淺析水流沖刷對(duì)丁壩結(jié)構(gòu)的影響

(重慶交通大學(xué),河海學(xué)院　重慶　400047)

一、引言

早在五六十年代初期，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)針對(duì)水流沖刷對(duì)丁壩結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究。但是由于丁壩的存在，在其附近的水流都具有其十分強(qiáng)烈的三維特征，一直到了七十年代從理論上合理準(zhǔn)確解釋丁壩繞流等一系列問題都不有被很好的解決。從七十年代以后，包括中國(guó)在內(nèi)的世界諸多學(xué)者都是運(yùn)用數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究，張俊華[1]等人對(duì)丁壩的繞流機(jī)理，對(duì)丁壩上下游平面流場(chǎng)以及回流區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行了理論研究；阿爾圖丁[2]，方達(dá)憲[3]等人建立了丁壩壩頭床沙起沖流速及最大沖深計(jì)算模型，將水流分成被束窄的主流區(qū)和丁壩上下游的兩個(gè)回流區(qū)，找到了水流最大收縮斷面；沈波、應(yīng)強(qiáng)[4,5]等人對(duì)沖刷的深度對(duì)丁壩的壩頭的研究，才使得一系列沖刷深度的計(jì)算公式被總結(jié)和提出，并利用紊流理論建立數(shù)學(xué)模型將雷諾方程進(jìn)行封閉，將計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法運(yùn)用到紊流特征量進(jìn)行數(shù)值模擬中去，但是上述研究人員僅僅用了數(shù)字模擬進(jìn)行數(shù)值分析，沒有通過理論公式進(jìn)行推導(dǎo)，本文通過上述實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，通過總結(jié)歸納進(jìn)行理論公式推導(dǎo)找出水流沖刷對(duì)大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

二、理論推導(dǎo)

(一)試驗(yàn)方案

根據(jù)高桂景[6]提出的實(shí)驗(yàn)方案，通過西南水運(yùn)科研所研制的電磁流量系統(tǒng)來進(jìn)行控制，采用不同的流量，不同的水深，不同的壩長(zhǎng)，根據(jù)這三種因素的變化，進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同流量情況下丁壩的水流流態(tài)，流量分別為Q=25.8l/s、38.7l/s、51l/s，以及H=8cm、10cm、12cm和壩長(zhǎng)L=20cm、30cm、50cm。

(二)試驗(yàn)內(nèi)容

進(jìn)行試驗(yàn)之前要對(duì)水槽兩側(cè)水面線和上、中(壩軸線)，下三個(gè)斷面的流速分布場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。最后其檢驗(yàn)結(jié)果顯示，位于水槽兩側(cè)的水面線基本上是重合的，試驗(yàn)段和垂線平均流速基本上也是分布均勻的，并且流速有所減小。

本試驗(yàn)需要觀測(cè)的內(nèi)容有：(1)觀測(cè)各種情況下的流速分布，選取不同的斷面，在不同的斷面上選取9個(gè)點(diǎn)，運(yùn)用三點(diǎn)法，在0.2h、0.6h、0.8h測(cè)得其平均流速；(2)觀測(cè)各種情況下的漩渦運(yùn)動(dòng)的情況；(3)觀測(cè)各種情況下的壩前雍水情況；(4)觀測(cè)各種情況下的水流紊動(dòng)情況。

圖2.2　觀測(cè)斷面及觀測(cè)點(diǎn)布置圖

(三)流速分布分析

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)算的流速的分布情況可以得出結(jié)論：

(1)流量為控制變量的情況下，在同一斷面上，各點(diǎn)的流速都是隨著流量的增大而增大，而從橫向分布的流速來看，在上游斷面從左岸(丁壩布置在左岸)開始流速增大，在水槽中部附近的流速分布開始趨于平均化；壩軸線斷面以及下游斷面則是從左岸開端到水槽中部附近流速成增大的趨勢(shì)，然后流速再略有減小，最終流速分布趨于平均化在靠近右岸的過程中。

(2)壩長(zhǎng)為控制變量的情況下，流速在斷面的橫向分布是從左岸起逐步增大，在中部左右達(dá)到最大，而后流速稍微減弱，成平均分布的特點(diǎn)。同時(shí)壩長(zhǎng)L越大，流速增加的越快，靠近右岸局部的各點(diǎn)流速也增加越大。

(3)水深為控制變量的情況下，流速沿著斷面的橫向分布是對(duì)于左岸，在丁壩兩側(cè)流速均是往水槽中部的過程中成增大趨勢(shì)，流速在水槽中部達(dá)到最大，隨后稍微減弱，然后成均勻分布的特點(diǎn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)流速的增大幅度與控制水深有關(guān)。H越小，流速增加越快。H越小，靠近右岸的各個(gè)測(cè)點(diǎn)流速越大，但在左岸部分各個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速卻越來越小。

(四)丁壩附近的水流流態(tài)分析:

(1)非淹沒丁壩附近的水流流態(tài)

丁壩的設(shè)置增大的水流的阻力，當(dāng)水流流過丁壩時(shí)，丁壩的存在對(duì)水流進(jìn)行了阻攔，使得比降慢慢的減少，并且流速也開始降低，在丁壩附近還會(huì)出現(xiàn)反比降，在上游也會(huì)出現(xiàn)雍水，并且伴隨著角渦的存在。除此之外，水流在往下游的移動(dòng)過程中，會(huì)逐漸歸槽，流速也會(huì)增大，局部水面會(huì)出現(xiàn)下降，水流在丁壩附近流速在垂直方向也會(huì)區(qū)域均勻，繞過丁壩,雖然水槽寬度恢復(fù)正常,但是慣性力使得水流進(jìn)一步收縮,從而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)得動(dòng)能和流速最大的收縮斷面，使得流線相互平行,接下來水流漸漸恢復(fù)到天然狀態(tài)。

(2)淹沒丁壩附近的水流流態(tài)

不同于非淹沒丁壩,丁壩的束水能力下降幅度很大,觀察試驗(yàn),在淹沒的水流中,看到壩體將水流分成面流和底流,面流基本保持原水流方向,在壩體附近以及其下游,面流受到底流的影響較小,流向稍微向壩頭方向偏轉(zhuǎn)。在壩體下部的底流,上游的水繞過壩頭,在壩體下方形成水平軸回流區(qū)。

(五)水流紊動(dòng)分析

由于丁壩可以擾動(dòng)水流,并且現(xiàn)象明顯。局部水流可以產(chǎn)生漩渦和分離,水流的分離和旋轉(zhuǎn)多集中出現(xiàn)在壩頭和壩頂區(qū)域。丁壩附近的三維紊流特性十分強(qiáng)烈,有分離流、旋轉(zhuǎn)流、曲線剪切層,高紊動(dòng)強(qiáng)度以及自由表面變化等一系列復(fù)雜水流現(xiàn)象。因此研究丁壩附近水流的紊動(dòng)對(duì)于保護(hù)丁壩穩(wěn)定,防止水毀有著重要意義。

在高桂景的試驗(yàn)中，選擇了六種不同的工況，測(cè)得脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選擇的數(shù)據(jù)工況如表2.1所示。

表2.1　抽取的6組工況

利用快速傅立葉變換將瞬時(shí)流速的時(shí)域分布轉(zhuǎn)換成頻域分布，這樣就可以將頻域和時(shí)域聯(lián)系在一起，利用其優(yōu)勢(shì)，在水流脈動(dòng)信號(hào)中提取信息。

通過對(duì)這六組工況的瞬時(shí)流速數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換，得出結(jié)論：低頻時(shí)，脈動(dòng)強(qiáng)度大，能量大，脈動(dòng)幅度大，水流速度變幅大，對(duì)泥沙的起動(dòng)和沖刷作用也比較大。

在各種工況下，分析相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度的分布情況得出結(jié)論：上游的相對(duì)紊流強(qiáng)度較弱，水流相對(duì)平緩。壩頭后面相對(duì)紊流強(qiáng)度較大。在壩后的回流區(qū)，紊流較弱。

三、壩體及其周圍床面受力分析

由于有丁壩的存在，才導(dǎo)致周圍的水流情況才變的復(fù)雜，在紊動(dòng)的過程中，對(duì)任一作用面上的各個(gè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓強(qiáng)值的總和稱為脈動(dòng)壓力。收漩渦和水面的波動(dòng)的影響，丁壩壩體周圍產(chǎn)生脈動(dòng)壓力。脈動(dòng)壓力能夠大大加強(qiáng)瞬時(shí)水壓力，使得壩頭沖刷和破壞。因此弄清壩體受力的空間分布情況以及其影響因素，對(duì)于防止丁壩水毀，優(yōu)化丁壩設(shè)計(jì)有著十分重要的意義。

通過丁壩壩體及其周圍床面的壓力試驗(yàn)，我們可以得出結(jié)論：

(1)床面受力與流量之間的關(guān)系：隨著流量的增大，其水流的紊動(dòng)會(huì)隨之增加，同時(shí)其脈動(dòng)壓力也隨之增加。在整個(gè)測(cè)壓區(qū)，脈動(dòng)壓力的數(shù)值都是增大的，其強(qiáng)脈動(dòng)帶的分布范圍也是越來越大的。

(2)床面受力和壩長(zhǎng)的關(guān)系：隨著壩長(zhǎng)的縮短，其阻水能力也隨之減弱，水的流速也隨之變緩，其壩后的壓力脈動(dòng)的數(shù)值也減少，強(qiáng)壓力的脈動(dòng)帶也會(huì)向左岸靠近。

(3)床面受力和水深的關(guān)系：在水深低于丁壩的高度時(shí)，中間強(qiáng)紊動(dòng)帶等值線十分稠密，同時(shí)脈動(dòng)壓力也較強(qiáng)，向兩邊遞減。同時(shí)隨著水深的增加，脈動(dòng)壓力強(qiáng)度也隨著減弱。當(dāng)水深高于丁壩的時(shí)候，壓力脈動(dòng)的最強(qiáng)區(qū)域不再出現(xiàn)在中間，而是向左岸偏移，在壩頭后面的區(qū)域。

四、總結(jié)及展望

通過以上的分析和總結(jié)，我們可以看到丁壩的作用是十分重要的。但是丁壩的產(chǎn)生會(huì)改變水流的形態(tài)，水流的形態(tài)的改變所產(chǎn)生的效力會(huì)作用在丁壩以及其邊坡，對(duì)丁壩的穩(wěn)定有十分緊密的影響。水流形態(tài)的變化會(huì)造成丁壩水毀，防止丁壩水毀是我們當(dāng)下需要解決的問題，通過前人的試驗(yàn)和總結(jié)我們得到了丁壩的不同位置的受力規(guī)律以及水流紊動(dòng)的規(guī)律，使得我們?cè)谛藿ǘ我约岸蔚姆€(wěn)定性維護(hù)的時(shí)候有充足的依據(jù)。

但是在前人總結(jié)得到的理論和規(guī)律中，均是以試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，不是真實(shí)狀態(tài)下進(jìn)行模擬，忽略了風(fēng)力對(duì)水流其影響，溫度對(duì)水流的影響，并且水流自身也是隨時(shí)變化的，不是恒定流，水質(zhì)的不同會(huì)導(dǎo)致水的密度不同，從而造成水流總用力之間的變化，因此試驗(yàn)應(yīng)該進(jìn)一步得到完善，結(jié)論還有待完善和推敲。

因此我認(rèn)為在以后的試驗(yàn)中，應(yīng)該加入自然因素，讓試驗(yàn)盡可能的接近于自然條件，增加風(fēng)扇來模擬有風(fēng)的狀態(tài)，水質(zhì)可以略微加工，模型也可以進(jìn)行改造，同時(shí)增設(shè)不同溫度下的試驗(yàn)，這樣的話，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加合理，得到的結(jié)論和規(guī)律也適用更廣泛。