非淹沒復(fù)式斷面丁壩區(qū)的流速分布規(guī)律

，， ，(1.重慶交通大學(xué) a. 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心；b.水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；.重慶市信息通信咨詢設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400041)

1 研究背景

丁壩是航道整治、取水工程和海岸防護(hù)中的常用建筑物，航道整治中通常可將丁壩設(shè)計(jì)成單一斷面形式(簡稱“單式斷面丁壩”)，但在某些汛期泥沙淤積嚴(yán)重的河段，為減少洪水期淤沙量、增加退水期沖刷量，常采用2級整治水位相結(jié)合的形式，同時(shí)為減小洪水水位壅高影響，將較高一級整治水位的整治線寬度適當(dāng)增加，從而形成階梯狀的復(fù)式斷面丁壩(或稱“階梯形丁壩[1]”)。目前，復(fù)式斷面丁壩已在長江、珠江和西江等灘險(xiǎn)航道整治中廣泛應(yīng)用[1-2]。

丁壩區(qū)水流結(jié)構(gòu)因丁壩束流作用而異常復(fù)雜，并與丁壩安全設(shè)計(jì)和水毀防護(hù)等密切相關(guān)，該問題也一直備受關(guān)注。比如，周宜林等[3-4]認(rèn)為非淹沒上挑、正挑和下挑丁壩對水流結(jié)構(gòu)的影響差別不大，下挑丁壩壩頭防護(hù)效果相對較好，并比較了淹沒情況下3種丁壩附近的水流運(yùn)動特性；馮民權(quán)等[5]的研究顯示丁壩前緣區(qū)域流速從上游至下游逐漸增大，至壩頭處達(dá)到最大值，流向趨于河中，壩后出現(xiàn)回流；Duan等[6]發(fā)現(xiàn)平底和沖刷情況下的丁壩區(qū)水流流速差異較明顯，隨著沖刷坑的形成，下游及橫向的平均流速減小，而垂向流速增大；于守兵等[7-8]認(rèn)為端坡能明顯改變壩頭流速和底床切應(yīng)力較大的不利現(xiàn)象；李冰凍等[9]發(fā)現(xiàn)丁壩對水流的影響集中在丁壩上、下游局部區(qū)域，橫向存在水力坡度，壩頭局部水流復(fù)雜；孫志林等[10]認(rèn)為曲面丁壩能在一定程度上減弱壩頭水動力，避免流線過度彎曲和集中；張柏山等[11]對丁壩繞流結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，丁壩上游會形成馬蹄渦，頭部會形成卡門渦；白靜等[12]認(rèn)為非淹沒丁壩長度與間距的比值對丁壩周圍的水流流動形式、紊動強(qiáng)度和渦量分布有顯著影響；李子龍等[13]發(fā)現(xiàn)丁壩繞流形成的馬蹄渦形態(tài)隨弗勞德數(shù)Fr的增大而變化，丁壩壩頭是產(chǎn)生小渦的源頭。

需要指出，上述研究成果主要針對單式斷面丁壩。工程實(shí)踐顯示，當(dāng)河道水位介于2級整治水位之間形成非淹沒復(fù)式斷面丁壩時(shí)，丁壩區(qū)流速分布特征與較高一級丁壩的整治線寬度關(guān)系密切，且較單式斷面丁壩更為復(fù)雜，但目前還鮮有研究。為此，本文以非淹沒復(fù)式斷面丁壩為例，通過室內(nèi)水槽試驗(yàn)探討丁壩區(qū)的流速分布規(guī)律，研究結(jié)果可為航道整治工程設(shè)計(jì)和丁壩水毀保護(hù)等提供參考。

2 水槽試驗(yàn)

試驗(yàn)在重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心進(jìn)行，整個(gè)循環(huán)裝置包括水池、泵站、平水塔、量水堰、進(jìn)水前池、矩形直道水槽、尾水閘門和循環(huán)水廊道，水槽長48 m、寬2 m、高1 m，其側(cè)面與底面均采用混凝土抹面，底坡為5‰。

丁壩布設(shè)在水槽左岸，距水槽進(jìn)口斷面28 m，確保來流平順并接近均勻流，距水槽出口20 m，使回流得以充分發(fā)展和衰減。丁壩采用復(fù)式斷面(圖1)，其幾何形狀由一級丁壩長度b1和高度D1、二級丁壩長度b2和高度D2控制，其中二級丁壩長度b2決定了實(shí)際工程中較高一級丁壩的整治線寬度，并對復(fù)式斷面丁壩區(qū)流速分布特征影響明顯。因此，本文重點(diǎn)探討二級丁壩長度和水流條件的影響。根據(jù)試驗(yàn)水槽情況，取b1=80 cm，D1=15 cm，D2=35 cm，b2分別取20，40，60 cm。不考慮丁壩頂部寬度和上、下游邊坡的影響，設(shè)計(jì)成頂寬10 cm的直立式丁壩，壩頭為半圓形，各級丁壩均采用混凝土制作，并在表面涂上一層紅漆。

圖1 復(fù)式斷面丁壩及流速測點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Spur dike with compound section in the test and arrangement of velocity measuring points

試驗(yàn)水流為恒定流，流量Q采用矩形量水堰控制，水深H通過尾門控制，試驗(yàn)中尾門水深固定為H0=35 cm，共設(shè)置5組試驗(yàn)工況(表1)。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

試驗(yàn)段共布置7個(gè)測流斷面(CS1—CS7)，丁壩軸線位于CS3，上游CS1—CS2斷面距丁壩軸線分別為75,25 cm，下游CS4—CS7斷面分別距丁壩軸線25，50，100，150 cm。各斷面沿寬度方向均布設(shè)11條測流垂線，中間2#—10#垂線間距20 cm，兩端1#和11#垂線距邊壁約5 cm(見圖1)；流速采集的水深范圍為4～31 cm，流速測點(diǎn)間距4.5 cm，其中一級丁壩頂部各垂線布置4個(gè)測點(diǎn)，其余各垂線布置7個(gè)測點(diǎn)，采樣點(diǎn)位于流速儀正下方4 cm處。流速數(shù)據(jù)應(yīng)用小威龍Vectrino流速儀采集，采樣頻率80 Hz，單點(diǎn)采樣數(shù)24 000個(gè)。由于信噪比(SNR)和相關(guān)系數(shù)(COR)對流速數(shù)據(jù)質(zhì)量影響顯著，根據(jù)相關(guān)要求，本文選用了SNR≥20 dB、COR≥70%的流速數(shù)據(jù)，并采用文獻(xiàn)[14]的方法對流速數(shù)據(jù)進(jìn)行去除毛刺和濾波處理。

3 結(jié)果與討論

試驗(yàn)顯示，各工況的垂向流速均遠(yuǎn)小于縱向流速及橫向流速，因此這里重點(diǎn)分析縱向流速和橫向流速的分布情況。為便于對比，對相關(guān)物理量進(jìn)行了無量綱化處理，其中各方向流速(縱向流速u、橫向流速v、合流速Um)均采用試驗(yàn)流速進(jìn)行無量綱化，試驗(yàn)流速統(tǒng)一選用工況2的尾門斷面平均流速U0(U0=0.186 m/s)；沿程位置x和沿槽寬位置y均采用一級丁壩長度b1(b1=0.8 m)進(jìn)行無量綱化，其中丁壩軸線處的沿程距為0，上游為負(fù)，下游為正；垂向位置z采用尾門斷面水深H0(H0=0.35 m)進(jìn)行無量綱化，水底z=0。

3.1 平面流速分布

3.1.1 表層合流速

根據(jù)流速測量情況，取最上層z/H=0.89為表層，數(shù)據(jù)顯示，表層縱向流速與表層合流速的分布形態(tài)較為相似。圖2給出了各試驗(yàn)工況下表層相對合流速Um/U0的分布情況，其中工況1，2，3的二級丁壩長度b2不同，工況2，4，5的弗勞德數(shù)Fr不同。圖2顯示：

圖2 不同工況下表層相對合流速Um/U0分布Fig.2 Relative resultant velocity Um/U0 distribution in surface layer in different experimental conditions

(1)在保持其他參數(shù)不變的情況下，復(fù)式斷面丁壩區(qū)合流速隨著b2和Fr的增大而增大，高速區(qū)主要出現(xiàn)在一級丁壩壩頭下游外側(cè)，呈反“7”字狀分布，低速區(qū)主要出現(xiàn)在丁壩下游回流范圍；

(2)b2越大，二級丁壩束流作用越強(qiáng)，高速區(qū)流速越大，可達(dá)試驗(yàn)流速的1.4～2.0倍，高速區(qū)沿程位置向丁壩斷面上移，沿寬度位置向丁壩異側(cè)右移，寬度可達(dá)一級丁壩長度的1.2～1.7倍；

(3)一級丁壩壩頭附近的高速區(qū)范圍隨著b2的增大而縮小，并逐漸與下游高速區(qū)連為一體；

(4)受水槽來流量限制，試驗(yàn)采用的Fr變化范圍較小，其變化主要改變合流速大小，對流速分布形態(tài)基本沒有影響。

圖3 不同工況下表層相對橫向流速v/U0分布Fig.3 Relative transverse velocity v/U0 distribution in surface layer in different experimental conditions

3.1.2 表層橫向流速

由于試驗(yàn)范圍內(nèi)Fr對流速分布形態(tài)的影響較小，圖3主要給出了b2變化時(shí)的3種試驗(yàn)工況表層相對橫向流速v/U0的分布情況，本文橫流方向以從丁壩異側(cè)指向丁壩側(cè)為正，反之為負(fù)。由圖3可見：

(1)不同工況下的橫流流速分布形態(tài)總體較為相似，接近扇形。

(2)橫流較強(qiáng)區(qū)域主要出現(xiàn)在二級丁壩壩頭附近，最大可達(dá)到試驗(yàn)流速的0.45倍。

(3)隨著二級丁壩長度b2的增大，強(qiáng)橫流區(qū)范圍增大，沿程位置逐漸上移，沿寬度位置向丁壩異側(cè)右移。

3.2 橫斷面流速分布

3.2.1 縱向流速

圖4給出了工況1，2，3的相對縱向流速u/U0沿橫斷面分布情況，各工況圖中從上至下分別對應(yīng)丁壩上游斷面CS2、丁壩斷面CS3和丁壩下游斷面CS4；圖5給出了5種試驗(yàn)工況下的垂線平均縱向流速U沿橫斷面變化。圖4和圖5顯示：

圖4 不同工況下相對縱向流速u/U0沿橫斷面分布Fig.4 Relative longitudinal velocity u/U0 distribution along cross section in different experimental conditions

圖5 垂線平均縱向流速U沿橫斷面變化Fig.5 Variations of vertical average longitudinal velocity U along cross section

(1)丁壩上游斷面縱向流速高速區(qū)位于丁壩異側(cè)的水面附近，b2越大，高速區(qū)范圍及流速值也越大，最大可達(dá)試驗(yàn)流速的1.2～1.4倍，丁壩同側(cè)為呈三角形分布的低速區(qū)，其范圍隨b2的增大而增大。

(2)丁壩斷面縱向流速高速區(qū)位于一級丁壩壩頭附近，最大流速可達(dá)試驗(yàn)流速的1.8倍，呈帶狀分布，b2越大流速總體增大，但高速帶帶寬減小，分布更為集中。

(3)丁壩下游斷面縱向流速高速區(qū)也位于丁壩異側(cè)的水面附近，隨著b2的增大，高速區(qū)沿寬度位置逐漸向水槽中心移動，流速值增大，最大可達(dá)試驗(yàn)流速的1.3～1.7倍，丁壩同側(cè)為回流區(qū)，呈條帶狀分布，回流區(qū)寬度隨b2的增大而增大。

(4)b2變化和Fr變化對垂線平均縱向流速的影響主要集中在y/b1>1.25的丁壩側(cè)(見圖5中的虛線)，丁壩異側(cè)垂線平均縱向流速變化相對較小。

3.2.2 橫向流速

圖6給出了工況1，2，3的相對橫向流速v/U0沿橫斷面分布情況，各工況圖中從上至下分別對應(yīng)丁壩上游斷面CS2、丁壩斷面CS3和丁壩下游斷面CS4；圖7給出了5種試驗(yàn)工況的垂線平均橫向流速V沿橫斷面變化。由圖6和圖7可見：

(1)丁壩上游斷面強(qiáng)橫流區(qū)位于丁壩側(cè)的槽底附近，分布形狀呈楓葉型，b2越大，橫向流速值越大，最大橫向流速可達(dá)試驗(yàn)流速的0.4～0.9倍，丁壩異側(cè)橫向流速相對較弱。

(2)丁壩斷面強(qiáng)橫向流速區(qū)位于二級丁壩前緣，呈帶狀分布，b2越大，強(qiáng)橫向流速區(qū)位置越靠近槽底，帶寬減小，分布更為集中，最大橫向流速可達(dá)試驗(yàn)流速的0.9倍。

(3)丁壩下游斷面強(qiáng)橫向流速區(qū)主要位于丁壩前緣下游一帶，呈條帶狀分布，隨著b2的增大，強(qiáng)橫向流速區(qū)沿寬度位置逐漸向水槽中心移動，并向槽底集中，橫向流速增大，最大值可達(dá)試驗(yàn)流速的0.5倍。

(4)b2變化和Fr變化對垂線平均橫向流速的影響也主要集中在y/b1>1.25的丁壩側(cè)(見圖7中的虛線)，丁壩異側(cè)垂線平均橫向流速變化相對較小。

圖6 不同工況下相對橫向流速v/U0沿橫斷面分布Fig.6 Relative transverse velocity v/U0 distribution along cross section in different experimental conditions

圖7 垂線平均橫向流速V沿橫斷面變化Fig.7 Variations of vertical average transverse velocity V along cross section

3.3 縱剖面流速分布

3.3.1 縱向流速

山東省是中國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的省份之一，2017年，全省實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)總值(GDP)72678.2億元，經(jīng)濟(jì)總量穩(wěn)居全國第3位，山東省是中國的農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)增加值長期穩(wěn)居全國第一位。適宜的氣候?yàn)閰^(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了優(yōu)越自然條件，糧食作物種植分夏、秋兩季。夏糧主要是冬小麥，秋糧主要是玉米、地瓜、大豆、水稻、谷子、高粱和小雜糧。其中小麥、玉米、地瓜是山東的三大主要糧食作物。經(jīng)濟(jì)作物以棉花、煙葉、花生、蔬菜為主。山東為全國主要水果、蔬菜產(chǎn)地省份之一，煙臺蘋果、萊陽梨、大澤山葡萄、沾化冬棗、肥城桃、樂陵金絲小棗、棗莊石榴、明水香米、章丘大蔥和壽光蔬菜等全國聞名。沿海及湖區(qū)水產(chǎn)較發(fā)達(dá)，遠(yuǎn)洋漁業(yè)生產(chǎn)亦具相當(dāng)規(guī)模。

圖8給出了工況1，2，3的相對縱向流速u/U0沿縱向中軸剖面分布情況。由圖8可見：

圖8 相對縱向流速u/U0沿縱向中軸剖面分布Fig.8 Distribution of relative longitudinal velocity u/U0 along the axis profile

(1)相對縱向流速最大值出現(xiàn)在丁壩下游靠近水面附近，其沿程位置隨b2的增大而上移。

(2)b2越大，u/U0越大，最大值可達(dá)試驗(yàn)流速的1.4～1.8倍。

(3)丁壩束流后，垂向紊動增強(qiáng)，縱向流速沿垂線分布變得更為均勻。

3.3.2 橫向流速

圖9給出了工況1，2，3的橫向流速v/U0沿縱向中軸剖面分布情況。圖9顯示：

(1)橫向流速沿縱向中軸剖面呈“先增大后減小”的變化趨勢，最大值出現(xiàn)在丁壩附近靠近槽底的部位，強(qiáng)橫向流速區(qū)呈楓葉型分布。

圖9 相對橫向流速v/U0沿縱向中軸剖面分布Fig.9 Distribution of relative transverse velocity v/U0 along the axis profile

(2)b2越大，v/U0越大，最大值可達(dá)試驗(yàn)流速的0.5倍。

(3)水流流經(jīng)丁壩斷面后，橫向流速沿程衰減，至距丁壩1.5b1處橫向流速值已接近0.1U0。

4 結(jié) 論

(1)復(fù)式斷面丁壩表層合流速高速區(qū)主要出現(xiàn)在一級丁壩壩頭下游外側(cè)，呈反“7”字狀分布，二級丁壩長度b2對高速區(qū)流速大小及平面分布形態(tài)具有明顯影響，而試驗(yàn)范圍內(nèi)Fr只影響高速區(qū)合流速大小，對流速分布形態(tài)基本沒有影響；表層橫向流速平面分布接近扇形，強(qiáng)橫向流速區(qū)主要出現(xiàn)在二級丁壩壩頭附近，最大可達(dá)到試驗(yàn)流速的0.45倍。

(2)丁壩橫斷面上縱向流速高速區(qū)位于一級丁壩壩頭附近，最大流速可達(dá)試驗(yàn)流速的1.8倍，呈帶狀分布，b2越大，高速帶帶寬減小，高速區(qū)分布更為集中；強(qiáng)橫向流速區(qū)位于二級丁壩前緣，呈帶狀分布，b2越大，強(qiáng)橫向流速區(qū)位置越靠近槽底，帶寬減小，分布更為集中，最大橫向流速可達(dá)試驗(yàn)流速的0.9倍。

(3)縱剖面上縱向流速最大值出現(xiàn)在丁壩下游靠近水面附近，其沿程位置隨b2的增大而上移，b2越大，u/U0越大，最大值可達(dá)試驗(yàn)流速的1.4～1.8倍；橫向流速呈先增大后減小的變化趨勢，最大值出現(xiàn)在丁壩附近靠近槽底的部位，強(qiáng)橫向流速區(qū)呈楓葉型分布。

(4)復(fù)式斷面丁壩區(qū)流速分布規(guī)律的影響因素復(fù)雜，本文主要探討了二級丁壩長度b2和弗勞德數(shù)Fr的影響，后期應(yīng)對一級丁壩長度b1及高度D1、二級丁壩高度D2、挑角、壩頭邊坡、丁壩寬度、河道底坡和河床糙率等因素的影響進(jìn)行研究。

(5)工程實(shí)際中，天然河道邊界復(fù)雜，丁壩體型尺度千變?nèi)f化，本文基于順直矩形水槽試驗(yàn)資料獲得的流速分布規(guī)律與天然情況可能會存在一定差異，今后仍有必要結(jié)合原型觀測資料對這種差異性開展分析研究。

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