丁壩沖刷模式與水流形態分析研究

韓夢君

(新疆維吾爾自治區塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

在河岸上修建丁壩可以減少河岸侵蝕，防止河流橫向遷移，改善河道通航條件，將水流引向河流進水口，恢復或改善河流中的水生生物[1- 3]。與此同時，在河岸上修建丁壩會導致局部流速和河床剪應力增加，以及結構周圍出現馬蹄渦[4- 5]，導致丁壩頂端形成沖刷坑，沖刷坑的發育會導致丁壩的破壞[6]。

目前，已有大量學者對沿直河和曲流河的丁壩進行了大量研究。孫志林等[7]研究了矩形丁壩周圍的河床地形特征和最大沖刷深度。施如學[8]采用三維數值模型模擬矩形丁壩周圍的水流，計算了矩形丁壩附近的流態和剪應力。寧健等[9]采用室內試驗和數值模擬相結合的方法，研究了不透水丁壩和透水丁壩的局部流態和河床變形特征。王丹[10]通過測量具有固定沖刷床的模型丁壩附近的三維流速，研究了沉積物平均粒度和粒度分布對不透水矩形丁壩周圍河床地形的影響。以上研究對象均為矩形丁壩，缺乏對三角形丁壩的研究，三角形丁壩可有效控制沖刷坑的形成。這是因為三角形丁壩可降低橫截面積減小和水位升高的風險，有助于防止河流拐彎處水位突然上升等變化。

本文主要目的是研究三角形丁壩周圍的沖刷和沉積模式，并與矩形丁壩進行比較。同時測量了三角形丁壩和矩形丁壩周圍的三維速度分量，并對各自的水流形態進行檢查和比較，從而更加深入地了解三角形丁壩設計參數等相關問題。

1 試驗裝置

試驗在矩形直水槽中進行，以研究三角形丁壩和矩形丁壩周圍的沖刷和沉積模式。水槽側壁為有機玻璃，厚度為0.01m，水槽寬度為0.56m，長度為7.3m。水槽端部安裝有滑動閘門以調整水流深度。水槽出口進入一個混凝土水池，水池末端安裝了一個53°三角形堰，用于測量流速。該水槽的平面圖如圖1(a)所示。

圖1 試驗裝置

為了確定三角形丁壩和矩形丁壩周圍的沖刷和沉積模式，本文將這些結構分4組安裝在水槽壁上，垂直于水槽壁(垂直于水流)。試驗中所有丁壩采用非淹沒矩形丁壩，其有效長度為水槽寬度的20%(Le=0.112m)，丁壩間距為有效長度的3倍(Sl=0.336m)。三角形丁壩在水槽壁和水槽床之間傾斜，水槽壁上的頂部與水面處于同一水平面。在弗勞德數(Fr)分別為0.176、0.196、0.216和0.235(恒定深度為0.15m)時，分別施加0.018、0.020、0.022和0.024m3/s的流量。試驗在清水中進行，試驗持續時間恒定為150min，以便比較三角形丁壩和矩形丁壩周圍河床地形變化。在每次試驗結束排空床層后，使用激光測距儀(精度為0.001m)測量床層地形。

為了研究單個三角形丁壩周圍的流動模式，并將其與單個矩形丁壩周圍的流動模式進行比較，本文使用了一個長10m、寬0.8m的矩形直水槽。在這些試驗中，單個三角形丁壩和矩形丁壩的有效長度為水槽寬度的20%(Le=0.16m)，丁壩與水槽壁呈90°角(圖1(b)和1(c))。所有試驗均采用電磁測速儀測量三維速度分量。為了消除水流中移動的沉積顆粒造成的干擾，2種試驗使用的水槽床均無沉積物(即剛性水槽床)。在恒定水深為0.15m、流量為0.025m3/s和Fr為0.171的條件下，適當測量三維速度分量。

在單個矩形丁壩上進行的試驗中，在以下橫截面處測量了三維速度分量：0.20、0.50、0.60、0.65、0.70、0.72、0.75、0.78、0.81、0.85、0.90、1、1.10、1.30、1.70、1.90和2.50m。單個矩形丁壩安裝在橫截面0.72m處。在每個截面上，在距離壁面水槽的以下距離選取至少15條垂直線：0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70和0.75m。每條垂線上的三維速度分量分別在水槽床上方0.03、0.07、0.11和0.14m處測量?？偟膩碚f，每個橫截面至少獲取了60個速度讀數。鑒于每個橫截面的連續讀數點之間的水平距離為0.05m，而距離結構較近的橫截面則選取0.025m的間距。因此，在靠近丁壩的橫截面上進行了60多次讀數。在單個三角形丁壩的試驗中，分別在0、0.20、0.40、0.50、0.60、0.65、0.70、0.75、0.78、0.85、0.90、1、1.10、1.30、1.50、1.70、1.90、2.20和2.50m的橫截面處測量三維速度分量。單個三角形丁壩安裝在橫截面0.72m處。與單個矩形壩的試驗類似，在每個截面上至少考慮15條垂直線(間距=0.05m)測量三維速度分量。同樣，對于位于靠近結構的橫截面處的垂直線，選擇0.025m的間距。此外，在每個橫截面上，在水槽床上方0.03、0.07、0.11和0.14m的4個點處測量每條垂直線上的三維速度分量。

2 結果與討論

2.1 沖刷和沉積

2.1.1三角形和矩形丁壩周圍的沖刷和沉積模式

在Fr=0.235時所研究矩形丁壩和三角形丁壩周圍的沖刷和沉積模式，如圖2所示。

圖2 在Fr=0.235處獲得的矩形丁壩和三角形丁壩周圍的沖刷和沉積模式(高程單位：cm)

不同弗勞德數下矩形丁壩周圍的沖刷和沉積模式研究結果表明，無論Fr值如何，在第一個丁壩周圍都形成了沖刷坑，且該坑的最大深度出現在結構頂端。隨著Fr的增大，該沖刷坑在第一個丁壩上游和下游部分的沖刷坑縱向和橫向擴大。第一個丁壩上游和下游沖刷坑的橫向延伸持續到水槽壁。增大Fr會增加沖刷坑深度。最大沖刷深度出現在Fr=0.235處。在第二、第三和第四個丁壩周圍，Fr=0.176處未觀察到沖刷坑。在Fr=0.196時，第三個丁壩頂端出現了一個小沖刷坑。該沖刷坑在Fr=0.216處擴大，在第三個丁壩的上游延伸直至水槽壁，尺寸和深度在Fr=0.235時增加。另一個小沖刷坑出現在第四個丁壩頂端。在所有弗勞德數下，第一個丁壩周圍形成的沖刷坑大于其他丁壩。第一個矩形丁壩周圍形成的沖刷坑產生的沉積物沉積在該丁壩下游，尤其是第二個丁壩周圍。沉積物的體積與第一個丁壩頂端的沖刷速率成正比。

不同弗勞德數下三角形丁壩周圍的沖刷和沉積模式研究結果表明，第一個三角形丁壩周圍形成了沖刷坑，其最大深度出現在結構上游的丁壩頂端附近。與矩形丁壩不同的是，三角形丁壩周圍形成的沖刷坑是不對稱的即沖刷坑的大部分位于結構上游，靠近頂端。在這種情況下，在結構的背面(頂端和水槽壁之間)未發現沖刷跡象。Fr增大，沖刷坑的尺寸和深度增加了。最大沖刷深度在Fr=0.235時達到。在Fr=0.196、0.216和0.235處，第一個三角形丁壩上游的沖刷坑不斷延伸直至水槽壁。在Fr=0.176和Fr=1.196時，在第二、第三和第四個丁壩周圍未觀察到沖刷。在Fr=0.216和0.235時，沖刷主要發生在第三和第四個丁壩的頂端，后者的沖刷更嚴重。第一個丁壩周圍形成的沖刷坑也大于其他丁壩。

對比矩形丁壩和三角形丁壩的沉積模式，發現后者周圍沖刷產生的沉積物縱向沉積在水槽壁附近，前者的沉積物主要沉積在第二個丁壩頂端或其周圍?？v向沉積下來的沉積物將填滿侵蝕孔，并沿河流(特別是沿曲流外岸)形成新的河岸。

2.1.2最大沖刷深度

如上所述，在三角形丁壩和矩形丁壩上進行的所有試驗中最大沖刷深度發生在上游第一個丁壩周圍的沖刷坑處。不同試驗中獲得的橫向最大沖刷剖面如圖3所示。圖3中，縱軸和橫軸分別表示不同點處獲得的無量綱河床水平(Z/h)和距水槽壁的無量綱距離(Y/B)。

圖3 不同試驗獲得的最大沖刷深度橫向剖面圖

不同試驗獲得的最大沖刷深度的變化如圖4所示。圖4中，縱軸和橫軸分別表示無量綱比ds/h(最大沖刷深度與流動深度)和弗勞德數Fr。三角形丁壩的最大沖刷深度小于矩形丁壩。原因可歸結為：①在三角形丁壩中，與水流接觸的表面積小于矩形丁壩。因此，水流對三角形丁壩的影響較小，削弱了結構周圍形成的渦流。②三角形丁壩附近的流速增加幅度小于矩形壩，從而導致河床剪切應力減小。

圖4 不同試驗獲得的無量綱最大沖刷深度隨弗勞德數的變化

2.1.3沖刷坑體積

不同試驗中獲得的沖刷坑體積隨弗勞德數的變化如圖5所示。

圖5中縱軸表示沖刷坑體積與水流深度3次方的無量綱比(V/h3)。可以觀察到，三角形丁壩的沖刷坑體積小于矩形丁壩，這可能由于三角形丁壩的表面積較小，受水流沖擊較弱，且丁壩附近的流速較低。計算得出，在Fr=0.176、0.196、0.216和0.235時，三角形丁壩沖刷坑體積分別比矩形丁壩減少80.6%、82%、61.5%和54.2%。本研究中不同試驗的結果見表1。

圖5 不同試驗中獲得的無量綱沖刷坑體積隨弗勞德數的變化

表1 本研究中不同試驗的結果

由表1可知，沖刷坑體積隨著Fr的增加而增加。最小和最大沖刷坑體積分別在Fr=0.176和0.235時得到。

表格的最后一列顯示了三角形丁壩相對于矩形丁壩的最大沖刷深度的減少百分比(SDI)，計算公式如下：

SDI=(Δds/ds矩形丁壩)×100

式中，ds矩形丁壩—矩形丁壩中的最大沖刷深度；Δds—三角形丁壩和矩形丁壩最大沖刷深度之差。

2.1.4沉積物沉積

三角形丁壩沖刷產生的沉積物大多縱向沉積在水槽壁附近，而矩形丁壩中大多數沉積物沉積在頂端以及下游結構周圍。且矩形丁壩的沉積物橫向發育程度大于三角形丁壩。根據丁壩周圍的流動模式，河床和懸移質沉積可能發生在丁壩下游(形成點壩)，這對河岸穩定和開發新河岸具有優勢。水流水力參數以及結構幾何參數的變化會影響點壩的尺寸、其與河岸的距離以及點壩在河道上的分布。因此，有必要研究三角形丁壩和矩形丁壩形成的沉積作用，以及影響其的因素。

不同試驗中最大沉降高度與水槽壁之間的距離變化如圖6所示。

圖6 不同試驗中最大沉降高度與水槽壁的距離變化

圖6中，縱軸為無量綱距離比，橫軸為弗勞德數。由圖6可知，與三角形丁壩相比，矩形丁壩中的最大沉降高度發生在距水槽壁更遠的位置，這說明三角形丁壩具有填補河岸侵蝕孔以及創建新河岸的能力，特別是在曲流外岸。在Fr=0.176、0.196、0.216和0.235處，三角形丁壩的最大沉降高度和水槽壁之間的距離分別比相應的矩形丁壩減少了20%、46.7%、60%和100%。隨著Fr的增加，最大沉降高度發生在更靠近水槽壁的位置。因此，在Fr=0.176和0.235時分別觀察到最大和最小距離。

在不同試驗中獲得的最大沉降高度隨弗勞德數的變化如圖7所示。

圖7 不同試驗中獲得的無量綱最大沉降高度隨弗勞德數的變化

在圖7中，縱軸表示無量綱比率hs/h(最大沉降高度與流動深度)。結果表明，三角形丁壩的最大沉積高度小于矩形丁壩，這是由于三角形丁壩的沖刷有限，因而侵蝕沉積物有限。在Fr=0.176、0.196、0.216和0.235時，三角形丁壩的最大沉降高度與相應矩形丁壩相比降低了70%、62%、49.3%和41%。在2種丁壩類型中，增加Fr會導致最大沉降高度相應增加。因此，最小和最大的沉降高度分別發生在Fr=0.176和0.235處。

2.2 流動模式

采用垂直于水流構造的單一結構，研究三角形丁壩和矩形丁壩周圍形成的流動模式。本文在流量為0.025m3/s和水深為0.15m的情況下，測量了不同截面下的三維速度分量。

結果發現，在矩形丁壩中，距河床0.03和0.14m處的平均流速分別增加了70.3%和84.3%。在三角形丁壩中，距河床相同距離處的平均流速分別增加了15.14%和29.11%。這是因為矩形丁壩僅從頂端引導整個水流從河岸流向河道中部，導致產生了更大的流速，床層剪應力也增加。而三角形的丁壩從上方和頂端引導水流從堤岸向河道中部偏轉。因此，與三角形丁壩相比，矩形丁壩附近更容易發生河床侵蝕。

試驗時發現在三角形丁壩下游距床層0.03m處有逆流。這些逆流沿著有效長度3倍的最大距離延伸(3Le)。由于逆流與主流的對抗，在三角形丁壩下游(回流區)形成了一個水平旋渦(相對于垂直軸)，從而降低了河岸、上游和下游的流速。該渦流的下游范圍是三角形丁壩有效長度的5.5倍(5.5Le)。

目前，還沒有確定三角形丁壩設計參數(如距離、有效長度等)的通用標準。下游水平渦流的延伸可作為選擇三角形丁壩之間適當間距的標準。

3 結論

本文對三角形丁壩和矩形丁壩周圍的沖刷和沉積模式進行了研究和適當比較，探究了單個矩形丁壩和單個三角形丁壩周圍的三維流動模式。得出以下結論。

(1)三角形丁壩和矩形丁壩都會將接近的上游水流轉向河道中部。

(2)三角形丁壩的沖刷坑體積和最大沖刷深度均小于矩形丁壩。三角形丁壩沖刷形成的沉積物縱向沉積在水槽壁附近，而矩形丁壩中的沉積物主要發生在尖端和下游結構周圍。

(3)下游水平渦流的延伸可作為選擇三角形丁壩之間適當間距的標準，此結論可為確定三角形丁壩設計參數的通用標準提供依據。