丁壩對彎道水流特性影響分析

郭相軍，胡方方，郭海洋

（1.安陽市河道事務中心，河南 安陽 455000；2.安陽綠捷能源服務有限公司，河南 安陽 455000）

1 引言

丁壩是使用廣泛的河道建筑物，丁壩的建設對改善彎道水流有重要意義，如何改善彎道急流，防止水流對河岸的侵蝕沖刷，學者們進行了多方面研究。安鵬等研究了間距對錯口插板透水丁壩緩流效果的影響，研究結果表明：當間距為5 倍有效壩長時，上游插板透水丁壩壩后流速、水位及河床切應力均趨于穩定；章瑜對不同形狀丁壩河床特性試驗進行了研究，研究結果表明：充分利用透水和不透水的丁壩水流模式和河床變化趨勢，可實現較為理想的水流模式和河床變化形態；胡志毅進行了丁壩挑角對周圍流場影響的三維數值模擬的研究，研究結果表明：在相同條件下,丁壩附近的平均流速隨著水深增大而減小，且不同條件下的速度分布規律基本一致；

以上學者研究了丁壩對水流流場的特征，總結了回流區流動特性。參考以上學者的研究結論，通過彎道水流模擬試驗，分析丁壩長度對水流特性的影響。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

此次彎道水流模擬試驗在高精度可變坡彎道水槽中進行，該試驗水槽由矩型玻璃制成，上游直水槽長度為18 m，中間彎道為180°半圓，彎道中心點到水槽半徑為2.10 m，水槽的水流斷面尺寸為0.90 m×0.90 m，下游直水槽長度為18 m，水槽的坡度調節范圍為0%～1.5%，如圖1 所示。水槽沿程分布有無線超聲波水位測量儀，水位測量儀的精度為0.10 mm，整套水流測控硬件由水槽控制系統控制。

圖1 可變坡彎道水槽圖

圖2 丁壩放置位置圖

試驗設置了兩種規格的丁壩，規格分別為18 cm×30 cm×3 cm（長×高×厚）和7 cm×30 cm×3 cm（長×高×厚），丁壩模型采用普通玻璃制作。將丁壩放置于彎道處緊貼水槽壁左岸。以水流方向為基準，水流方向左邊水槽壁面為左岸，水流方向右邊水槽壁面為右岸。試驗的流速控制系統采用高速粒子圖像測速系統，可瞬時記錄大區域速度分布的目標，對水流無擾動現象。水槽水位測量系統由無線超聲波自動水位測量儀和自動水位測量系統組成，將超聲波自動水測量儀分別放置在彎道水流入口、90°彎道處和彎道水流出口，左右岸共計6 個測量儀。測量儀位于水面以上，與水體無接觸，對水流無干擾，每個水位點可同步采集。

2.2 試驗方法

此次試驗通過尾門控制出水口水位恒定不變，使出水口水位和入水口水位保持不變。先將尾門水位保持在14 cm，流量控制保持在75 L/s，將兩種不規格的丁壩，長丁壩和短丁壩分別放置在水槽彎道左岸45°和90°位置，通過改變丁壩的長度和位置研究丁壩對彎道水流特性的影響。丁壩放置位置如2所示。

試驗在水槽彎道處每隔30°設置一個水位觀測斷面，分別測量該斷面的左岸和右岸水位，共計12 個斷面，命名為A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11、A12。水位測量采用無線超聲波水位測量儀和人工測量相結合的方法，除彎道水流入口、90°彎道處和彎道水流出口，左右岸共計6 個水位測量點，采用無線超聲波水位測量外，其它水位測量點采用刻度尺人工測量。試驗設置了6個流速觀察斷面，分別位于水槽彎道內0°、30°、45°、60°、90°、120°的位置，流速觀察段面與水位觀察段面分別處于同一斷面（A1、A2、A3、A4、A5、A6），流速測量采用激光測量儀測量數據，激光發射器從水槽底部垂直向上發射，從水底至水面覆蓋整個區域。流速觀察斷面和水位觀察斷面分布如圖3所示。

圖3 流速和水位觀察斷面分布圖

3 試驗結果與分析

3.1 丁壩位于45°彎道時沿程橫比降分析

根據測量數據，不同長度的丁壩在彎道45°處時沿程橫比降。結果表明彎道無丁壩時，彎道內水面橫比降先快速上升，在A5 斷面時，橫比降達到最大，最大值為2.3%，然后逐漸下降，到達A6斷面時，再緩慢上升，經過A7斷面后，再快速下降，到彎道出口時，橫比降趨于水平。長丁壩設置于45°彎道時，橫比降快速上升，在A4斷面時達到最大，最大值為4.5%，由于長丁壩阻水作用，對壩后的水位影響較大，水位在下游快速下降，丁壩壩后出現水流漩渦，導致丁壩兩岸水流變大，水流經過彎道頂面后，水面橫比降得到緩和，水流到達A6 斷面時，同于慣性作用，左岸水流小幅度上升，右岸水位下降，水位橫比降再次上升，當水流經過A6斷面后，水平橫比降快速下降，到A9斷面時，兩岸水流基本水平。短丁壩設置于45°彎道時，丁壩對水流的阻水作用較弱，橫降比最大出現在A3斷面，最大值為3.1%，水流經過A3斷面后，橫比降快速下降，直至彎道出口處保持平衡。由此可知，丁壩越長，橫比降的最大值斷面越靠近水流出口，丁壩越短，對水面橫比降影響越小。

3.2 丁壩位于90°彎道時沿程橫比降分析

根據測量數據，不同長度的丁壩在彎道90°處時沿程橫比降。結果顯示長丁壩設置于90°彎道時，沿程水面橫比降先快速增大，再快速減小，最后趨于平穩。水流到達A6 斷面時，水面橫比降最大，最大值為8.2%。當水流經過A6 斷面后，水面橫比降快速下降，在A8斷面時，橫比降趨于緩和。短丁壩設置于90°彎道時，水流經過A5斷面時，水平橫比降最大，最大值為3.4%，與短丁壩設置于45°彎道時的最大橫比降出現斷面基本一致。丁壩處于90°彎道時，水面最大橫比降均大于45°彎道處的最大橫比降。由此可知，在彎道90°設置丁壩較45°設置丁壩，水面橫比降變化顯著，在水流湍急情況下，不利河道航行安全。

3.3 長丁壩設置在不同位置時沿程縱向流速分析

根據測量數據，長丁壩設置在不同位置時，沿程水流縱向流速情況。結果顯示長丁壩設置在彎道45°位置時，左岸水流流速先減小再增大，而右岸水流流速先增大再減小。左岸水流進入彎道入口時，流速為0.28 m/s，水流到達丁壩所在斷面時，即A3斷面時，流速下降到最小值，最小值為0.19 m/s，達到最小值后，流速再逐漸增大，最后到A6斷面時，流速為0.44 m/s。右岸水流進入彎道入口時，流速為0.31 m/s，水流到達丁壩所在斷面時，即A3 斷面，流速達到最大值為0.85 m/s，達到最大值后，流速快速減小，水流經過A4斷面后，流速趨于平緩。

長丁壩設置在彎道90°位置時，左岸水流流速先減小再增大，而右岸水流流速先增大再減小。左岸水流進入彎道入口時，流速為0.33 m/s，水流到達A4 斷面時，流速下降到最小值，最小值為0.29 m/s，達到最小值后，流速再逐漸增大，最后到A6斷面時，流速為0.57 m/s。右岸水流進入彎道入口時，流速為0.35 m/s，水流到達A4 斷面，流速達到最大值為0.77 m/s，達到最大值后，流速快速減小，水流經過A5斷面時，流速增加緩慢，水流在A6斷面時，流速最小為0.32 m/s。

長丁壩設置在彎道45°位置和90°位置時，左岸水流流速均先減小再增大，右岸水流流速均先增大再減小。丁壩處于45°位置時右岸水流最大流速位于A3斷面，丁壩處于90°位置時右岸水流最大流速位于A4斷面，可知在丁壩影響下，最高流速均處于丁壩壩頭位置，且45°位置的水流流速高于90°位置。丁壩處于45°位置時水流右岸最小流速位于A3 斷面，丁壩處于90°位置時右岸水流最小流速位于A4斷面，可知，左岸沿程的最低流速均處于丁壩前斷面，且45°位置時最低流速小于90°位置，綜上所述，丁壩的布設離彎道入口越近，壩前的水流流速越小，壩頭的水流流速越大。

3.4 短丁壩設置在不同位置時沿程縱向流速分析

根據測量數據，短丁壩設置在不同位置時，沿程水流縱向流速情況。結果表明短丁壩設置在彎道45°位置時，左岸水流流速先減小再增大，右岸水流流速先增大再減小。左岸水流進入彎道入口時，流速為0.47 m/s，當水流到達丁壩所在斷面時，即A3斷面時，流速下降到最小值，最小值為0.41 m/s，達到最小值后，流速再逐漸增大，最后到A6 斷面時，流速為0.64 m/s，此時流速最大。右岸水流進入彎道入口時，流速為0.57 m/s，水流到達丁壩所在斷面時，即A3 斷面，流速達到最大值，最大值為0.68 m/s，達到最大值后，流速逐漸減小，水流經過A6 斷面時，流速為0.57 m/s。此時彎道出口流速與彎道入口流速基本保持一致。

短丁壩設置在彎道90°位置時，左岸水流流速先減小再增大，右岸水流流速先增大再減小。左岸水流進入彎道入口時，流速為0.54 m/s，水流到達A4斷面時，流速下降到最小值，最小值為0.43 m/s，達到最小值后，流速在逐漸增大，最后到A6斷面時，流速為0.57 m/s，此時流速達到最大。右岸水流進入彎道入口時，流速為0.57 m/s，水流到達A4 斷面，流速達到最大值，最大值為0.66 m/s，達到最大值后，流速快速減小，水流在A6斷面時，水流流速為0.60 m/s。此時彎道出口水流流速大于彎道入口流速。

短丁壩設置在彎道45°位置和90°位置時，左岸水流流速均先減小再增大，右岸水流流速均先增大再減小。丁壩處于45°位置時右岸水流最大流速位于A3斷面，丁壩處于90°位置時右岸水流最大流速位于A4 斷面，兩處的最小流速均處于A1 斷面。丁壩處于45°位置時左岸水流最小流速位于A3斷面，丁壩處于90°位置時右岸水流最小流速位于A4斷面，兩個位置的最大流速均處于A6 斷面。總體規律與長丁壩基本一致，短丁壩的阻水作用下，右岸水流流速明顯小于長丁壩，可知短丁壩的束水作用明顯小于長丁壩。

4 結論

通過彎道水流模擬試驗研究丁壩對水流特性的影響，得出如下結論：

①彎道無丁壩時，彎道內水面橫比降先快速上升再快速下降，到彎道出口時，橫比降趨于水平。

②長丁壩設置于90°彎道時，沿程水面橫比降先快速增大，再快速減小，最后趨于平穩，水面最大橫比降均大于45°彎道處的最大橫比降，水面橫比降變化顯著。

③短丁壩設置在彎道45°位置和90°位置時，左岸水流流速呈先減小再增大趨勢，而右岸水流流速呈先增大再減小趨勢；相較于長丁壩，短丁壩右岸水流流速較小，束水作用明顯小于長丁壩。