雙丁壩合理間距的試驗研究

高先剛,劉煥芳,華根福,王振

(石河子大學水利建筑工程學院,石河子832003)

雙丁壩合理間距的試驗研究

高先剛,劉煥芳,華根福,王振

(石河子大學水利建筑工程學院,石河子832003)

樁式透水丁壩群是一種新型結構丁壩,目前在河道整治工程中大量運用。為探討工程設計中前二座丁壩的間距布設問題,對前二座丁壩的設計間距、透水率、壩長等因素進行了動床模型試驗,運用Surfer8.0軟件繪制河床地形圖和三維效果圖,分析結果表明:雙丁壩比單個丁壩運用條件下能更好地控制河道整治線,同時第2座丁壩也會產(chǎn)生弱于第1座丁壩的橫向和縱向沖刷槽;丁壩間距的確定原則為壩后不沖、主流不淤和壩體自身穩(wěn)定。經(jīng)試驗觀測和原型驗證,推薦順直河道的合理間距為1.5～2.5倍壩長。

樁式透水丁壩;透水率;沖淤特性;間距

Abstract:As a new structure of spur,permeable spur has been used in river regulation projects.To determine the spacing between the first two permeable spurs of the engineering design,based on the results of previous studies,the movable riverbed model experiments are designed,and spacing,water permeability,dam length and other factors are changed in the experiments.By using software Surfer 8.0,the riverbed's contour map and 3D map are drawn.Combined with theoretical analysis,it is found that river regulation lines can be controlled better in two permeable spur conditions,and the crosswise and lengthwise scour trough is weaker in the second spur than in the first one,in the rule to define the distance is no scouring behind the spur,no silting main flow area and stability of the spur itself,after the experimental observation and prototyping certification,it is recommend that the rational spacing in straight channel is 1.5-2.5D1.

Key words:permeable spur;permeable rate;scouring and silting character;spacing

樁式透水丁壩是自20世紀70年代才迅速發(fā)展起來的新型河工建筑物,與不透水丁壩相比,其優(yōu)勢在于壩體為空隙結構,對水流有導有透[1],壩頭局部沖刷深度明顯減小,壩體自身穩(wěn)定性和應變能力增強。國內(nèi)黃河鄭州中牟韋灘彎道整治工程、黃河花園口河道整治工程、塔里木河上游阿拉爾段防洪工程[2]等均應用了這種新型結構丁壩[3],國外荷蘭在萊茵河和Jamuna河(孟加拉國)也進行了樁式透水丁壩的創(chuàng)新實踐[4]。

目前,有關樁式透水丁壩的研究大多針對單個樁式透水丁壩的水力學[5]問題,取得了大量有價值的科研成果。馮紅春等[6]采用量綱分析推導了樁式丁壩壩頭局部最大沖刷深度的計算公式;劉煥芳等[7]分析了樁式丁壩的局部水頭損失產(chǎn)生機理,在采用合理假定的基礎上推導了壅水高度計算公式;楊元平[8]基于沿水深方向積分的平面二維水流運動方程組,推導出透水丁壩壩后回流區(qū)長度的計算公式。在實際丁壩工程中,一般都采用二條或若干條丁壩組成的丁壩群,以達到束水沖沙的效果[9]。由于樁式丁壩群中各丁壩的布置形式不同,導致水流流態(tài)、沖淤特性和整治效果也有所區(qū)別,其中前二座丁壩的布設尤為重要,因其束窄原有河道,挑流作用明顯,后續(xù)丁壩群都處于前二座丁壩的保護范圍內(nèi)。

本文通過室內(nèi)模型試驗對樁式透水丁壩群中頭兩座壩的間距選擇問題作了探討。

1 試驗方法

試驗為清水沖刷,采用的矩形水槽長10 m、寬1 m,深 0.5 m,坡度為 1/5000,流量 15 L/s,均勻來流的佛汝德數(shù) Fr=0.310,模型河床床面均勻鋪設10 cm厚度的河沙,河沙干容重為2.63 kg/L,中值粒徑為0.5 mm。丁壩模型為圓鋼焊接而成,整個丁壩與水流成非淹沒狀態(tài)。

試驗主要控制條件見表1。選用第1座丁壩的透水率為 0%、20%、25%、30%、40%,以了解不同工況下透水丁壩局部沖淤效果的變化規(guī)律。間距采用 15 cm、22.5 cm、30 cm、37.5 cm、45 cm、60 cm 共6組。試驗高程測量斷面如圖1所示。

表1 試驗主要控制條件Tab.1 The main control condition table of experiment

圖1 樁式透水丁壩動床模型試驗高程測量網(wǎng)格Fig.1 Moveable riverbed model experiments grid diagram of permeable spur

2 雙丁壩沖淤效果分析

樁式透水丁壩放入河道中后,丁壩附近的水流結構會發(fā)生很大變化,流速已進行了重新分布[10]。在樁式透水丁壩壩頭縱向軸線往后,繞壩水流與主流形成較長的匯合區(qū),這一區(qū)域縱向流速較大,形成一個縱向沖槽,沖槽靠主流區(qū)一側的泥沙被水流帶走,而靠壩后保護區(qū)一側的泥沙逐漸沉積形成淤積帶,如圖2a所示。

雙丁壩與單個樁式透水丁壩的沖淤效果有很多不同之處,如圖2b所示。在第2座丁壩壩根處也要形成橫向沖槽,壩后也有淤積體存在,同時由于第2座丁壩的加入,使得河道水流結構重新分布,縱向沖槽和縱向淤積帶的范圍均順河道延長,這種作用能有效控制河道整治線。

圖2 樁式透水丁坎作用區(qū)域河床形態(tài)Fig.2 Riverbed configuration of single and double permeable

圖3 為壩長 D1=D2=15 cm,透水率為30%時不同間距條件下的河床三維地形圖。由圖3可見:間距在1～1.5D1時,第2座丁壩對第1座丁壩仍有較大影響,主要表現(xiàn)在壩頭沖槽基本連成一線,加劇第2座丁壩壩頭的沖刷。間距在2～3D1時,水流結構平順,第2座丁壩壩頭沖深也明顯變小。間距為4D1時,第1座丁壩的縱向沖槽與第2座丁壩完全斷開,說明此時間距已經(jīng)過大,不符合整治線的要求。

圖3 不同間距下河床三維效果Fig.3 Different three-dimensional maps of riverbeds with different spacing

3 丁壩合理間距的確定原則與方法

丁壩間距的大小直接關系到工程效果和工程量。間距過大,丁壩之間不能互相掩護,相當單一丁壩,達不到控制整治線的目的;間距太小,丁壩數(shù)目增多,工程量和造價加大,因此,要以最少的丁壩達到最好的效果,就必須合理確定丁壩間距[11-12]。確定丁壩合理間距的原則主要有:

1)工程安全性原則:為防止壩頭、壩根遭受嚴重沖刷,應使下一條丁壩的壩軸斷面遠離第1座樁式透水丁壩的“V”型沖槽,同時應使水流繞過壩頭后所形成的擴散水流邊線能達到下一個丁壩有效長度范圍內(nèi),避免壩根沖刷。

2)主流最大流速原則:有足以控制整治線的點,各丁壩邊線的連線組成平順的整治線,不會因丁壩間距過大影響束水攻沙效果。

3)壩后保護區(qū)促淤原則:透過樁壩的水流會對壩后的保護區(qū)域產(chǎn)生沖刷[13]。因此,應防止壩后保護區(qū)內(nèi)產(chǎn)生較大的流速,影響泥沙淤積。

目前,國內(nèi)外大多根據(jù)經(jīng)驗以第1座丁壩壩長的某一倍數(shù)來確定間距[14-15]。根據(jù)實際工程的經(jīng)驗資料,間距應滿足:

從護岸促淤條件考慮,布設丁壩后,其壩體范圍內(nèi)水流平均流速必須小于泥沙起動流速:

主流泥沙不能淤積,即主流區(qū)平均流速必須大于泥沙起動流速:

主流區(qū)不淤可以用縱向沖槽長度進行判斷,壩頭順水流往下游會形成縱向沖刷槽,而沖槽末端大量被水流推移過來的泥沙堆積發(fā)生淤積,因此在沖槽末端發(fā)生淤積之前就應布設下一道丁壩。

為使主流區(qū)整治線得到有效控導,應使第2座丁壩的壩上游斷面流速不低于丁壩斷面處流速,即將第2座丁壩布置在第1座丁壩斷面平均流速的位置,流速在主流范圍內(nèi)沿縱向變化是確定丁壩間距的重要依據(jù),水流經(jīng)過第1座丁壩壩軸斷面后即收縮,至某一點完全收縮,這個斷面為收縮斷面(圖4),然后水流開始擴散,則在這段間距內(nèi)主流必然出現(xiàn)收縮斷面。

圖4 樁式透水丁壩收縮斷面示意Fig.4 The contraction cross-section of permeable spur

常福田等[16]通過非淹沒實體丁壩試驗研究分析得出最佳間距為:

上式未考慮透水丁壩的透水率η和第2座丁壩壩長D2改變的影響,因此不能直接用于透水丁壩,對壓縮比系數(shù)進行修正后

表2 最優(yōu)間距計算值Tab.2 The calculation optimum spacing

結合試驗觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),透水率越大時,丁壩間距應減小,以更好地控導整治線,這與實際情況是相吻合的。再將計算出的最優(yōu)間距應用上述原則進行檢驗,也能很好滿足要求,因此可以確定樁式透水丁壩群間距在1.5～2.5D1是合理的。

3 結論

1)由于雙丁壩中第2座丁壩的加入,會改變第1座丁壩形成的保護區(qū)形態(tài),主要表現(xiàn)為第2座丁壩壩根的橫向沖槽、壩頭沖刷深度和壩后淤積體,試驗發(fā)現(xiàn),第2座丁壩的這些特征發(fā)生程度上均弱于第1座丁壩。

2)丁壩合理間距的確定原則為:壩后不沖,主流不淤,壩體自身穩(wěn)定。

3)試驗觀測的合理間距為1.5～3D1;公式4可用于估算樁式透水丁壩壩群最優(yōu)間距,最優(yōu)值在1.5～2.5D1之間。

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Rational Spacing Characters of Double Permeable Spur

GAO Xiangang,LIU Huanfang,HUA Genfu,WANG Zhen
(College of Water Conservancy and Architectural Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

TV863

A

1007-7383(2010)05-0614-04

2010-04-13

高先剛(1983-),男,碩士研究生,專業(yè)方向為工程水力學;e-mail:gxg131417@sina.com。

劉煥芳(1965-),男,教授,從事工程水力學研究;e-mail:liuhuanfang@tom.com。