不同形式丁壩對泥沙擴(kuò)散試驗(yàn)研究

陳聰聰

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

丁壩是長江航道整治中最常見的壩體類整治建筑物，其主要功能為保護(hù)河巖不受來流直接沖蝕而產(chǎn)生掏刷破壞以及改善航道、維護(hù)河相以及保全水生生息場多樣化，同時(shí)對水體中的泥沙輸移有著重大影響。航道中的丁壩可以有效截留泥沙，防止吸附重金屬離子的懸移質(zhì)繼續(xù)擴(kuò)散，改善丁壩下游的水體環(huán)境。Uijttewaal[1]通過物理模型試驗(yàn)得出了對于丁壩設(shè)計(jì)所改變的細(xì)微變化可以對河床的形態(tài)變化、水流之間的相互作用以及泥沙輸移等都會產(chǎn)生復(fù)雜影響，對于綜合考慮河流系統(tǒng)在生態(tài)、航運(yùn)及防洪方面的優(yōu)化有很大意義；黃歲梁[2]等研究得出對于同等水體條件，泥沙粒徑越小，其比表面積越大，對重金屬污染物的吸附能力就越強(qiáng)。長江的重金屬污染多來自化工廠和人們?nèi)粘５奈鬯欧牛礊辄c(diǎn)源排放。本文研究航道整治中最常見的普通實(shí)體丁壩及課題組提出已獲國家專利的新形丁壩對泥沙擴(kuò)散的影響，所得結(jié)果對選取壩體曲線和空隙尺寸以及更好發(fā)揮丁壩在航道整治的作用，具有一定的參考價(jià)值。

1 物理模型試驗(yàn)

1.1 模型丁壩設(shè)計(jì)

1)常規(guī)丁壩的設(shè)計(jì)

搜集長江中游航道整治工程中丁壩尺寸和特征值，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工程中丁壩的尺寸和特征值，結(jié)合模型比尺，確定模型試驗(yàn)丁壩尺寸和特征值。以護(hù)岸固灘為目的的丁壩，一般都是長度和河寬比小于0.33的正挑短丁壩，壩高取6 m，壩寬3 m，壩頭頂部直徑為3 m的半圓，丁壩迎水坡坡度為1:1.5，背水坡坡度為1:2；沿壩軸線向河坡坡比為1：3。結(jié)合模型比尺，物理模型丁壩壩長為125 cm，壩寬為60 cm，壩高為15 cm，壩頭為半徑30 cm的半圓(如圖1所示)。

a 丁壩平面示意

b 丁壩橫斷面示意

2)新形丁壩的設(shè)計(jì)

借鑒水利工程中溢流堰溢流面具有水流平順、不產(chǎn)生不利的負(fù)壓和空蝕破壞、形體簡單、造價(jià)低、便于施工等特點(diǎn)，丁壩背水坡曲線由頂部曲線段、中間直線段和返弧段組成，丁壩迎水坡曲線由頂部曲線段和返弧段組成。頂部曲線段基于WES曲線進(jìn)一步優(yōu)化得到，返弧段為圓弧曲線，中間直線段與頂部曲線段和下部返弧段相切。丁壩迎水坡坡度為1：1.3，背水坡坡度為1：3.5。丁壩壩體由壩根、壩身和壩頭三部分組成。該新型透水丁壩為可拼裝結(jié)構(gòu)。壩根由混凝土構(gòu)件拼接而成。

壩身設(shè)計(jì)需保持合適的透水率，實(shí)現(xiàn)對水流有導(dǎo)有透，壩身由混凝土透水構(gòu)件拼接而成，透水構(gòu)件為在混凝土構(gòu)件上剖出一個拱洞，拱洞剖面由半圓和矩形組成。其大小分別為2 cm和3 cm，根據(jù)丁壩透水構(gòu)件的孔洞面積與實(shí)體丁壩構(gòu)件表面積之比確定丁壩孔隙率，對應(yīng)孔隙率分別為8%和16%(如圖2所示)。

a 混凝土構(gòu)件示意

c 丁壩實(shí)體示意

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心長30 m、寬3 m的矩形水槽中進(jìn)行，采用概化定床模型，模型比尺為1：40，槽底比降為0.05%，水面比降通過尾門控制調(diào)節(jié)。通過流量計(jì)查看流量的實(shí)際大小，然后使用手動閥門控制水槽的流量變化。使用ASM-IV測量水體中的懸沙濃度(有多個通道，96通道距槽底3 cm，以此類推)，使用水位測針讀取丁壩周圍的水深。采用流量為142 m3/s，水深控制為18.5 cm。長江中的懸移質(zhì)泥沙多為小粒徑泥沙，所以試驗(yàn)選用粒徑在0.007 5 mm以下的模型沙模擬航道中的懸移質(zhì)，每次實(shí)驗(yàn)向水槽中勻速倒入1 L濃度為200 g/L 的模型沙懸濁液。因每次測量僅能在一個測點(diǎn)位置進(jìn)行，所以此位置測量完成后，需將水槽淤積的泥沙打掃干凈，才可進(jìn)行下次實(shí)驗(yàn)觀測，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。投放點(diǎn)位置以及濃度測量點(diǎn)的位置如圖3所示。通過組合不同結(jié)構(gòu)形式丁壩和不同流量水流條件進(jìn)行了35組工況實(shí)驗(yàn)。

將ASM-IV放置水中測量懸沙的濃度，由于其豎向有多個感應(yīng)器，即同一時(shí)刻可測量多組數(shù)據(jù)，求出同一時(shí)刻所有水中傳感器所測量數(shù)據(jù)的期望值，將期望值作為此時(shí)刻該測點(diǎn)的平面平均濃度。

圖3 實(shí)驗(yàn)布置示意(單位：cm)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 丁壩對污染物擴(kuò)散的影響

選取普通實(shí)體丁壩、流量為142 m3/s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量8#斷面(壩前斷面)和主流線縱向各測點(diǎn)濃度。繪制8#斷面各測點(diǎn)濃度隨時(shí)間的變化(如圖4～5所示)，將各測點(diǎn)最大濃度與泥沙到來前(濃度突然增加前)平均濃度之差作為此測點(diǎn)最大濃度差，繪制各測點(diǎn)最大濃度差與測點(diǎn)距左岸距離關(guān)系(見圖6)。同理，繪制縱向各測點(diǎn)最大濃度差與丁壩中軸線距離關(guān)系(見圖7)。

分析圖6可知，距離左岸最近測點(diǎn)的最大濃度差最大，隨著與左岸距離的增大，最大濃度差逐漸變小，2號測點(diǎn)為8#斷面所有測點(diǎn)中最大濃度差最小的一個，當(dāng)測點(diǎn)越來越靠近主流線時(shí)，最大濃度差越來越大。丁壩放置水槽中，與無丁壩水槽最直接的差別是使水體發(fā)生分流，形成明顯的壩前回水區(qū)，距左岸越近的區(qū)域流速越小，靠近主流線的區(qū)域越大。在左岸投放點(diǎn)投放泥沙之后，受壩前回水區(qū)的影響，流速較大的水體會攜帶一部分泥沙匯聚于主流線上，所以主流線上測點(diǎn)的泥沙濃度大于主流線之外的測點(diǎn)；另外一部分泥沙進(jìn)入回流區(qū)之后，越靠近丁壩的區(qū)域流速越小，而且距離左岸更近的區(qū)域分流越少，所以泥沙聚集于左岸的回流區(qū)，造成1號測點(diǎn)最大濃度差為8#斷面最大的結(jié)果；測點(diǎn)2雖然位于壩前回流區(qū)，但其上游區(qū)域分流較多，絕大多數(shù)泥沙都隨水流匯聚于主流線上，所以最大濃度差最小，且向主流線的橫向方向最大濃度差逐漸增大。

圖4 8#斷面1號測點(diǎn)平均濃度示意

圖5 8#斷面3號測點(diǎn)平均濃度示意

圖6 8#斷面最大濃度差與左岸距離關(guān)系示意

分析圖7可知，受壩前回流區(qū)影響，主流線上于壩頭位置泥沙聚集的最多，所以壩頭位置的測點(diǎn)泥沙最大濃度差最大。水流經(jīng)過壩頭，受壩頭影響，會產(chǎn)生向壩后回流區(qū)的漩渦，水體將泥沙帶入壩后回水區(qū)，所以下游方向距丁壩中軸線越遠(yuǎn)的區(qū)域最大濃度差越小。

圖7 縱向最大濃度差與丁壩中軸線距離關(guān)系示意

2.2 不同剖面丁壩對擴(kuò)散影響的差異分析

為了驗(yàn)證新形實(shí)體丁壩和普通丁壩對泥沙截留作用的區(qū)別，選取普通實(shí)體丁壩和新形丁壩，分別在流量為156 m3/s的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由2.1可知，壩前斷面2號測點(diǎn)與其他測點(diǎn)的差異最大，繪制出2種丁壩8#斷面2號測點(diǎn)平面平均濃度變化進(jìn)行比較分析(見圖8～9)。

圖8 普通丁壩8#斷面2號測點(diǎn)平均濃度示意

圖9 新型實(shí)體丁壩8#斷面2號測點(diǎn)平均濃度示意

分析圖8～9得知，對于同樣的工況及測點(diǎn)而言，當(dāng)上游泥沙隨水流經(jīng)過2種丁壩時(shí)，泥沙濃度都會突然增大，經(jīng)過一段時(shí)間后，泥沙隨水流漫過丁壩向下游流去，2種丁壩同測點(diǎn)的濃度會慢慢變小，最后趨于穩(wěn)定，但此時(shí)的泥沙濃度均大于泥沙經(jīng)過丁壩之前的濃度。相比于普通丁壩，新形實(shí)體丁壩8#斷面2號測點(diǎn)泥沙濃度變化較大且泥沙停留時(shí)間要長，因?yàn)榍嫘推拭娑蔚淖杷饔帽戎本€型剖面丁壩更強(qiáng)，使得新型實(shí)體丁壩壩前流速小于普通丁壩，泥沙于此測點(diǎn)停留的時(shí)間更長。

2.3 不同空隙尺寸丁壩對擴(kuò)散影響的差異分析

選取空隙尺寸為2 cm和3 cm的新形丁壩，分別在流量為142 m3/s的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)中的丁壩具有一定尺寸的空隙，所以泥沙不僅可隨水流漫壩，也可通過丁壩的空隙穿過丁壩。測量2種工況的8#斷面2號測點(diǎn)和9#斷面的2號測點(diǎn)，分析2種不同孔隙率丁壩壩前和壩后泥沙濃度的差異(見圖10～13)。

分析圖10和圖12，2 cm空隙尺寸新形丁壩與3 cm新形丁壩相比,壩后濃度持續(xù)時(shí)間較短，泥沙濃度峰值高于3 cm新形丁壩。分析圖11和圖13，不同空隙尺寸的新形丁壩的壩前平均濃度增加的時(shí)間都接近相等，但隨著空隙尺寸的增加，壩前濃度的增幅越來越大，2 cm新形丁壩和3 cm新形丁壩的壩前泥沙濃度在泥沙到來之前與泥沙完全經(jīng)過測點(diǎn)之后未存在明顯差距。由于較小的空隙尺寸會造成壩前回流區(qū)的流速過小，回流區(qū)流向主流線的泥沙也過多，所以空隙尺寸越小的丁壩壩前泥沙增幅越小。對于壩后回流區(qū)，空隙尺寸越大的丁壩，因壩頭產(chǎn)生的漩渦所被帶到壩后回流區(qū)的泥沙越多，通過這種途徑到達(dá)9#斷面2號測點(diǎn)的泥沙晚于直接漫壩或者通過孔洞到達(dá)9#斷面2號測點(diǎn)的泥沙，所以其泥沙持續(xù)的時(shí)間越長。

圖10 2 cm丁壩9#2號測點(diǎn)平均濃度示意

圖11 2 cm丁壩8#2號測點(diǎn)平均濃度示意

圖12 3 cm新形丁壩9#2號測點(diǎn)平均濃度示意

圖13 3 cm新形丁壩8#2號測點(diǎn)平均濃度示意

3 結(jié)語

通過水槽模型試驗(yàn)，分析研究了不同流量條件下，不同結(jié)構(gòu)形式丁壩對泥沙擴(kuò)散的影響，主要結(jié)論如下：

1)丁壩通過形成回流區(qū)來影響泥沙的擴(kuò)散，對于上游來沙，橫向來看，越靠近左岸和主流線的區(qū)域泥沙濃度變化最大，壩體中部的泥沙濃度變化最小；縱向來看，主流線在壩頭附近的泥沙濃度變化最大，上下游主流線泥沙變化濃度較小。

2)同一流量情況，新形實(shí)體丁壩較之普通丁壩的壩前泥沙停留時(shí)間更長。新形丁壩的透水性越大，壩前泥沙濃度增幅越大，壩后泥沙濃度的增幅越小且泥沙濃度保持增長的時(shí)間越長，不同空隙尺寸丁壩的壩前泥沙持續(xù)時(shí)間無明顯差異。