樁板組合沖水壩流態(tài)導(dǎo)控功效數(shù)理模擬分析

鄧衛(wèi)斌，余 敏

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，南昌 330025)

流態(tài)導(dǎo)控是河道水工安全和科學(xué)治理的技術(shù)研究領(lǐng)域，良好的流態(tài)干預(yù)技術(shù)對(duì)河道調(diào)節(jié)行流和控制積淤會(huì)發(fā)揮特定功效。本文參考案例工程實(shí)用數(shù)據(jù)，借助二維平面流水動(dòng)力MIKE21FM數(shù)理模擬分析方式，對(duì)樁板組合沖水壩流態(tài)導(dǎo)控功效進(jìn)行分析探討，以期為同類(lèi)工程應(yīng)用提供技術(shù)參考，助力建設(shè)高調(diào)流功效的樁板組合沖水壩工程。

1 樁板組合沖水壩概念

樁板組合沖水壩由預(yù)制樁和預(yù)制板組合配置而成，借助入水角差異在河槽水流中形成功效環(huán)流，達(dá)成流速控制和流態(tài)干預(yù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)淤積的特定功效。樁板組合沖水壩具體構(gòu)造及工作機(jī)理見(jiàn)圖1及圖2。

圖1 樁板組合沖水壩結(jié)構(gòu)

圖2 樁板組合沖水壩工作機(jī)理

樁板組合沖水壩底部錨固、中部成墻、頂部透水，不但擁有過(guò)水優(yōu)勢(shì)，還能夠經(jīng)過(guò)深基樁錨固，獲得更為穩(wěn)定牢固的壩基礎(chǔ)。樁板組合沖水壩施工可以實(shí)施沖水沉樁工藝，預(yù)置射水管于預(yù)制樁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，沉樁施工時(shí)，以高壓水沖刷樁尖及附近淤沙泥或巖土體，消除樁尖阻力，讓樁體在自身重力及其他應(yīng)力復(fù)合作用下，逐步沉樁就位。沉樁施工操作相對(duì)阻力小、耗時(shí)短、效率高和造價(jià)低。樁板組合沖水壩能夠形成相對(duì)較強(qiáng)且可以人為調(diào)整的功效環(huán)流，對(duì)防范堤防沖毀、控制河灘退縮和保護(hù)區(qū)域生態(tài)植被尤其具有應(yīng)用價(jià)值。

2 數(shù)理模型及實(shí)驗(yàn)組次

本文參考某黃河流段樁板組合沖水壩行流治淤工程實(shí)用技術(shù)數(shù)據(jù)，利用二維平面流水動(dòng)力MIKE21FM模型開(kāi)展樁板組合沖水壩功效模擬計(jì)算分析。借助該計(jì)算系統(tǒng)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格演算生成器對(duì)模擬區(qū)域地形給與模擬剖分，生成模擬計(jì)算分析所需要的網(wǎng)絡(luò)文件，其網(wǎng)格面積最大不超過(guò)0.001 km2。案例樁板組合沖水壩平面配置見(jiàn)圖3。案例模擬地形及網(wǎng)格剖分見(jiàn)圖4。

灘地糙率取值0.030，河槽糙率取值0.025。實(shí)驗(yàn)系列分別是：①一座樁壩，基于45°、30°和15°共3種入水角；②橫向樁壩3座，基于45°、30°和15°共3種入水角；③縱向樁壩3座，基于30°入水角，縱向樁壩間距取為45、30和15 m；④取30°入水角，縱向樁壩間距取值30 m，橫向樁壩分別取三排9座、兩排6座和一排3座。主要模擬參數(shù)變化見(jiàn)表1。

圖3 案例樁板組合沖水壩配置平面圖

圖4 案例模擬地形及網(wǎng)格剖分

入水角度 /(°)排數(shù)縱間距 /m樁厚 /m樁高 /m樁長(zhǎng) /m流量 /m3·s-1151(3)150.38153 000302(6)300.38153 000603(9)450.38153 000

3 樁板組合沖水壩導(dǎo)控功效模擬計(jì)算分析

3.1 基于入水角差異的導(dǎo)控功效分析

1) 差異入水角單壩水位流速分布。實(shí)驗(yàn)組次見(jiàn)表2：

表2 差異入水角等同流量單座橫向壩實(shí)驗(yàn)組次

基于3種入水角度，樁板組合壩上下游的水位、流速分布狀態(tài)見(jiàn)圖5-圖7。

圖5 入水角15°的單壩水位流速分布

圖6 入水角30°的單壩水位流速分布

圖7 入水角60°的單壩水位流速分布

圖5-圖7揭示，在單座組合樁工況下，并沒(méi)有引發(fā)顯著動(dòng)速率變化，而且在樁板組合壩的近處水流即可恢復(fù)正常，導(dǎo)送溜長(zhǎng)度相對(duì)較短。所以在入水角差異時(shí)，單座樁板組合壩的導(dǎo)控功效差異并不明顯。

2) 差異入水角3壩水位流速分布。樁板組合壩初始部位與單座部位相同，后兩壩則以間距10 m橫向于凸岸側(cè)布配。布設(shè)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 差異入水角等同流量3座橫向壩實(shí)驗(yàn)組次

基于3種入水角，樁板組合壩上下游的水位、流速分布狀態(tài)見(jiàn)圖8-圖10。

圖8 入水角15°的3壩水位流速分布

圖9 入水角30°的3壩水位流速分布

圖10 入水角60°的3壩水位流速分布

通過(guò)橫向3座樁板組合壩基于差異入水角條件的水位流速分布可以發(fā)現(xiàn)，在選用橫向3座樁板組合壩工況下，上下游水流方向和送溜長(zhǎng)度均較前述單座工況下顯著加大。

3.2 基于縱向樁間距差異的導(dǎo)控功效分析

實(shí)驗(yàn)組次參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 差異樁距相同入水角組合壩實(shí)驗(yàn)組次

基于縱向上的45、30和15 m間距差異條件，計(jì)算獲取樁板組合壩的水位流速分布狀態(tài)，見(jiàn)圖11-圖13。

圖11 基于15 m間距的水位流速分布

圖12 基于30 m間距的水位流速分布

圖13 基于45 m間距的水位流速分布

圖11-圖13揭示，加大樁壩密度不管是縱向還是橫向，其對(duì)上下游送溜長(zhǎng)度及導(dǎo)流長(zhǎng)度均起到助力和強(qiáng)化作用。沿河面縱向和壩基、壩中和壩頭對(duì)應(yīng)部位，取10個(gè)測(cè)點(diǎn)，計(jì)算提取其水位流速狀態(tài)值，并相應(yīng)計(jì)算水位差、流速差的最小值、最大和平均值演變情況，計(jì)算成果見(jiàn)表5-表7。

表5 基于樁距差異的上下游流速差

表6 基于樁距差異的上下游水位差

表7 基于樁距差異的上下游水力狀態(tài)

經(jīng)過(guò)比較上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，3座縱向樁板組合壩和縱向間距差異工況條件下，樁板組合壩送溜長(zhǎng)度分別為78.10、59.76和64.03 m，相對(duì)于單座樁板組合壩的送溜區(qū)域僅在50 m左右，3座樁板組合壩送溜區(qū)域有顯著加增。樁板組合壩縱向上的間距為45、30和15 m時(shí)，3座樁板組合壩水位前后差在-1.045～0.220 m之間，相對(duì)于單座配置的功效有明顯提高；縱向上間距取45 m時(shí)，樁板組合壩上下游水體水位差相對(duì)最大，表現(xiàn)為下游水位顯著降低；從表7也能夠看到，樁板組合壩阻水能力隨著樁間距加大而逐漸提高。

綜合以上水位差及流動(dòng)速率分析發(fā)現(xiàn)，縱向間距差異時(shí)，樁板組合壩流動(dòng)速率差及水位差的最小最大值間的差異并不十分明顯?？v向上間距取值45 m時(shí)，樁板組合壩在阻水功效相對(duì)較好。所以，樁板組合壩在縱向間距差異布配時(shí)，對(duì)整體導(dǎo)控功效的影響并不大。計(jì)算結(jié)果揭示，選用縱向3座樁板組合壩水位上下游差最小最大值之差與單壩水位上下游差最小最大值之差間存在顯著加增，所以加增樁板組合壩的樁壩縱向密度，能夠強(qiáng)化阻水功效。

3.3 基于布配組合差異的導(dǎo)流功效分析

1) 基于布配組合差異的水位速率分布。為分析橫向布配數(shù)差異對(duì)導(dǎo)控功效的影響，以3座縱向樁壩設(shè)置于1排、2排及3排為條件，開(kāi)展模擬計(jì)算和分析，實(shí)驗(yàn)組次參數(shù)見(jiàn)表8。

表8 布配結(jié)構(gòu)差異入水角等同的樁板組合壩實(shí)驗(yàn)組次

計(jì)算所得樁板組合壩附近的水位流速分布狀態(tài)見(jiàn)圖14-圖16。

圖14 組合壩1排樁工況水位流速分布

圖15 組合壩2排樁工況水位流速分布

圖16 組合壩3排樁工況水位流速分布

經(jīng)過(guò)橫向加增樁板組合壩的配置數(shù)，從樁板組合壩上下游水位流動(dòng)速率分布狀態(tài)中可以看到，隨著排數(shù)的加增，樁板組合壩的流動(dòng)速率發(fā)生劇烈變化，而且隨著橫向布配數(shù)的加增，樁板組合壩對(duì)上下游的影響距離也存在顯著提高。

2) 基于間距差異的導(dǎo)控功效分析。沿河面縱向和壩基、壩中和壩頭對(duì)應(yīng)部位，取10個(gè)測(cè)點(diǎn)，計(jì)算對(duì)應(yīng)位置水位和流速分布狀態(tài)，同時(shí)計(jì)算水位差、流動(dòng)速率差的最小最大值及均值變化狀態(tài)，計(jì)算成果見(jiàn)表9-表11。

表9 基于排列差異的組合壩水位上下游差

表10 基于排列差異的組合壩流速上下游差

表11 基于排列差異的組合壩水力上下游差

數(shù)據(jù)比較揭示，在布配形式差異時(shí)，樁板組合壩的阻水功效有顯著差異，阻水功效隨布配數(shù)量的加增而顯著提升。水位在-1.497～-0.082 m范圍演變，水位變化顯著加大；前后流動(dòng)速率在-0.873～-1.353 m/s之間演變，差異范圍相對(duì)較小。3排9座配置時(shí)，水位上下游差相對(duì)最大，表現(xiàn)為下游水位顯著下降。1排工況的下游導(dǎo)流影響范圍是179.79 m；2排工況的下游導(dǎo)流影響范圍是216.33 m；3排工況的下游導(dǎo)流影響范圍是263.32 m，相對(duì)單排工況加增顯著。

綜合上述數(shù)據(jù)可以看到，隨著樁壩排數(shù)布配的加增，組合壩的導(dǎo)流影響范圍發(fā)生顯著提升，尤其較比單排樁設(shè)置的導(dǎo)流影響范圍，提升尤為顯著，所以樁板組合壩的排數(shù)設(shè)置變化對(duì)導(dǎo)流影響范圍和送溜長(zhǎng)度影響較大。而且，隨著樁壩排數(shù)布配的加增，流動(dòng)速率變化卻并不明顯，或許是由于3排9座或縱向3座配置時(shí)樁板組合壩的間距相對(duì)較小，阻水面積相對(duì)較大，對(duì)水流存在一定程度的阻礙作用，致使發(fā)生漫頂過(guò)流，水流流動(dòng)速率在上下游就未出現(xiàn)顯著改變。總而言之，在樁板組合壩橫縱向均提高布設(shè)密度時(shí)，樁板組合壩的阻水功效相對(duì)橫向3座及單排樁板組合壩的送溜和阻水功效均更為顯著，所以應(yīng)適當(dāng)加增樁板組合壩的配置密度，會(huì)對(duì)河道導(dǎo)控功效有顯著改善。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文參考案例工程實(shí)用數(shù)據(jù)，借助二維平面流水動(dòng)力MIKE21FM數(shù)理模擬分析方式，對(duì)樁板組合沖水壩流態(tài)導(dǎo)控功效進(jìn)行分析探討：①梳理介紹樁板組合沖水壩概念；②建立樁板組合沖水壩二維平面流水動(dòng)力MIKE21FM數(shù)理計(jì)算模型；③開(kāi)展樁板組合沖水壩導(dǎo)控功效模擬計(jì)算分析；④經(jīng)分析確認(rèn)，在縱向及橫向加增樁壩數(shù)量，樁板組合壩附近的水位流動(dòng)速率變化并不顯著；而樁板組合壩在縱向3座的配置下，加增縱向布配數(shù)，樁板組合壩的附近導(dǎo)流影響范圍和水位流動(dòng)速率變化顯著，導(dǎo)控功效顯著增強(qiáng)。