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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