丁壩形狀對彎道沿程水面線影響分析

常開志

(貴州省畢節市七星關區大河鄉人民政府,貴州 畢節 551718)

1 概 述

在治河工程中,丁壩是應用廣泛的水工建筑物,長丁壩可使水流動力軸發生偏轉趨向對岸,短丁壩可調整水流保護河岸。丁壩的修建,局部改變了河流的流動形態,避免了河岸不受來流直接沖蝕。為了探求丁壩附近水流的流動結構,學者們進行了多方面研究。范曉飚等[1]對雙丁壩流場及回流特性進行了數值研究,結果表明,當壩距一定時,隨著河寬縮窄率的增加,丁壩上游壅水高度及范圍增大,挑流作用增強。王榮華等[2]研究了空隙尺寸對透水丁壩局部沖刷的影響,結果表明,壩后沖刷坑深度和體積與空隙尺寸呈負相關性。劉丹丹等[3]研究了不同丁壩間距對水流特性的影響,結果表明,最下游丁壩回流長度隨著丁壩間距的減小而減小。池苗苗[4]研究了透水群樁丁壩對水流特性影響,結果表明,在交錯排列工況下,群樁下游水流流速從主流向河岸逐漸減速。黃碩等[5]對河口航道雙丁壩影響下異重流運動特性進行了研究,結果表明,雙丁壩改變了航道內的流場,異重流在經過束窄斷面后會向第二個丁壩后部區域橫向擴散。彭秀竹等[6]對黃河下游透水丁壩瞬潰后水力及沖淤特性進行了研究,結果表明,潰壩對主槽的輸沙能力影響較弱,但顯著影響了壩區泥沙的起動和沉降。

上述文獻對丁壩流場及回流特性進行了研究,并分析了不同丁壩參數對水流特性的影響。本文參考以上文獻研究成果,通過水槽試驗,研究不同形狀丁壩對彎道沿程水面線的影響,分析無丁壩時沿程水面線變化、丁壩斷面不同時沿程水面線變化以及二級丁壩長度不同和多級丁壩級數改變時沿程水面線變化。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

本次試驗在室內水力學實驗室進行,試驗水槽為U形高精度變坡水槽,見圖1。水槽上游和下游直線段長度15m,上下游直線段由180°彎道連接,彎道中心線半徑2.2m,水槽寬度0.8m,高度1.0m。水槽由槽身、水槽支架、自動變坡系統以及供水和回水系統組成。水槽入水口設有儲水池,在進行試驗時,采用水泵將水抽入儲水池,水流經過儲水池進入水槽入水口,從入水口流入水槽內,隨后流經整個水槽,最后經過水槽尾門進入回水系統。為了模擬明渠均勻流,設置水槽的底坡為0.2%的順坡。

圖1 U形變坡水槽

水流流量由供水系統控制水泵的流量完成,水流流速采用PIV流速測量系統進行測量,該設備能在同一瞬態記錄下大量空間點上的速度分布信息。水位測量采用超聲波水位測量儀,該設備固定在水槽測量斷面上方,與數據采集系統連接,可實時測量水位變化。

2.2 試驗方法

本次試驗主要研究不同形狀的丁壩對彎道沿程水面線的影響。試驗設置4種不同形狀的丁壩,分別為單級丁壩、長二級丁壩、短二級丁壩和三級丁壩,丁壩采用透明有機玻璃制成,丁壩形狀見圖2。

圖2 各丁壩形狀示意圖(單位:mm)

設置單級丁壩、長二級丁壩和三級丁壩的擋水面積基本一致,擋水面積均控制在51～51.4cm2范圍內,所有丁壩的厚度均為3cm。將丁壩設置彎道進口凹岸處,該位置斷面與彎道進口斷面夾角為45°,根據丁壩形狀,共設計5種不同的工況,見表1。本次試驗水流流量控制在0.05m3/s,水槽中水流深度控制在0.15m。

表1 試驗工況

在水槽不同位置設置7個流速斷面,流速斷面與水槽彎道進口斷面夾角分別為10°、25°、45°、60°、90°、135°、175°,將流速測量斷面編號為L1-L7。在水槽彎道附近設置11個水位測量斷面,彎道處的水位測量斷面每間隔30°設置一個,并在丁壩前后位置各增加1個,共增加2個水位測量斷面,以水流方向為基準,水位測量點設置在距左右兩岸0.2m附近,將水位測量斷面編號為S1-S11。各流速斷面、水位斷面及丁壩位置見圖3。

圖3 斷面及丁壩位置分布圖

3 試驗結果與分析

3.1 無丁壩時沿程水面線變化

根據試驗數據,無丁壩時沿程水面線變化見圖4。

圖4 無丁壩時水面線變化

由圖4可知,當水流由直線水槽進入彎道內,在慣性作用下,在彎道內產生離心力;在離心力作用下,水流在凹岸的水面線高于凸岸。凹岸水位從S1斷面到S2斷面過程中,快速上升;經過S2斷面后,水位保持平穩;經過S4斷面后,水位繼續上升;在S9斷面時,快速減小,然后再增大;到達S11斷面時,水位達到最大,最大值為16.7cm。凸岸水位從S1斷面到S4斷面時,小幅度減小;經過S4斷面后,再逐漸增大;到達S6斷面后再減小,然后再逐漸增大;經過S9斷面后,水位大幅度上升;在S11斷面時,水位達到最大,最大值為16.8cm。在水流進入彎道時,凹岸的水位大于凸岸;在水流離開彎道時,凸岸的水位大于凹岸。

3.2 丁壩斷面不同時沿程水面線變化

根據試驗數據,丁壩斷面不同時沿程水面線變化見圖5。

圖5 丁壩斷面不同時水面線變化

由圖5可知,單級丁壩的水位變化與二級丁壩的水位變化基本相同。在彎道凹岸區域,由于丁壩的阻水作用,單級丁壩和二級丁壩的水位均快速增大,在S3斷面時,水位達到最大,最大值均為18.2cm;水流經過S3斷面后,水位大幅度下降;在S4斷面水位達到最小,最小值均為14cm;在丁壩約束水流的作用下,水位經過S4斷面后快速上升,在該階段,工況1水位上升速度大于工況2;在斷面S8時,兩個工況水位基本保持一致;水流經過S8斷面后,水位變化減小。在彎道凸岸區域,工況2水位先減小再增大,而工況3水位先增大再減小然后再增大;由于丁壩束窄水流的作用,水流面積減小,流速增大,水位在S5斷面區域降到最低,最小值均為12.3cm;水流經過S5斷面后,丁壩束窄水流作用減弱,水位快速上升;在斷面S9時,兩個工況水位基本保持一致;在S11斷面時水位變化減小,基本處于穩定狀態。

3.3 二級丁壩長度不同時沿程水面線變化

根據試驗數據,二級丁壩改變長度時沿程水面線變化見圖6。

圖6 二級丁壩長度不同時水面線變化

由圖6可知,當二級丁壩第二級長度減小時,工況3和工況4的沿程水位變化趨勢基本相同,相較于工況4,工況3沿程水位變化幅度大,上升和下降變化顯著。在彎道凹岸區域,工況3和工況4的水位均先增大再減小,然后再增大,由于丁壩的阻水作用,工況3和工況4的水位均在S3斷面達到最大;水流經過S3斷面后,由于丁壩束窄水流的作用,水流流速增大;水位在S4斷面區域降到最低,工況3和工況4最低水位分別為14、14.6cm;隨著水流的持續前行,水位快速上升,到達S9斷面時,兩個工況的水位基本保持一致。在彎道凸岸區域,工況3的水位先增大再快速減小,然后再增大,工況4水位先減小再增大;在水流到達S5斷面時,工況3和工況4水位均達到最低,最低值分別為12.3、14cm,工況3水位下降幅度大,變化顯著;水流經過S5斷面后,丁壩束窄水流作用減弱,水位快速上升,到達S11斷面時,水位基本相等。隨著二級丁壩第二級長度的增加,丁壩的阻水作用增大,水槽內壅水高度相應增大,丁壩上游和下游水位差隨之增大。

3.4 多級丁壩級數改變時沿程水面線變化

根據試驗數據,多級丁壩級數改變時沿程水面線變化見圖7。

圖7 多級丁壩級數改變時水面線變化

由圖7可知,當丁壩級數從二級變為三級時,工況3和工況5的沿程水位變化趨勢基本相同。在彎道凹岸區域,由于丁壩的阻水作用,二級丁壩和三級丁壩的水位均快速增大,在S3斷面時,水位達到最大,最大值分別為18.3、18.5cm;水流經過S3斷面后,水位大幅度下降,工況3在S4斷面水位達到最小,工況5在S5斷面水位達到最小,最小值分別為14、13.8cm;在丁壩約束水流的作用下,水位快速上升,在斷面S6時,兩個工況水位基本保持一致;水流經過S8斷面后,兩個工況水位均小幅度變化,在斷面S11時,水位基本保持相同。在彎道凸岸區域,工況5水位先減小再增大,而工況3水位先增大再減小然后再增大;由于丁壩束窄水流的作用,水流面積減小,流速增大,工況3和工況5水位在S5斷面區域降到最小,最小值分別為12.3、11.2cm;水流經過S5斷面后,丁壩束窄水流作用減弱,水位快速上升,在斷面S11時,兩個工況水位基本保持一致。在丁壩下游,工況3的水位始終大于工況5,丁壩級數的增加減小下游水位的上升,丁壩級數越少,水位越高。

3.5 丁壩不同形狀時沿程水面線變化匯總

根據試驗數據,丁壩不同形狀時沿程水面線變化匯總,見圖8。

圖8 丁壩不同形狀時水面線變化

由圖8(a)可知,當水槽彎道處未設置丁壩時,水流在彎道處凹岸的水位變化平緩,在流出彎道后水位快速上升,到達S11斷面時,水位達到最大。當彎道設置丁壩后,在水槽彎道凹岸處,工況2-工況5沿程水位變化趨勢基本相同,隨著水流流入彎道,由于丁壩的阻水作用,水位逐漸上升,在S3斷面水位達到最大;水流經過S3斷面后水位快速下降,在丁壩束窄河流的作用下,水位在S4斷面-S5斷面范圍內下降到最低;隨著水流持續流動,水位大幅度升高,在彎道出口呈小幅度變化,然后逐漸趨于平穩。

由圖8(b)可知,當水槽彎道處未設置丁壩時,水流在彎道處凸岸的水位變化平緩,在流出彎道后水位快速上升,到達S11斷面時,水位達到最大。當彎道設置丁壩后,由于丁壩束窄水流的作用,在水槽彎道凸岸處,水位快速下降,到達S5斷面時,水位降到最低;隨著水流的持續流動,水位快速上升,當到達S10斷面時,各工況水位基本一致,變化不大。

由圖8可知,當水槽彎道處未設置丁壩時,在彎道處的兩岸,水位變化平緩,水流在慣性作用下,凹岸處的水位大于凸岸處;當水槽彎道處設置丁壩后,工況4沿程水位變化最小,工況5沿程水位變化最大,其阻水作用最強。不同形狀的丁壩對水面線的影響均集中在水槽彎道處,當水流流出彎道后,水位變化趨勢減小,逐漸趨于平穩。

4 結 論

本文通過水槽試驗,研究了不同形狀丁壩對彎道沿程水面線的影響,分析了無丁壩時沿程水面線變化、丁壩斷面不同時沿程水面線變化以及二級丁壩長度不同和多級丁壩級數改變時沿程水面線變化。結論如下:

1)當水槽彎道未設置丁壩時,在彎道處的凹凸兩岸,水位變化平緩,且凹岸處的水位大于凸岸處。當水槽彎道設置的丁壩斷面不同時,單級丁壩的水位變化與二級丁壩基本相同,在彎道凹岸區域,水流到達S3斷面時,水位最大;到達S4斷面時,水位最小。在彎道凸岸區域,水流到達S5斷面時,水位最小;到達S11斷面時,水位趨于平穩。

2)當二級丁壩第二級長度減小時,在彎道凹岸區域,水位在S3斷面時最大,在S4斷面時最小;在彎道凸岸區域,水位在S4斷面時最小,丁壩第二級長度增大,阻水作用隨之增大。當丁壩級數從二級變為三級時,在彎道凹岸區域,水位在S3斷面時最大,在S4-S5斷面范圍內最小;在彎道凸岸區域,水位在S5斷面時最小,且丁壩級數越多,水位越高。

3)當水槽彎道處設置丁壩后,短板二級丁壩沿程水位變化最小,三級丁壩沿程水位變化最大,其阻水作用最強;不同形狀的丁壩對水面線的影響均集中在水槽彎道處,當水流流出彎道后,水位趨于平穩。