透水丁壩在溢洪道泄槽彎道段的應用與優化

趙凱

（遼寧北方環保建設工程有限公司，遼寧鐵嶺112000）

1 工程概況

2 試驗設計

2.1 試驗目的與任務

在試驗過程中，結合水庫的實際情況，建立試驗模型，探究在溢洪道泄槽彎道段設立透水丁壩在改善水流流態方面的效果，并分析位置、角度和條數的具體影響，以獲取最佳設計參數。

2.2 試驗模型

試驗中依據重力相似準則并按照1∶60 的比尺進行試驗模型設計[4]，模型的制作范圍包括溢洪道進水段、泄槽段以及上下游連接段。為了擬合溢洪道混凝土糙率，溢洪道各段均采用有機玻璃制作，誤差不超過1%，其余部分均采用PVC 板材制作，誤差不超過2%[5]。試驗過程中使用刻度尺測量水深，流量則采用寬薄壁量水堰測量，試驗流速采用畢托管測量[6]。透水丁壩采用厚1 cm 的PVC板制成，斷面為長20 cm、高6 cm 的矩形，透水孔為直徑1.4 cm 的對稱分布圓孔。

2.3 試驗方案

此次試驗主要是研究透水丁壩參數對溢洪道泄槽段彎道水流形態的影響，結合溢洪道設計資料，透水丁壩的長度、高度以及透水率參數已經確定。因此，此次研究主要考慮其角度、位置以及數量的具體影響[7]。結合相關文獻和資料，選擇溢洪道泄槽段彎道凸岸1/4，1/2 和3/4 部位，透水丁壩的角度也就是丁壩本身與泄槽段彎道在該點的切線的夾角，選擇45°，60°，75°等3 個數值，丁壩數量為1 個、2 個和3 個。設置無丁壩方案作為其余方案的比較方案[8]。每種試驗方案設置50，80，100，120，150 m3/h 等5 種不同流量。

3 試驗結果與分析

3.1 不同布置角度

利用試驗中獲取的水深數據，計算出彎道水面均勻度，并根據計算結果繪制出如圖1 所示的不同布置角度下的水面均勻度變化曲線。由圖1可知，相對于沒有丁壩設置的工況，在設置透水丁壩的條件下，水面均勻度明顯增大。同時，水面均勻度總體而言會隨著單寬流量的增大而增大。這說明，設置透水丁壩可以對改善水流流態起到明顯的改善作用。而且，在大流量情況下，水面均勻度會隨著布置角度的增大而增大，也就是布置的最佳角度為75°，其次是60°，45°的效果最差。

圖1 不同布置角度下的水面均勻度變化曲線

利用試驗中獲取的水深數據，計算出彎道水面最大橫比降，并根據計算結果繪制出如圖2 所示的不同布置角度下的水面最大橫比降變化曲線。由圖2 可知，透水丁壩布置在彎道1/4 部位時，布置角為60°時的水面最大橫比降最小；其余兩個位置下，布置角為75°時的水面最大橫比降最小，且明顯小于無丁壩設計工況下的水面最大橫比降。綜合上述，透水丁壩在彎道的1/4 位置時，最優布置角度為60°；在彎道的1/2 和3/4 部位時，最優布置角度為75°。

圖2 不同布置角度下的水面最大橫比降變化曲線

3.2 透水丁壩個數

固定最優布置角度不變，設置不同的位置、不同條數透水丁壩，通過模型試驗的方法獲得透水丁壩條數對彎道水面流態的改善情況。為了方便表示，將彎道1/4、1/2 和3/4 部位設置的透水丁壩分別編號為丁壩1、丁壩2、丁壩3。例如，單丁壩2表示在彎道1/2 部位設置1 條透水丁壩；雙丁壩13表示分別在彎道的1/4 和3/4 部位分別設置1 條透水丁壩，共2 條丁壩。

對不同透水丁壩數量工況下的泄槽段彎道水深進行測量，并根據測量數據計算出彎道橫比降的平均減少率。總體而言，彎道橫比降的減少率會隨著丁壩數量的增多而增加，說明丁壩數量越多，改善彎道水面流態的效果越好，特別是設置3條透水丁壩的情況下改善效果最佳。例如，在單寬流量為160 m2/h 的情況下，單丁壩的橫比降平均減少率的最大值為55.63%，雙丁壩的橫比降平均減少率的最大值為58.68%，三丁壩的橫比降平均減少率為64.21%；在單寬流量為240 m2/h 的情況下，單丁壩的橫比降平均減少率的最大值為49.89%，雙丁壩的橫比降平均減少率的最大值為54.23%，三丁壩的橫比降平均減少率為60.21%。

此外，在泄槽彎道段的3/4 部位設置透水丁壩的條件下，無論其他條件如何，泄槽段彎道橫比降平均減少率均表現為大幅提升，這說明彎道3/4 部位設置透水丁壩對改善水面流態具有十分顯著的作用。究其原因，透水丁壩主要通過改變彎道部位的水流流向，將部位凹岸部位的部分水流導向凸岸，從而有效減少兩側的水面高度差。由于彎道1/4 部位剛剛形成彎道環流，因此兩岸水面高度相差不大，因此設置透水丁壩的效果十分有限。而彎道的1/2 和3/4 部位已經充分形成彎道環流，兩岸的水面高度差較大，因此設置透水丁壩可以獲得顯著的效果。

根據試驗數據計算不同工況下的彎道水面均勻度提高率，總體而言，彎道水面均勻度提高率會隨著丁壩數量的增多而增加，說明丁壩數量越多，改善彎道水面流態的效果越好，特別是設置3 條透水丁壩的情況下改善效果最佳。例如，在單寬流量為160 m2/h 的情況下，單丁壩的水面均勻度提高率最大值為11.28%，雙丁壩的水面均勻度提高率最大值為21.04%，三丁壩的橫比降平均減少率為26.29%；在單寬流量為240 m2/h 的情況下，單丁壩的水面均勻度提高率最大值為10.71%，雙丁壩的橫比降平均減少率的最大值為15.34%，三丁壩的橫比降平均減少率為22.53%。此外，在丁壩數量相同的條件下，透水丁壩的布置位置越靠近下游，泄槽段彎道水面均勻度提高率越大，說明改善水面流態的作用越強。

4 結論