不同壩高水深比對丁壩群沖刷深度的影響研究

王福良 曹文明

摘 要：丁壩施工工法為目前國內(nèi)治理規(guī)劃常見的工程手段，本試驗借由長直渠槽，于非均勻粒徑條件下進行丁壩群試驗，設計不同壩高水深比案例，分別觀察丁壩群的沖刷深度變化，了解水流沖擊丁壩群的沖刷機制。

關鍵詞：丁壩群 局部沖刷 壩高水深比

1.研究目的

本研究通過渠槽試驗進行丁壩群試驗，在不破壞（滑移、傾斜）條件下，設計三種不同的淹沒情形，觀察丁壩群局部沖刷及沖刷范圍，藉以探討水流在通過不同壩高水深比時，其沖淤行為的轉(zhuǎn)變，為相關水利工程實務設計提供參考。

2.研究方法

本研究利用小型水槽，進行非均勻床質(zhì)丁壩群沖刷試驗。

（1）粒徑實驗：為掌握試驗砂性質(zhì)，將實驗砂進行篩分析試驗，以了解其特性。

（2）丁壩沖刷試驗：利用壓克力丁壩模型固定于底床，調(diào)整每次所需水深，當上游來水達到試驗區(qū)開始計時，當達到?jīng)_刷平衡時間后結(jié)束實驗，重復不同壩高與水深進行沖刷實驗。

（3）測量底床：到達試驗時間后關閉馬達，等渠道內(nèi)水排出后，利用動床砂面測距儀測沖刷坑地形。

3.試驗結(jié)果

3.1單支丁壩與丁壩群沖刷坑分布型態(tài)差異

a/L 為丁壩上游沖刷坑無因次長度，用來量化丁壩迎水面反射渦流產(chǎn)生的沖刷范圍；b/L 為丁壩橫斷面方向的沖刷坑無因次長度，用來量化壩頭前垂向渦流產(chǎn)生的沖刷范圍；c/L 為丁壩下游沖刷坑無因次長度，用來量化丁壩背水面回流產(chǎn)生的沖刷范圍。以下就不同壩高水深比實驗案例，說明丁壩群沖刷坑分布型態(tài)。

3.1.1 丁壩群非淹沒條件下（H/h =1.43）沖刷坑分布型態(tài)

在非淹沒條件下，丁壩迎水面、背水面及壩頭處渦流強度與上游入流條件相關，渦流強度常表現(xiàn)在沖刷坑分布型態(tài)。表1為非淹沒條件下實驗成果，在非淹沒條件下，其丁壩群沖刷坑無因次長度 a/L、b/L、c/ L，與上游入流福祿數(shù)成正比，說明當上游入流福祿數(shù)增加時，水流通過丁壩群產(chǎn)生的沖刷坑范圍將增加。

沖刷坑無因次長度 c/L除與上游入流福祿數(shù)有關外，亦與丁壩布置數(shù)量及長度相關；在相近水流條件下，若丁壩布置數(shù)量及長度（往下游方向）增加，其沖刷坑無因次長度c/L 也將增加。

3.1.2 丁壩群洽淹沒下 （H/h = 0.83）沖刷坑分布型態(tài)

丁壩群在洽淹沒下，其上游水深等于或略高于丁壩壩高；此時因越壩渦流仍少，故其丁壩迎水面、背水面及壩頭處渦流型態(tài)與非淹沒案例相近，差別僅在其水流福祿數(shù)比非淹沒案例（H/h = 1.43）高。在洽淹沒下，其丁壩群沖刷坑無因次長度 a/ L、b/L、c/L與上游入流福祿數(shù)成正比，與非淹沒丁壩群案例成果相近。

在相同壩高條件下，水流福祿數(shù)增加，壩高-水深比由非淹沒（H/h = 1.43）遞減至洽淹沒（H/h = 0.83）過程，其洽淹沒下測得的沖刷坑無因次長度 a/L、b/L 及 c/L 均比非淹沒案例高。比較丁壩群沖刷坑分布型態(tài)變化，可知當入流條件由非淹沒轉(zhuǎn)為洽淹沒過程，其水流通過丁壩群產(chǎn)生的沖刷坑范圍增加，并與淹沒比例成正比。

3.1.3 丁壩群淹沒條件下（H/h = 0.67）沖刷坑分布型態(tài)

丁壩群在淹沒條件下，其上游水深高于丁壩壩高；此時因有越壩水流產(chǎn)生，丁壩周圍流場形態(tài)系不同于非淹沒及洽淹沒案例。當水流接近淹沒式丁壩迎水面時，除既有反射渦流外，另有一股渦流垂直向上越過丁壩頂部，并進入下游丁壩壩間；而當越壩渦流進入下游丁壩壩間后，因受下游第二支丁壩迎水面的邊界限制，越壩渦流開始往丁壩壩間的底床方向發(fā)展，并與既有丁壩背水面回流，形成復雜三維流場。

在淹沒條件下，其丁壩群沖刷坑無因次長度 a/L、b/L、c/L與上游入流福祿數(shù)成正比，與非淹沒、洽淹沒丁壩群案例成果相近。在相同壩高條件下，在水流福祿數(shù)增加，壩高-水深比由非淹沒（H/h = 1.43）遞減至洽淹沒 （H/h = 0.83）、淹沒 （H/h = 0.67）過程，其沖刷坑無因次長度 a/ L、b/L、c/L 逐漸增加，與淹沒比例成正比。

本實驗屬清水沖刷試驗，故不同案例壩間沖淤體積皆為沖刷；不過，若比較各丁壩壩間的沖刷體積變化，可歸納出在淹沒條件下，丁壩群壩間沖刷體積會隨丁壩布置數(shù)量及長度（往下游方向）增加而遞減。反之，在非淹沒條件下，#2 號丁壩壩間沖刷體積等于或大于 #1 號丁壩壩間沖刷體積。在洽淹沒條件下，丁壩群壩間沖刷體積變化與淹沒案例相近，壩間沖刷體積沿下游方向減少。隨著壩高-水深比的增加，非淹沒至淹沒過程，其丁壩壩間沖刷體積沿下游方向減少；另隨著壩高-水深比的增加，水流通過丁壩群產(chǎn)生沖刷坑無因次長度 a/L、b/L、c/L 則隨之增加。

3.2 不同壩高-水深比對丁壩群壩頭沖刷深度影響

Suzuki et al. （1987） 在非淹沒條件下分析丁壩群壩頭沖刷深度變化，其實驗成果說明丁壩群最大壩頭沖刷深度發(fā)生在首支丁壩，而下游任一支丁壩產(chǎn)生的壩頭沖刷深度，均小于首支丁壩；其沖刷深度遞減比例介于28%～84%。本研究淹沒、洽淹沒及非淹沒案例中，同樣可觀察到丁壩群最大壩頭沖刷深度發(fā)生在首支丁壩，而下游任一支丁壩產(chǎn)生壩頭沖刷深度小于首支丁壩；而沖刷遞減比例在淹沒案例為 36% ～ 54%、洽淹沒案例為 43% ～ 69%、非淹沒案例為 63% ～ 89%。比較Suzuki et al. （1987）與本研究實驗成果，丁壩群壩頭沖刷深度沿下游方向最大遞減比例介于84%～89%間。

就丁壩群最大壩頭沖刷深度而言，在非淹沒及洽淹沒下，其最大壩頭沖刷深度與上游入流福祿數(shù)成正比，如圖1所示。比較本實驗與前人成果，可知丁壩群最大沖刷深度隨福祿數(shù)變化情形，與單支丁壩案例相近。由圖可知，上游入流福祿數(shù)可用來推估非淹沒及洽淹沒案例的丁壩群最大壩頭沖刷深度，惟在淹沒案例中，其福祿數(shù)與丁壩群最大沖刷深度關系并不明顯。

3.3 泥砂粒徑分布

試驗結(jié)束后，觀測到水流流經(jīng)丁壩時，通水斷面積減少流速增加，水流會將丁壩周遭細顆粒泥砂往下游帶，形成粗化現(xiàn)象，當?shù)状膊粩嘞滤⑼ㄋ娣e逐漸增加，沖刷趨近于平衡挾砂能力下降，此時細顆粒泥砂會附著在丁壩沖刷坑外圍、壩間的粗顆粒上，形成砂帶。

4.結(jié)論

（1）丁壩群沖刷坑無因次長度a/L、b/L、c/L，在壩高-水深比由非淹沒（H/h = 1.43）遞減至洽淹沒（H/ h = 0.83）、淹沒（H/h = 0.67）過程，皆與上游入流福祿數(shù)成正比，并發(fā)現(xiàn)丁壩布置數(shù)量多寡會影響c/L，但并不改變a/L及b/L變化范圍。

（2）在洽淹沒、淹沒條件下，丁壩群壩間沖刷體積會隨丁壩布置數(shù)量及長度（往下游方向）增加而遞減。反之，在非淹沒條件下，#2號丁壩壩間沖刷體積等于或大于 #1 號丁壩壩間沖刷體積。

（3）在三種壩高水深比條件下，丁壩群最大壩頭沖刷深度皆發(fā)生在首支丁壩。

（4）在未淹沒及洽淹沒時，上游福祿數(shù)是影響沖刷深度的主因，在淹沒條件時影響并不明顯，推測在淹沒條件下斷面開闊比為影響沖刷深度的重要因素。

參考文獻：

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