弯道环流原理,又称弯道环流水沙分流原理。
由实际观察可知,在天然河道上,一般弯道部分占80%~90%,所以河道基本上都是弯曲的。河流在直线河段上的水深、流速、含沙量的分布是比较均匀的。而在弯道上相反,因离心力的作用,使凹岸水面雍高凸岸水面降低。河流的流速分布是表层大,底层小。因离心力的大小与水流流速的二次方成正比,故离心力的分布也是表层大底层小。由于水面差而产生的侧压力沿水深为一常数,其方向和离心力相反。这两种作用力合力的方向,就是水流运动的方向。这样弯道表层水流由凸岸流向凹岸,底层水流则有由凹岸流向凸岸,从而形成横向环流。和纵向流动叠加后,整个水流则呈螺旋状前进。在凹岸,水流从上向下,且流速较大,含沙量较小,因受重力的作用,底流中的泥沙便淤积在凸岸,形成水浅流缓的浅滩。如果凹岸不坚固,还会出现弯道不断向下游移动的现象。
根据弯道环流水沙分流原理,若将取水口布置在凹岸适宜的位置,则可引取表层较清的水流,而含有大量推移质的底流则运离取水口,流向凸岸,使入渠泥沙大大减少。这对于防止泥沙入渠是十分有利的。相反,若取水口设在凸岸,则将引进大量泥沙。
原理
弯道水流内部的旋转运动,在横断面上的投影呈环形,与主流叠加在一起呈螺旋式向前运动。弯道中可能只有一个大的环流,也可能有大小不同的几个环流,环流可以占据整个河道横断面,也可能只占据河道横断面的一部分。
水流作曲线运动时必然产生离心力。在离心力的作用下,弯道凹岸水面升高、凸岸水面降低,形成水面横比降。离心力的大小与纵向流速的平方成正比,纵向流速沿水深分布是不均匀的,水面大,河底小,因此离心力沿水深分布也是上大下小。而由水面横比降所引起的横向压差则沿水深不变,二者合成后,上层水体所受的力指向凹岸,下层水体所受的力指向凸岸,从而使上层水体向凹岸流动,下层水体向凸岸流动,形成了环流(见图)。弯道环流的流速大小与纵向平均流速、河道弯曲半径和水深等因素有关。
变化
沿水深各处环流的强度是不同的,水面和靠近河底处环流强度较大,水流中部附近环流速度等于零。环流强度沿程也是变化的。在同一横断面上不同部位环流的强度也不同。
流量变化时,环流情况也有变化。在弯道进口处,中枯水期虽然水深和流速较小,但因弯曲半径小,其环流较洪水时强。在顶冲点附近,洪水期有较大的水深和流速,其环流较中枯水期强。
弯道环流是弯道水流的主要特征,它是引起泥沙横向搬运的主要动力,是促使弯道凹岸冲刷和凸岸淤积变形的主要原因。