不同壩高水深比對(duì)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(guó)內(nèi)治理規(guī)劃常見(jiàn)的工程手段，本試驗(yàn)借由長(zhǎng)直渠槽，于非均勻粒徑條件下進(jìn)行丁壩群試驗(yàn)，設(shè)計(jì)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(jī)制。

關(guān)鍵詞：丁壩群 局部沖刷 壩高水深比

1.研究目的

本研究通過(guò)渠槽試驗(yàn)進(jìn)行丁壩群試驗(yàn)，在不破壞（滑移、傾斜）條件下，設(shè)計(jì)三種不同的淹沒(méi)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(guò)不同壩高水深比時(shí)，其沖淤行為的轉(zhuǎn)變，為相關(guān)水利工程實(shí)務(wù)設(shè)計(jì)提供參考。

2.研究方法

本研究利用小型水槽，進(jìn)行非均勻床質(zhì)丁壩群沖刷試驗(yàn)。

（1）粒徑實(shí)驗(yàn)：為掌握試驗(yàn)砂性質(zhì)，將實(shí)驗(yàn)砂進(jìn)行篩分析試驗(yàn)，以了解其特性。

（2）丁壩沖刷試驗(yàn)：利用壓克力丁壩模型固定于底床，調(diào)整每次所需水深，當(dāng)上游來(lái)水達(dá)到試驗(yàn)區(qū)開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到?jīng)_刷平衡時(shí)間后結(jié)束實(shí)驗(yàn)，重復(fù)不同壩高與水深進(jìn)行沖刷實(shí)驗(yàn)。

（3）測(cè)量底床：到達(dá)試驗(yàn)時(shí)間后關(guān)閉馬達(dá)，等渠道內(nèi)水排出后，利用動(dòng)床砂面測(cè)距儀測(cè)沖刷坑地形。

3.試驗(yàn)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(wú)因次長(zhǎng)度，用來(lái)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(wú)因次長(zhǎng)度，用來(lái)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(wú)因次長(zhǎng)度，用來(lái)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(shí)驗(yàn)案例，說(shuō)明丁壩群沖刷坑分布型態(tài)。

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

在非淹沒(méi)條件下，丁壩迎水面、背水面及壩頭處渦流強(qiáng)度與上游入流條件相關(guān)，渦流強(qiáng)度常表現(xiàn)在沖刷坑分布型態(tài)。表1為非淹沒(méi)條件下實(shí)驗(yàn)成果，在非淹沒(méi)條件下，其丁壩群沖刷坑無(wú)因次長(zhǎng)度 a/L、b/L、c/ L，與上游入流福祿數(shù)成正比，說(shuō)明當(dāng)上游入流福祿數(shù)增加時(shí)，水流通過(guò)丁壩群產(chǎn)生的沖刷坑范圍將增加。

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

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

丁壩群在洽淹沒(méi)下，其上游水深等于或略高于丁壩壩高；此時(shí)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(méi)案例相近，差別僅在其水流福祿數(shù)比非淹沒(méi)案例（H/h = 1.43）高。在洽淹沒(méi)下，其丁壩群沖刷坑無(wú)因次長(zhǎng)度 a/ L、b/L、c/L與上游入流福祿數(shù)成正比，與非淹沒(méi)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(méi)（H/h = 1.43）遞減至洽淹沒(méi)（H/h = 0.83）過(guò)程，其洽淹沒(méi)下測(cè)得的沖刷坑無(wú)因次長(zhǎng)度 a/L、b/L 及 c/L 均比非淹沒(méi)案例高。比較丁壩群沖刷坑分布型態(tài)變化，可知當(dāng)入流條件由非淹沒(méi)轉(zhuǎn)為洽淹沒(méi)過(guò)程，其水流通過(guò)丁壩群產(chǎn)生的沖刷坑范圍增加，并與淹沒(méi)比例成正比。

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

丁壩群在淹沒(méi)條件下，其上游水深高于丁壩壩高；此時(shí)因有越壩水流產(chǎn)生，丁壩周?chē)鲌?chǎng)形態(tài)系不同于非淹沒(méi)及洽淹沒(méi)案例。當(dāng)水流接近淹沒(méi)式丁壩迎水面時(shí)，除既有反射渦流外，另有一股渦流垂直向上越過(guò)丁壩頂部，并進(jìn)入下游丁壩壩間；而當(dāng)越壩渦流進(jìn)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(kāi)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(fù)雜三維流場(chǎng)。

在淹沒(méi)條件下，其丁壩群沖刷坑無(wú)因次長(zhǎng)度 a/L、b/L、c/L與上游入流福祿數(shù)成正比，與非淹沒(méi)、洽淹沒(méi)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(méi)（H/h = 1.43）遞減至洽淹沒(méi) （H/h = 0.83）、淹沒(méi) （H/h = 0.67）過(guò)程，其沖刷坑無(wú)因次長(zhǎng)度 a/ L、b/L、c/L 逐漸增加，與淹沒(méi)比例成正比。

本實(shí)驗(yàn)屬清水沖刷試驗(yàn)，故不同案例壩間沖淤體積皆為沖刷；不過(guò)，若比較各丁壩壩間的沖刷體積變化，可歸納出在淹沒(méi)條件下，丁壩群壩間沖刷體積會(huì)隨丁壩布置數(shù)量及長(zhǎng)度（往下游方向）增加而遞減。反之，在非淹沒(méi)條件下，#2 號(hào)丁壩壩間沖刷體積等于或大于 #1 號(hào)丁壩壩間沖刷體積。在洽淹沒(méi)條件下，丁壩群壩間沖刷體積變化與淹沒(méi)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(méi)至淹沒(méi)過(guò)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(guò)丁壩群產(chǎn)生沖刷坑無(wú)因次長(zhǎng)度 a/L、b/L、c/L 則隨之增加。

3.2 不同壩高-水深比對(duì)丁壩群壩頭沖刷深度影響

Suzuki et al. （1987） 在非淹沒(méi)條件下分析丁壩群壩頭沖刷深度變化，其實(shí)驗(yàn)成果說(shuō)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(méi)、洽淹沒(méi)及非淹沒(méi)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(méi)案例為 36% ～ 54%、洽淹沒(méi)案例為 43% ～ 69%、非淹沒(méi)案例為 63% ～ 89%。比較Suzuki et al. （1987）與本研究實(shí)驗(yàn)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(méi)及洽淹沒(méi)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(shí)驗(yàn)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(lái)推估非淹沒(méi)及洽淹沒(méi)案例的丁壩群最大壩頭沖刷深度，惟在淹沒(méi)案例中，其福祿數(shù)與丁壩群最大沖刷深度關(guān)系并不明顯。

3.3 泥砂粒徑分布

試驗(yàn)結(jié)束后，觀測(cè)到水流流經(jīng)丁壩時(shí)，通水?dāng)嗝娣e減少流速增加，水流會(huì)將丁壩周遭細(xì)顆粒泥砂往下游帶，形成粗化現(xiàn)象，當(dāng)?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(shí)細(xì)顆粒泥砂會(huì)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(wú)因次長(zhǎng)度a/L、b/L、c/L，在壩高-水深比由非淹沒(méi)（H/h = 1.43）遞減至洽淹沒(méi)（H/ h = 0.83）、淹沒(méi)（H/h = 0.67）過(guò)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(huì)影響c/L，但并不改變a/L及b/L變化范圍。

（2）在洽淹沒(méi)、淹沒(méi)條件下，丁壩群壩間沖刷體積會(huì)隨丁壩布置數(shù)量及長(zhǎng)度（往下游方向）增加而遞減。反之，在非淹沒(méi)條件下，#2號(hào)丁壩壩間沖刷體積等于或大于 #1 號(hào)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(méi)及洽淹沒(méi)時(shí)，上游福祿數(shù)是影響沖刷深度的主因，在淹沒(méi)條件時(shí)影響并不明顯，推測(cè)在淹沒(méi)條件下斷面開(kāi)闊比為影響沖刷深度的重要因素。

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