恒流條件下丁壩的水流特征和沖淤形態(tài)分析

張 猛

(安徽省阜陽水文水資源局,安徽 阜陽 236000)

1 概 述

作為河道常用的航道治理建筑物,丁壩能束窄河流,提高水流沖刷能力,防止水急流頂沖河床和堤岸。當丁壩出現(xiàn)水毀時,將嚴重破壞河道環(huán)境。

為此,許多學者進行了相關研究。陳雅飛等[1]對長江上游邊灘作用下的河道最大沖刷深度進行了研究,結果表明,同一灘體的相同部位,當水深等水力因子相同時,沖刷深度隨著試驗流量的增大而增大;在水力條件相同時,灘體的臨水面坡度越大,對應的沖刷深度越大。辛瑋琰等[2]對長江中游界牌河段丁壩周圍水流特性試驗進行了研究,結果表明,壩體中部及下游側是易損區(qū)域,隨著壩頭流速的增大,下潛水流、壩頭渦漩系、單寬流量分別成為影響壩頭損毀的主因。栗銘陽等[3]基于Flow-3D的東安工程樁壩沖刷數(shù)值模擬進行了研究,結果表明,60°、90°入流角度的沖刷深度與實測斷面沖刷深度擬合較好,最大誤差僅為9.4%,模擬結果與實測數(shù)據(jù)基本吻合。張睿等[4]對青草沙水庫北堤丁壩群保灘工程沖刷特性試驗進行了研究,結果表明,丁壩群護岸保灘作用效果良好,在丁壩壩頭近區(qū)局部流速較大,極易造成壩頭局部沖坑深度較大,不利于壩頭穩(wěn)定。楊旭亮等[5]對雙丁壩間流場及局部沖刷的數(shù)值模擬進行了研究,結果表明,當雙丁壩長度相差大于10m時,易形成不均勻的河道流場,不利于河勢控制,當首、次丁壩長度協(xié)調時,沖刷坑尺寸較小,壩間河岸被雙丁壩回流區(qū)掩護,近岸流速較小,河道流場均勻,對丁壩穩(wěn)定、河道治理與河勢控制效果較好。王任超等[6]對潮汐河口丁壩布置對河床沖刷的影響進行了研究,結果表明,當丁壩間距逐漸增大時,壩頭沖刷深度也逐漸增加,主槽內的沖刷分布變得不均勻。

以上文獻針對丁壩的沖刷深度以及丁壩周圍水流特性進行了研究。本文參考上述研究成果,通過模擬河道丁壩水流沖刷試驗,對丁壩的水流特征和沖淤形態(tài)進行分析。

2 研究區(qū)概況

某河河道整體呈S形,汛期時,河水順河道而下,形成急速水流,沖擊S形河道的河床和堤壩,導致河床低陷及堤壩局部坍塌。為了防止水流對河道沖刷侵蝕,避免對生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞,擬在S形河道上游多處修建丁壩,以減小水流對河床的沖刷,同時防止丁壩因水流的沖擊造成水毀現(xiàn)象。根據(jù)河道現(xiàn)有情況設置丁壩,本文進行了丁壩水流沖刷模擬試驗,對丁壩的水流特征和沖淤形態(tài)進行分析。

3 數(shù)值模型建立

3.1 模型驗證

本次試驗在河道治理試驗大廳進行,模型丁壩的設計主要依據(jù)長江上游航道常見的丁壩結構,丁壩斷面為梯形,選用天然石英砂模擬丁壩及其周圍河床。采用流量控制系統(tǒng)對水流流量進行控制,系統(tǒng)包含流量控制模塊和流量測量模塊,可根據(jù)流量反饋來實現(xiàn)水槽流量的閉環(huán)控制。同時,在水槽里設置水位同步測量系統(tǒng),可測量不同關鍵點的水位。

模型驗證水槽長×寬×高分別為36m×2m×1.2m,在試驗水槽中段鋪設9m的動床段,在水槽左側設置丁壩,丁壩距進口15.3m。丁壩壩底長1m、寬0.6m,丁壩高0.12m,迎水坡坡比1:1.8,背水坡坡比1:2.4,壩頭為圓弧形,流水中泥砂粒徑為d50=1.2mm,密度ρ=2.83t/m3,平均流量Q=58L/s。在試驗水槽中,布置縱斷面和橫斷面均為7個,縱斷面和橫斷面的交點為本次試驗的流速和水位測點。丁壩的驗證模型及特征斷面布置見圖1。

3.2 水流特征分析

試驗分別測試丁壩的左側(B)、中部(C)和右側(D)的3條水位線,其計算水位與實測水位對比見圖2。

圖2 丁壩水位特征曲線

由圖2(a)可知,在相同水流流速條件下,經(jīng)過實際測量,當距離丁壩中心軸線左側1m時,水位為109.1mm;當距離丁壩軸線左側0.25m時,水位為108.9mm;當距離丁壩軸線右側0.25m時,水位為90.1mm;當距離丁壩軸線右側2.75m時,水位為88mm。由此可知,由于丁壩的存在,增大了水流的阻力,當水流行至丁壩時,由于丁壩的阻擋,水位較高;當水流繞過丁壩后,水流失去了丁壩的阻擋,水位快速下降,然后逐漸趨于平穩(wěn)。

由圖2(b)可知,在相同水流流速條件下,經(jīng)過實際測量,當距離丁壩中心軸線左側1m時,水位為109.1mm;當距離丁壩軸線左側0.25m時,水位為101.3mm;當距離丁壩軸線右側0.25m時,水位為95.2mm;當距離丁壩軸線右側2.75m時,水位為85.2mm。由此可知,該部位處于丁壩壩頭位置,當水流從上游行至丁壩,受丁壩壩體的阻擋,從壩頭繞過,水流流速呈線性變緩。由于水流的慣性作用,行進的水流與壩后靜止的水流存在流速梯度,產(chǎn)生的切應力帶動靜止的水流流動形成副流,然后在主流的攜帶下往下流流動,此時水位略有上升。隨著水流的持續(xù)流動,水位逐漸趨于平穩(wěn)。

由圖2(c)可知,在相同水流流速條件下,經(jīng)過實際測量,當距離丁壩中心軸線左側1m時,水位為105.3mm;當距離丁壩軸線左側0.25m時,水位為99.8mm;當距離丁壩軸線右側0.25m時,水位為97.2mm;當距離丁壩軸線右側2.75m時,水位為86.6mm。由此可知,水流繞過壩體,水位下降,隨著水流的持續(xù)流動,水位呈線性下降。當流速趨于穩(wěn)定狀態(tài)時,水位趨于平穩(wěn),變化較小。

由圖2可知,試驗測量了丁壩的3條水位線,分析了水流的形態(tài)特征。在相同水流流速條件下,丁壩的存在,增大了水流的阻力;當丁壩阻擋水流時,水位上升;當水流從壩頭繞過,水流流速變緩,水位逐漸降低;當流速趨于穩(wěn)定狀態(tài)時,水位趨于平穩(wěn)。根據(jù)測量數(shù)據(jù),對比水位計算值,可得左側水位線實際測量平均數(shù)據(jù)與計算值偏差為0.8mm;中部水位線偏差為0.6mm;右側水位線偏差為1mm。結果表明,水位最大偏差為1mm,水位線實際測量平均數(shù)據(jù)與計算值基本吻合。

3.3 沖淤變形特征分析

選取丁壩斷面B、斷面C和斷面D進行沖淤變形測試,各斷面的測試數(shù)據(jù)和計算值對比見圖3。其中,正值為淤積;負值為沖刷。

圖3 斷面沖淤特征曲線

由圖3(a)可知,在相同水流流速條件下,經(jīng)過實際測量,當距左岸距離0.2m時,淤積深度為2.19mm;當距左岸距離0.5m時,沖刷深度為11.7mm;當距左岸距離0.7m時,沖刷深度51mm;當距左岸距離1.2m時,沖刷深度為25.1mm;當距左岸距離1.8m時,沖刷深度為12.1mm。由此可知,當水流從上游流近丁壩時,在壩前分為兩部分:一部分壩前受阻形成漩渦水流;一部分繞過壩腳從壩頭往下游。在漩渦水流的作用下,部分泥沙滯留在壩腳,另一部分泥沙在慣性作用下,隨水流向下游運動。當距左岸距離為0.7m時,沖刷距離最大。

由圖3(b)可知,在相同水流流速條件下,經(jīng)過實際測量,當距左岸距離0.2m時,淤積深度為1.42mm;當距左岸距離0.5m時,淤積深度為5.53mm;當距左岸距離0.7m時,沖刷深度為36.9mm;當距左岸距離1.2m時,沖刷深度為34.7mm;當距左岸距離1.8m時,沖刷深度為16.3mm。由此可知,該部位處于丁壩壩頭位置,當水流從上游行至壩頭,壩頭處的泥沙最先起動,因壩頭處的漩渦較小,水流在壩頭處形成淺沖刷帶,隨著水流的持續(xù)運動,壩頭河床的泥沙被水流攜帶至下游,壩頭位置的沖刷坑逐漸形成。靠近右岸的水流流速較小,水流攜沙能力較弱,隨著水流的持續(xù)運動,離左岸越遠,泥沙淤積程度越高。

由圖3(c)可知,在相同水流流速條件下,經(jīng)過實際測量,當距左岸距離0.2m時,淤積深度為23.8mm;當距左岸距離0.5m時,淤積深度為27.1mm;當距左岸距離0.7m時,淤積深度為0.8mm;當距左岸距離1.2m時,淤積深度為16.8mm;當距左岸距離1.7m時,淤積深度為18.8mm。由此可知,當部分水流攜帶著泥沙在水流漩渦的作用下,被帶到丁壩后方,在丁壩后方的負壓區(qū),泥沙沉落形成沖淤地帶,其余泥沙顆粒被帶向下游,隨著離壩軸線越遠,水流流速減小,攜沙能力減弱,泥沙逐漸沉積。而在離左岸1m左右距離,水流流速最大,水流攜沙能力最強,故沖刷深度最大。

由圖3可知,試驗測量了丁壩的3個斷面,分析了水流的沖刷形態(tài)。在相同水流流速條件下,水流從上游流近丁壩時,在漩渦水流的作用下,部分泥沙滯留在壩腳,部分泥沙被水流攜帶至丁壩后方,在丁壩后方的負壓區(qū),泥沙沉落形成沖淤地帶。根據(jù)測量數(shù)據(jù),對比水流沖淤計算值,可得斷面B的沖淤深度,實際測量平均數(shù)據(jù)與計算值偏差為3.6mm;斷面C的沖淤深度偏差為3.2mm;D斷面的沖淤深度偏差為4.8mm。結果表明,各斷面的實測數(shù)據(jù)和計算值的最大偏差保持在4.8mm范圍內,兩種數(shù)據(jù)基本保持一致。

4 結 論

通過模擬河道丁壩水流沖刷試驗,本文對丁壩的水流特征和沖淤形態(tài)進行了分析,結論如下:

1)在相同水流流速條件下,丁壩的存在增大了水流的阻力。當丁壩阻擋水流時,水位上升;當水流從壩頭繞過,水流流速變緩,水位逐漸降低;當流速趨于穩(wěn)定狀態(tài)時,水位趨于平穩(wěn)。根據(jù)測量數(shù)據(jù),對比水位計算值,水位線實際測量平均數(shù)據(jù)與計算值基本吻合,水位最大偏差在1mm范圍內。

2)在相同水流流速條件下,水流從上游流近丁壩時,在漩渦水流的作用下,部分泥沙滯留在壩腳,部分泥沙被水流攜帶至丁壩后方,在丁壩后方的負壓區(qū),泥沙沉落形成沖淤地帶。根據(jù)測量數(shù)據(jù),對比水流沖淤計算值,各斷面的實測數(shù)據(jù)和計算值基本保持一致,其最大偏差保持在4.8mm范圍內。

3)隨著水流持續(xù)運動,離壩軸線越遠,水流流速減小,泥沙沉積越多。在相同水流流速條件下,離壩頭越近,水流流速越快,沖刷深度越大。