河流弯道角度和流量对河流弯道冲刷影响研究

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2024年5月1日发(作者：)

10

文章编号：1006-8139（2021）01-010-05

山西水利科技

2021年2月

河流弯道角度和流量对河流弯道冲刷影响研究

贺丽丽郭向红

1

赵俊刚

2

全炳欣

2

梁世春

2

（

1.

太原理工大学水利科学与工程学院山西太原

030024

；

2.

山西省交通规划勘察设计院有限公司山西太原

030012

）

为了分析不同流量和弯道角度对河道冲刷深度的影响，在室内进行了不同流量和弯道角

摘要

度河道冲刷试验。试验结果表明：在弯道河段，河道凹侧泥沙冲刷深度顺水流方向呈现先逐渐增大，出

弯道后逐渐减小的现象，弯道凸侧冲刷深度较小或出现了淤积现象，河道凹侧冲刷深度大于凸侧冲刷

深度，河道最大冲刷深度出现在河道凹侧弯顶的下游。随着流量和弯道角度的增大，顺直河段和弯道

河段的冲刷深度均增大；河流弯道最大冲刷深度与流量和弯道角度的关系可用多元乘幂函数表示。

流量；弯道；冲刷深度

关键词：

中图分类号：TV14文献标识码：A

scourtesttresultsshowthatinthe

bendsection，thesedimentscourdepthontheconcavesideoftheriverincreasesgraduallyalongtheflowdirection，and

ontheconcavesideoftheriverisgreaterthanthatontheconvexside，andthemaximumscourdepthappearsinthe

anddischargeandbendanglecanbeexpressedbymultivariatepowerfunction.

Keywords

：

flowrate；bend；scourdepth

depthofstraightreachandbendsectionincreases，andtherelationshipbetweenthemaximumscourdepthofriverbend

HELi-liGUOXiang-hongZHAOJun-gangQUANBing-xinLIANGShi-chun

Abstract:Inordertoanalyzetheinfluenceofdifferentdischargeandbendangleontheriverscourdepth，theriver

StudyontheInfluenceofRiverBendAngleandFlowonRiverBendScour

thendecreasesgradually，aurdepth

eincreaseofdischargeandbendangle，thescour

随着社会经济的发展，我国公路建设规模越来越

大。不少公路路段由于地形限制与河道并行，存在沿

河公路路基侵占河道、压缩河床过水断面，致使河道

中水位升高，流速增大，河道冲刷加剧等问题出现

[1]

。

天然河道弯曲型居多，水流进入弯道后，由于离心力

的存在，水流改变原有平稳的流态，凹凸两岸出现水

面横向比降，并在顺水流方向不断改变，出现三维螺旋

流

[2]

。河流弯道独特的水流特性也使得弯道中泥沙的运

收稿日期：2020-11-09

山西省交通运输厅科技项目（

2017-1-15

）

基金项目：

输也变得复杂，位于河流弯道的泥沙常常出现两岸不

同程度的冲刷或者凹岸冲刷凸岸泥沙淤积的现象

[3]

。

位于河道凹岸的公路路基边坡和坡脚很容易被水流

冲刷致使河床的不断下切，造成路基土体流失，以致

变形垮塌

[4-6]

。所以，合理确定路基防护物基础埋深的

大小显得十分重要。因此，本文运用物理模型试验，研

究河道流量和弯道角度对河流弯道冲刷深度的影响，

为沿河公路路基冲刷计算提供理论支持。

贺丽丽（

1980-

），女，主要从水力学及河流动力学研究。

作者简介：2020

年硕士研究生毕业于太原理工大学，

郭向红（

1979-

），男，教授，主要从事水力学及河流动力学研究。

通讯作者：

第1期（总第219期）

贺丽丽，等：河流弯道角度和流量对河流弯道冲刷影响研究

11

1

1.1

试

材料

试

验

验在太

系统

与方法

原理工大学水流试验大厅进行，试验系

统布置如图

1

所示。试验系统由进水箱、河道、退水

箱、循环管道构成，进、退水箱及河道均由有机玻璃制

成，进水箱体积为

1.5m伊1m伊1.2m

，河道由直段和三

组弯段（

15毅

、

30毅

、

45毅

）组成，河道断面为矩形断面，规

格为

0.3m伊0.3m

，二者依靠法兰连接成完整的河道，

退水箱体积为

1.8m伊1m伊1.15m

，循环输水管道则是

由钢管制成，连接进

便

退

输

两

送

水

不

箱

同流

，按

量

照直径

大小的水

不同

流。

分为

D50

和

D100

两种方

图

1

试验系统布置图

试验时将一定高度的泥沙平铺在河道内，水从输

水管输入进水箱，待进水箱水位达到河道高度时，由

阀门控制水流流入河道，对河道内的泥沙进行冲刷。

进水箱与河道连接处设有稳流装置，以达到水流流态

平稳，同时在河道入口处装有三角堰用于挡沙。渠道

末端和退水箱相连，由进水箱内的水携带河道中的泥

沙一并进入退水箱中，箱中设有泥沙过滤装置，水流

经退水箱过滤后由循环输水管道中的水泵抽出经钢

管回流到进水箱，形成一个封闭循环系统，经过滤后

泥沙

1.2

试

可再次

本

验方

使用。

试验

案

研究的目的是分析不同流量和不同弯道

角度下河道冲刷深度。因此，试验以流量和弯道角度

为控制因素，设置几个不同流量水平，即

30

10

、

15

、

20

、

25

、

共

、

27

35

、

组

40

试

、

45

验。

、

50

试

m

3

验用

/h

，

沙

三

为

个

非

弯道角

均质天

度，

然

即

沙

15

，图

毅

、

30

2

为

毅

、

试

45

验

毅

，

1.3

选用

测

天

点布置

然沙级配

与测

图，其中

试项

d

目

50

=0.94mm

，

酌=2650N/m

3

。

试验测量主要集中在河道直段及弯段中进行，河

图

2

天然泥沙级配表

道长

7.5m

，直段长

6m

，弯段长

1.5m

。如图

3

所示天

然沙冲刷试验中沿程共设置了

9

个断面。直段部分设

置

2

4

个断面，分别为

中

（

部、断面

4

4

（

游

0+5.0

直段中

断面

m

）上

部

1

游

、

（

断

0

直

面

m

）上游直段入口、断面

0+1.5m

）上

段

3

下

（

0+3.5

部。弯

m

段

）上

部

游

分

直段

6

面

（

个

0+5.85

断面分

8

（

0+6.5

m)

别

m

弯

为

）弯

顶

断面

5

（段入口处、

设

断

置

0+5.6m

）弯面

段出

处、断

口

面

下

7

（

游

0+6.1

处。下

m)

游

弯道

直段中

出口

部

处及

设置断

断

面

9

（

0+7.1m

）。

图

3

天然沙河道测点布置图

河道流量采用电磁流量计测量，通过阀门调节循

环输水管道中进入进水箱中的水流流量，继而控制流

入河道的水流流量。河道中泥沙冲刷深度的测量选用

钢针和钢尺测量，其中钢针测量精度较高（

0.001m

），

每次试验水流冲刷结束后，利用钢针测量各个测点凹

岸和凸岸河床的高度，与该测点冲刷前河道中铺沙高

度的

1.4

数据

差值计算

分析

出该测点泥沙冲刷的深度。

试验数据处理采用

excel

，绘图采用

origin2019

，

公式拟合采用

1stOpt1.5pro

软件。

2

2.1

河流流量对河流弯道冲刷深度

结果与分析

图

4

为弯道角度

45毅

不同流量下河道

影响分析

冲刷深度二

维分布图。由图可知，不同流量下河道冲刷深度分布

规律相似，即，在顺直河段，河道冲刷深度均匀，且较

小；在弯道河段，河道凹侧泥沙冲刷深度顺水流方向

呈现先逐渐增大，出弯道后逐渐减小的现象，弯道凸

侧冲刷深度较小或出现了淤积现象，河道凹侧冲刷深

度大于凸侧冲刷深度，河道最大冲刷深度出现在河道

12

贺丽丽，等：河流弯道角度和流量对河流弯道冲刷影响研究

2021年2月

（

a

）

Q=10m

3

/h

（

b

）

Q=30m

3

/h

（

c

）

Q=50m

3

/h

图

4

不同流量下河道冲刷深度二维分布图

凹侧弯顶的下游。这是由于在水流在弯道部分形成弯

道环流，造成河道凹岸冲刷，凸岸淤积。进一步分析可

知，河流流量对河道各段冲刷深度有一定的影响。在

顺直河段，随着流量的增大，冲刷深度也逐渐增大，例

如：水流流量

Q=10m

3

/h

时，天然沙冲刷深度约为

流量

Q=50m

3

/h

时，天然沙冲刷深度约为

4cm

。

0.5cm

；

在弯道河段，沿程泥沙冲刷深度均随流量的增大而增

大。图

4

中，弯道角度为

45毅

条件下，流量由

10m

3

/h

增

逐渐增至

18.48cm

，增幅近三倍。这是由于水流进入

至

50m

3

/h

，弯道出口处凹侧最大冲刷深度由

4.72cm

弯道后受凹侧路基阻挡，水流形态发生改变，在弯段

凹侧产生沿水流方向顺时针螺旋流，具有较强的切应

力，大量床沙成为悬移质被水流携带走，造成弯道凹

侧局部冲刷。随着流量增大，水流流速也随之增大，水

流冲击能力增强，凹侧冲刷深度也随之增大。

2.2

河流弯道角度对河流弯道冲刷深度影响分析

图

5

为不同弯道角度条件下河流冲刷深度情况。

由图分析可知，不同弯道角度下，弯道冲刷分布规律

一致，均为凹岸冲刷，凸岸淤积，但弯道角度对冲刷深

度有一定影响，随弯道角度的增加，河流弯道凹侧泥

沙冲刷深度也增大。在图

5

中，流量为

50m

3

/h

时，弯道

升至

18.43cm

，增幅高达

216%

。这是由于随着弯道角

度的增大，河流弯道环流发育越充分，水流冲击能力

增强，凹侧冲刷深度也随之增大。

角度由

15毅

增大至

45毅

，弯道最大冲刷深度由

5.83cm

2.3

流量和弯道角度对河流弯道冲刷最大深度

影响分析

图

6

为河流弯道角度和流量交互作用对河道冲

刷深度影响。由图可知，在同一流量下，最大冲刷深度

随着弯道角度的增大而增大，在同一弯道角度下，最

大冲刷深度对照流量的增大而增大，弯道角度和流量

第1期（总第219期）

贺丽丽，等：河流弯道角度和流量对河流弯道冲刷影响研究

13

（

a

）

兹=15毅

（

b

）

兹=30毅

（

c

）

兹=45毅

图

5

不同弯道角度下河道冲刷深度二维分布图

的交换作用，增大了河流弯道的冲刷深度。

进一步，采用式（

1

）形式的多元乘幂函数对弯道

最大冲刷深度与流量和弯道角度的关系进行拟合，拟

相关系数

R

为

0.981

。这说明河流弯道最大冲

0.7565

，

刷深度与流量和弯道角度的关系，可以采用式（

1

）的

多元乘幂函数表示。

（

1

）

h

max

=aQ

b

兹

c

式中：—河流弯道泥沙最大冲刷深度，

h

max

——

cm

；

—流量，

Q

——

m

3

/h

—弯道角度，

兹

——

毅

；

合结果为



拟合参数

a

、

b

、

c

分别为

0.1026

、

0.555

、

图

6

河流弯道角度和流量交互作用对河道冲刷深度影响

—拟合参数。

a

、

b

、

c

——

14

贺丽丽，等：河流弯道角度和流量对河流弯道冲刷影响研究

参考文献：

2021年2月

3

结论

本文通过对不同流量和弯道角度对河道冲刷深

［

1

］高玉荣

.

压缩河道的冲刷计算［

D

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2194-

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］鲁少杰，李群

.

山区公路水毁路基稳定性分析及防治措施

［

J

］（

猿

）：

.

探索科学，

2019106.

97.

度的影响分析，得出以下结论：顺直河段河流冲刷

1

）

深度较小且均匀，河流弯道凹岸冲刷深度较大，而凸

岸冲刷深度较小；河流流量和弯道角度对河道冲刷

2

）

深度有一定的影响，随着流量和弯道角度的增大，顺

直河段和弯道河段的冲刷深度均增大；河流弯道最

3

）

大冲刷深度与流量和弯道角度呈多元乘幂关系。

（上接第6页）

均滤波法递推队列的长度为监测井日监测频次

+1

。经

限幅平均滤波法处理，生产井监测数据能够满足区域

分析需求。

参考文献：

［

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改进型限幅递推平均滤波法在燃

油表中的应用［

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.

科学技术与工程，

2018

，

18:62-67.

5

结论

利用生产井监测地下水动态数据，受抽水干扰等

人为因素影响，数据波动较大，通过对地下水动态过

程分析以及数字滤波法的研究，提出了限幅平均滤波

法，其中，限幅滤波法能够有效去除人为干扰造成的

大幅波动，递推平均滤波法能够很好的抑制周期性的

干扰，保证数据发展的趋势性。

考虑到滤波参数对滤波效果的影响，根据地下水

动态变化特征，进行了滤波参数寻优，限幅滤波法最

优滤波参数在地下水埋深减小，地下水位上升期为

2m

；

在地下水埋深增加，地下水位下降期为

-2.5m

。递推平

壤入渗过程、入渗率曲线、累积入渗量

（上接第9页）

曲线，并把数据导出供学生进一步分析。

参考文献：

［

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农田水利学

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冬小麦不同深

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基于混合遗传算法估计

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非饱和土壤水分运动一维数值模拟研究

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方程参数

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20677-682.

（

08

）：

2018

，

49237-244+209.

1997.

4

结语

本文根据土壤水动力学原理，建立了一维非饱和

土壤入渗模型，采用差分法离散，

MATLABApp

开发了非饱和土壤入

Designer

进行编程和界面设计，

渗试验仿真软件，该软件实现了不同土壤类型、土壤

容重、土壤初始含水率下土壤入渗过程、入渗率动态

变化、累积入渗量动态变化的可视化，为学生全面掌

握土壤入渗特性提供支持。

本文标签： 冲刷弯道河道河流深度