 、50L/s 、100L/s 、85L/s 、60L/s 、45L/s 、30L/s 、15L/s 。

3.1方案一3.1.1方案布置及水位—流量关系分析方案一为天然河道试验，断面布置如图3所示，共布置了3个测量断面，断面间距3.00m ，2号断面为控制断面。

3个断面处分别进行了水位、流速和地形的测量。

水位—流量关系曲线中的水位为控制断面（2号断面）处的水位（其他方案的水位—流量关系曲线均为2号断面观测成果）。

在涨水过程中，水流对河底形成冲刷，水流中挟带泥沙，表现为清水逐渐变浑浊；随着流量的回落，水流挟沙能力降低，泥沙逐渐落淤，水流逐渐变清，河底发生淤积抬高。

同等流量条件下，落水过程的水位均高于涨水时的水位。

本次试验中，天然河床条件下水位—流量关系呈绳套曲线。

3.1.2冲淤变化每级流量下，控制断面处均进行了地形测量。

涨水过程中，随着流量的增大，河槽逐渐冲刷，过流面积增大，至最大流量100L/s 前，河底一直处于冲刷状态，冲刷深度约0.2cm ，但最大流量时两侧岸坡发生坍落，坍落的泥沙落淤在河槽内；落水过程中，随着流量的减小，流速降低，水流挟沙能力降低，河底一直处于淤积状态，过流面积相应减小。

经分析，本次放水过程中，淤积最大值发生在流量85L/s 时，平均淤积厚度为2.61cm ，主要原因是最大流量时的岸坡坍落所致。

随着流量进一步减小，岸坡不再坍落，但河槽表层泥沙仍有一部分冲刷，平均淤积厚度有所减少，较最大淤积厚度下切0.5cm 左右。

3.2方案二方案二为固化一个无坎断面，固化断面布置在2号断面处（控制断面），断面布置见图4，固化段宽6cm ，采用红砖砌筑，表面用水泥抹面，固化断面与上下游河道自然连接。

在固化断面上下游20cm 的位置增加两个地形测量断面（图中虚线部分），地形测量共5个断面，水位、流速测量断面不变。

中高水位时水位—流量关系曲线基本呈单值，低水位时呈扫帚形,这是因为断面固化后不存在冲刷，只会发生一定的淤积，中高水位时淤积的面积占中高水位过水面积的比重很小，曲线上部单一；低水位时淤积的面积占低水位过水面积的比重较大，曲线底部出现绳套。

本文基于物理模型试验定量研究固化河流测流断面对水位—流量关系的影响，研究结论表明，固化后的断面水位—流量关系相比于未固化断面，其水位—流量关系较为稳定，进而可以通过水位来计算流量。

但试验未能进行固化断面冲淤变化的长期观测，且考虑到试验场地的限制，放水量也较小，因此模型试验方法在原型河流运用时具有一定的适用性。

研究方法可适用于河段顺直且河段冲淤变化较小的中小河流，而在河段冲淤变化较大、固化难度较大的天然河流上，该方法还需要进行进一步的原型试验观测和研究。

责任编辑田亚男动床段水流方向123图3方案一断面布置图动床段水流方向12345图4方案二断面布置图2试验方案及测量方法3试验观测成果4结论S tudies and Discussions研究探讨67。