淺析水流沖刷對丁壩結構的影響

(重慶交通大學,河海學院　重慶　400047)

一、引言

早在五六十年代初期，國內外已經針對水流沖刷對丁壩結構的影響進行了試驗和理論研究。但是由于丁壩的存在，在其附近的水流都具有其十分強烈的三維特征，一直到了七十年代從理論上合理準確解釋丁壩繞流等一系列問題都不有被很好的解決。從七十年代以后，包括中國在內的世界諸多學者都是運用數(shù)學模型試驗的方法進行研究，張俊華[1]等人對丁壩的繞流機理，對丁壩上下游平面流場以及回流區(qū)長度進行了理論研究；阿爾圖丁[2]，方達憲[3]等人建立了丁壩壩頭床沙起沖流速及最大沖深計算模型，將水流分成被束窄的主流區(qū)和丁壩上下游的兩個回流區(qū)，找到了水流最大收縮斷面；沈波、應強[4,5]等人對沖刷的深度對丁壩的壩頭的研究，才使得一系列沖刷深度的計算公式被總結和提出，并利用紊流理論建立數(shù)學模型將雷諾方程進行封閉，將計算機和數(shù)值方法運用到紊流特征量進行數(shù)值模擬中去，但是上述研究人員僅僅用了數(shù)字模擬進行數(shù)值分析，沒有通過理論公式進行推導，本文通過上述實驗的數(shù)據(jù)，通過總結歸納進行理論公式推導找出水流沖刷對大壩結構穩(wěn)定性的影響。

二、理論推導

(一)試驗方案

根據(jù)高桂景[6]提出的實驗方案，通過西南水運科研所研制的電磁流量系統(tǒng)來進行控制，采用不同的流量，不同的水深，不同的壩長，根據(jù)這三種因素的變化，進行試驗，研究不同流量情況下丁壩的水流流態(tài)，流量分別為Q=25.8l/s、38.7l/s、51l/s，以及H=8cm、10cm、12cm和壩長L=20cm、30cm、50cm。

(二)試驗內容

進行試驗之前要對水槽兩側水面線和上、中(壩軸線)，下三個斷面的流速分布場進行檢測。最后其檢驗結果顯示，位于水槽兩側的水面線基本上是重合的，試驗段和垂線平均流速基本上也是分布均勻的，并且流速有所減小。

本試驗需要觀測的內容有：(1)觀測各種情況下的流速分布，選取不同的斷面，在不同的斷面上選取9個點，運用三點法，在0.2h、0.6h、0.8h測得其平均流速；(2)觀測各種情況下的漩渦運動的情況；(3)觀測各種情況下的壩前雍水情況；(4)觀測各種情況下的水流紊動情況。

圖2.2　觀測斷面及觀測點布置圖

(三)流速分布分析

由試驗數(shù)據(jù)算的流速的分布情況可以得出結論：

(1)流量為控制變量的情況下，在同一斷面上，各點的流速都是隨著流量的增大而增大，而從橫向分布的流速來看，在上游斷面從左岸(丁壩布置在左岸)開始流速增大，在水槽中部附近的流速分布開始趨于平均化；壩軸線斷面以及下游斷面則是從左岸開端到水槽中部附近流速成增大的趨勢，然后流速再略有減小，最終流速分布趨于平均化在靠近右岸的過程中。

(2)壩長為控制變量的情況下，流速在斷面的橫向分布是從左岸起逐步增大，在中部左右達到最大，而后流速稍微減弱，成平均分布的特點。同時壩長L越大，流速增加的越快，靠近右岸局部的各點流速也增加越大。

(3)水深為控制變量的情況下，流速沿著斷面的橫向分布是對于左岸，在丁壩兩側流速均是往水槽中部的過程中成增大趨勢，流速在水槽中部達到最大，隨后稍微減弱，然后成均勻分布的特點。同時發(fā)現(xiàn)流速的增大幅度與控制水深有關。H越小，流速增加越快。H越小，靠近右岸的各個測點流速越大，但在左岸部分各個測點的流速卻越來越小。

(四)丁壩附近的水流流態(tài)分析:

(1)非淹沒丁壩附近的水流流態(tài)

丁壩的設置增大的水流的阻力，當水流流過丁壩時，丁壩的存在對水流進行了阻攔，使得比降慢慢的減少，并且流速也開始降低，在丁壩附近還會出現(xiàn)反比降，在上游也會出現(xiàn)雍水，并且伴隨著角渦的存在。除此之外，水流在往下游的移動過程中，會逐漸歸槽，流速也會增大，局部水面會出現(xiàn)下降，水流在丁壩附近流速在垂直方向也會區(qū)域均勻，繞過丁壩,雖然水槽寬度恢復正常,但是慣性力使得水流進一步收縮,從而會產生一個得動能和流速最大的收縮斷面，使得流線相互平行,接下來水流漸漸恢復到天然狀態(tài)。

(2)淹沒丁壩附近的水流流態(tài)

不同于非淹沒丁壩,丁壩的束水能力下降幅度很大,觀察試驗,在淹沒的水流中,看到壩體將水流分成面流和底流,面流基本保持原水流方向,在壩體附近以及其下游,面流受到底流的影響較小,流向稍微向壩頭方向偏轉。在壩體下部的底流,上游的水繞過壩頭,在壩體下方形成水平軸回流區(qū)。

(五)水流紊動分析

由于丁壩可以擾動水流,并且現(xiàn)象明顯。局部水流可以產生漩渦和分離,水流的分離和旋轉多集中出現(xiàn)在壩頭和壩頂區(qū)域。丁壩附近的三維紊流特性十分強烈,有分離流、旋轉流、曲線剪切層,高紊動強度以及自由表面變化等一系列復雜水流現(xiàn)象。因此研究丁壩附近水流的紊動對于保護丁壩穩(wěn)定,防止水毀有著重要意義。

在高桂景的試驗中，選擇了六種不同的工況，測得脈動數(shù)據(jù)進行分析，選擇的數(shù)據(jù)工況如表2.1所示。

表2.1　抽取的6組工況

利用快速傅立葉變換將瞬時流速的時域分布轉換成頻域分布，這樣就可以將頻域和時域聯(lián)系在一起，利用其優(yōu)勢，在水流脈動信號中提取信息。

通過對這六組工況的瞬時流速數(shù)據(jù)進行快速傅立葉變換，得出結論：低頻時，脈動強度大，能量大，脈動幅度大，水流速度變幅大，對泥沙的起動和沖刷作用也比較大。

在各種工況下，分析相對紊動強度的分布情況得出結論：上游的相對紊流強度較弱，水流相對平緩。壩頭后面相對紊流強度較大。在壩后的回流區(qū)，紊流較弱。

三、壩體及其周圍床面受力分析

由于有丁壩的存在，才導致周圍的水流情況才變的復雜，在紊動的過程中，對任一作用面上的各個點的脈動壓強值的總和稱為脈動壓力。收漩渦和水面的波動的影響，丁壩壩體周圍產生脈動壓力。脈動壓力能夠大大加強瞬時水壓力，使得壩頭沖刷和破壞。因此弄清壩體受力的空間分布情況以及其影響因素，對于防止丁壩水毀，優(yōu)化丁壩設計有著十分重要的意義。

通過丁壩壩體及其周圍床面的壓力試驗，我們可以得出結論：

(1)床面受力與流量之間的關系：隨著流量的增大，其水流的紊動會隨之增加，同時其脈動壓力也隨之增加。在整個測壓區(qū)，脈動壓力的數(shù)值都是增大的，其強脈動帶的分布范圍也是越來越大的。

(2)床面受力和壩長的關系：隨著壩長的縮短，其阻水能力也隨之減弱，水的流速也隨之變緩，其壩后的壓力脈動的數(shù)值也減少，強壓力的脈動帶也會向左岸靠近。

(3)床面受力和水深的關系：在水深低于丁壩的高度時，中間強紊動帶等值線十分稠密，同時脈動壓力也較強，向兩邊遞減。同時隨著水深的增加，脈動壓力強度也隨著減弱。當水深高于丁壩的時候，壓力脈動的最強區(qū)域不再出現(xiàn)在中間，而是向左岸偏移，在壩頭后面的區(qū)域。

四、總結及展望

通過以上的分析和總結，我們可以看到丁壩的作用是十分重要的。但是丁壩的產生會改變水流的形態(tài)，水流的形態(tài)的改變所產生的效力會作用在丁壩以及其邊坡，對丁壩的穩(wěn)定有十分緊密的影響。水流形態(tài)的變化會造成丁壩水毀，防止丁壩水毀是我們當下需要解決的問題，通過前人的試驗和總結我們得到了丁壩的不同位置的受力規(guī)律以及水流紊動的規(guī)律，使得我們在修建丁壩以及丁壩的穩(wěn)定性維護的時候有充足的依據(jù)。

但是在前人總結得到的理論和規(guī)律中，均是以試驗得到的數(shù)據(jù)，不是真實狀態(tài)下進行模擬，忽略了風力對水流其影響，溫度對水流的影響，并且水流自身也是隨時變化的，不是恒定流，水質的不同會導致水的密度不同，從而造成水流總用力之間的變化，因此試驗應該進一步得到完善，結論還有待完善和推敲。

因此我認為在以后的試驗中，應該加入自然因素，讓試驗盡可能的接近于自然條件，增加風扇來模擬有風的狀態(tài)，水質可以略微加工，模型也可以進行改造，同時增設不同溫度下的試驗，這樣的話，使得試驗數(shù)據(jù)更加合理，得到的結論和規(guī)律也適用更廣泛。