透水丁壩縱向流速分布試驗研究

贠寶革

(重慶交通大學 河海學院，重慶 400074)

丁壩自應用于實際工程以來，對其水力特性的研究就從未停止過。潘海靜[1]等通過斷面流速分布相似和大尺度渦疊加的方法，研究了丁壩水流恢復區(qū)長度的計算；鄭宇華[2]等通過超聲水位和PIV流速測量技術，對不同水力坡度下非淹沒丁壩紊動強度在主流區(qū)的變化規(guī)律、壩后回流區(qū)范圍和近壁流速變化進行了研究；歐陽澍[3]等通過三維數(shù)值水槽的方法對梯形透空式潛壩透水率和淹沒程度對壩后回區(qū)流速變化影響進行了研究；張婧[4]等通過水槽概化模型研究了不同繞流結構體對三維時均流速的影響；鐘亮[5-6]等通過室內(nèi)水槽試驗開展了非淹沒復試斷面丁壩流速分布，通過數(shù)值模擬的方法研究了階梯形丁壩對來流和回流的影響；孫志林[7]等通過水槽實驗研究了丁壩周圍流動和局部沖刷；韓晗[8]等通過水槽試驗對回流區(qū)流速分布和泥沙輸移進行了研究；顧杰等[9]通過超聲水位和PIV流速測量技術，對U形水槽中不同水力坡度淹沒丁壩斷面流速進行了研究；黃小利等[10]通過ADV測量研究了水槽堆積體附近流速變化規(guī)律；張玉等[11]通過水槽試驗對挑流石作用下丁壩周圍流速變化進行了研究；楊蘭[12]等通過數(shù)值模擬的方法研究了非淹沒丁壩周圍流場變化和局部沖刷；楊靜等[13]通過丁壩水流紊動實驗對主流區(qū)、回流區(qū)和回流負流區(qū)進行了流速與切應力的研究。學者多是基于實體丁壩進行研究，而實際工程中采用散拋石丁壩，具有一定的透水特性，模型試驗中實體丁壩不能準確反應拋石丁壩水力特性，本文為進一步還原實際河道中丁壩附近水力特性，采用透水丁壩的形式，通過改變丁壩淹沒程度、空隙率和空隙尺寸條件，對丁壩上游回水區(qū)、下游回水區(qū)和主流區(qū)的縱向流速在垂向分布進行研究。以便更好服務于實際工程中丁壩的維修加固提。

1 模型設計

試驗在重慶交通大學航道試驗廳長為30 m、寬為2 m、高為1 m的矩形玻璃水槽中進行。通過對長江上游已建丁壩的統(tǒng)計分析并結合實驗室實際情況，決定應用1:40的正挑丁壩作為模型丁壩。丁壩橫斷面為梯形斷面，壩頭為圓弧形壩頭，迎水坡坡比m1=1：1.5，背水坡坡比m2=1:2，壩頂寬b=7.5 cm，壩高d=10 cm，壩長L=50 cm；控制水深分別采用剛淹沒丁壩H1=11 cm，淹沒水深H2=14 cm和H3=17 cm；控制流量分別采用Q1=65 L/s，Q2=95 L/s，Q3=135 L/s；空隙率分別采用P1=6.8%，P2=14.1%，P3=22.5%；空隙尺寸分別采用R1=16 mm，R2=20 mm，R3=32 mm，模型丁壩實例見圖1；相應試驗工況見表1。在丁壩附近布置13個觀測斷面，每個斷面上布置7個觀測點，每個觀測點采用3點法(0.2H，0.6H，0.8H)采樣流速數(shù)據(jù)。丁壩及觀測斷面布置示意如圖2。

圖1 模型丁壩實例示意

表1 實驗工況

圖2 丁壩及觀測斷面布置示意

2 研究方法

采用控制單一變量法，通過控制不同淹沒程度，不同空隙率，不同空隙尺寸以達到研究縱向流速在水深方向的分布規(guī)律。首先以丁壩為基點從左到右，從下到上的方向，其坐標值均采用相對坐標值表示：平面以X/L和Y/L表示；垂向以相對水深(H-h)/H表示，其中h是從水面向下的水深；平面速度以V與上游控制邊界處平均速度V0的比值V/V0表示；淹沒程度以Z/H表示，其中Z=H-d表示淹沒水深。以此研究丁壩上游回水區(qū)A、下游回水區(qū)B和主流區(qū)C的縱向流速分布規(guī)律。平面上的流速分區(qū)如圖3所示。

圖3 平面流速分區(qū)示意

3 縱向流速在垂線上的分布

3.1 不同淹沒條件下縱向流速分布

以透水丁壩R1=16 mm，P1=6.8%為例。研究不同淹沒程度條件下，上游回流區(qū)A，下游回流區(qū)B，主流區(qū)C各選取兩個觀測點進行流速分析。

3.1.1上游回流區(qū)(A區(qū))

由圖4可知，上游回流區(qū)在相同空隙條件下，流速大小跟淹沒程度呈正相關。在回水區(qū)范圍內(nèi)無論是底層流速還是表層流速都小于控制斷面的平均流速。淹沒程度為0.1倍水深時，丁壩上游0.38倍壩長處0.2倍水深對應0.31倍控制平均流速；0.4倍水深對應0.42倍控制平均流速；0.8倍水深對應0.35倍控制平均流速；流速呈現(xiàn)從底層到表層先增大后減小的現(xiàn)象，1.88倍壩長處服從相同的變化規(guī)律。淹沒程度為0.7倍水深時，丁壩上游0.38倍壩長處0.2倍水深對應0.5倍控制平均流速；0.4倍水深對應0.7倍控制平均流速；0.8倍水深對應0.81倍控制平均流速；流速從底層到表層逐漸增大，1.88倍壩長處服從相同的變化規(guī)律。這是由于在淹沒系數(shù)較小的條件下，丁壩的阻水作用比較突出，翻壩水流較小，中層水流受到丁壩迎水坡的阻擋產(chǎn)生上反水流減小表層流速；當淹沒系數(shù)較大的條件下，丁壩的阻水作用減弱，翻壩水流較大，液體的粘滯性起主要作用帶動表層水體流動而沒有形成明顯的表層流速減小現(xiàn)象。

圖4 透水丁壩在不同淹沒條件下上游回流區(qū)測點V/V0的垂向分布示意

3.1.2下游回流區(qū)(B區(qū))

由圖5可知，下游回水區(qū)在不同淹沒條件下，表層流速大小跟淹沒程度呈正相關。在下游1.68倍壩長處，不同淹沒條件下，無論是底層流速還是表層流速都小于控制平均流速。淹沒程度為0.4倍水深時，流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢，1.68倍壩長處服從相同的變化規(guī)律。淹沒程度為0.7倍水深服從相同的變化規(guī)律。在壩下游0.48倍壩長處，距左岸0.5倍位置，淹沒程度為0.1倍水深出現(xiàn)0.2倍水深流速最大，0.4倍水深和0.8倍水深流速相對偏小且大小相近。這是因為在淹沒系數(shù)較小的條件下，距離背水坡坡腳較近處，翻壩水流較小，壩后水深小，壩頂和壩后水位差大，水流從壩頂下泄后，由于背水坡的存在產(chǎn)生急速向下的水流直接楔進水底致使底層流速大于表層流速，而較遠處因水流的摻混作用而消失；淹沒系數(shù)相對較大條件下，翻壩水流較大，壩頂和壩后水位差較小，沒有產(chǎn)生明顯的下潛水流，流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象。

圖5 透水丁壩在相同空隙條件下下游回流區(qū)測點V/V0的垂向分布示意

3.1.3主流區(qū)(C區(qū))

由圖6可知，主流區(qū)在相同空隙條件下，流速與淹沒程度呈負相關。在不同淹沒條件下，丁壩下游0.48倍壩長處，無論是底層流速還是表層流速都大于控制平均流速。淹沒程度為0.7倍水深時，流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象，1.68倍壩長處服從相同的變化現(xiàn)象。淹沒程度為0.1倍水深和淹沒程度為0.4倍水深服從相同的變化規(guī)律。淹沒程度為0.1倍水深時，最大流速出現(xiàn)在1.68倍壩長處；淹沒程度為0.7倍水深時，最大流速出現(xiàn)在0.48倍壩長處；說明隨著淹沒程度的增大，最小收縮斷面明顯上移。這也符合壩上回流區(qū)和壩下回流區(qū)隨淹沒程度變化的流速分布規(guī)律。隨著淹沒程度的增大丁壩挑流作用和束水能力減弱。

圖6 透水丁壩在不同淹沒條件下主流區(qū)測點V/V0的垂向分布示意

3.2 不同空隙率下縱向流速分布

以透水丁壩R1=16 mm，H2=14 cm為例，研究不同空隙率條件下，上游回流區(qū)A，下游回流區(qū)B，主流區(qū)C各選取兩個觀測點進行流速分析。

3.2.1上游回水區(qū)(A區(qū))

由圖7可知，上游回水區(qū)在相同空隙尺寸條件下，底層流速與空隙率呈正相關。在不同空隙率條件下，無論是底層流速還是表層流速都小于控制平均流速。空隙率P1=6.8%時，流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象?？障堵蔖2=14.1%和P3=22.5%服從相同的變化規(guī)律。上游1.88倍壩長處對應水深條件下的流速都大于0.38倍壩長處相應流速值?？障堵蔖1=6.8%時，1.88倍壩長處沿豎直方向流速呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象；空隙率P3=22.5%時，1.88倍壩長處沿垂線方向流速呈現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象。這是由于0.38倍壩長處，距離丁壩較近，丁壩空隙的淹沒出流作用強，流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象；1.88倍壩長處，距離丁壩較遠，當空隙率較小時，迎水坡產(chǎn)生上反水流折減了一部分表面流速所致；空隙率較大時，折減作用消失，且出現(xiàn)0.4倍水深對應控制平均流速減小現(xiàn)象。

圖7 透水丁壩在不同空隙率條件下上游回流區(qū)測點V/V0的垂向分布示意

3.2.2下游回水區(qū)(B區(qū))

由圖8可知，表層流速隨空隙率的增大呈現(xiàn)逐漸增加的現(xiàn)象。當空隙率P1=6.8%時，丁壩下游0.48倍壩長處0.2倍水深對應0.1倍控制平均流速；0.4倍水深對應0.2倍控制平均流速；0.8倍水深對應0.95倍控制平均流速；流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象，1.88倍壩長處服從相同的分布規(guī)律?？障堵蔖2=14.1%和P3=22.5%時服從相同的變化現(xiàn)象。因為隨著空隙尺寸的增加水越作用減弱，表層旋滾作用逐漸消失。

圖8 透水丁壩在不同空隙率條件下下游回流區(qū)測點V/V0的垂向分布示意

3.2.3主流區(qū)(C區(qū))

由圖9可知，主流區(qū)在相同空隙尺寸條件下，表層流速與空隙率呈負相關，在丁壩下游1.68倍壩長處，從底層到表層流速與空隙率呈嚴格負相關?？障堵蔖1=6.8%時，流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象。1.68倍壩長處符合相同的變化規(guī)律。空隙率P2=14.1%、P3=22.5%和P1=6.8%變化規(guī)律一致?？障堵蔖1=6.8%和P2=14.1%之間流速差值較小，P1=6.8%和P3=22.5%之間流速差值較大?？障堵试酱髮χ髁鲄^(qū)的分流作用越強。

圖9 透水丁壩在不同空隙率條件下主流區(qū)測點V/V0的垂向分布示意

3.3 不同空隙尺寸下縱向流速分布

以透水丁壩P2=14.1%，H2=14 cm為例，研究不同空隙尺寸條件下，上游回流區(qū)A，下游回流區(qū)B，主流區(qū)C各選取兩個觀測點進行流速分析

3.3.1上游回水區(qū)(A區(qū))

由圖10可知，上游回水區(qū)在相同空隙率條件下，表層流速與空隙尺寸呈正相關，底層流速與空隙尺寸呈負相關?？障冻叽鏡1=16 mm時，丁壩上游0.38倍壩長處，流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象。1.68倍壩長處符合相同的變化規(guī)律?？障冻叽鏡2=20 mm、R3=32 mm和R1=16 mm的變化規(guī)律一致。空隙率一定時，空隙尺寸越小則空隙數(shù)目越多，空隙在丁壩上的分布越均勻，不同水深對應的流速梯度越小，這是造成表層流速和底層流速隨空隙尺寸變化相反的原因。

圖10 透水丁壩在不同空隙尺寸條件下上游回流區(qū)測點V/V0的垂向分布示意

3.3.2下游回水區(qū)(B區(qū))

由圖11可知，空隙尺寸R2=20 mm時，丁壩下游0.48倍壩長處0.2倍水深對應0.18倍控制平均流速；0.4倍水深對應0.42倍控制平均流速；0.8倍水深對應0.92倍控制平均流速；流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象，1.68倍的壩長處符合相同的變化規(guī)律?？障冻叽鏡3=16 mm的變化規(guī)律與R2=32 mm服從相同的現(xiàn)象，且其速度均小于控制平均流速。在丁壩下游1.68倍壩長，距左岸0.5倍壩長位置，0.8倍水深處R3=16 mm流速偏小，可能是流速儀懸槳被纏繞所致。相同空隙率條件下空隙尺寸相對較大不同相對水深流速變化越小，空隙尺寸越大對水越的折減作用越明顯。

圖11 透水丁壩在不同空隙尺寸條件下下游回流區(qū)測點V/V0的垂向分布示意

3.3.3主流帶區(qū)(C區(qū))

由圖12可知，主流區(qū)在相同空隙率條件下，整體流速均大于控制平均流速；空隙尺寸R1=16 mm的表層流速最小，R3=32 mm的表層流速其次，R2=20 mm的表層流速最大；丁壩下游0.48倍壩長處底層流速R1=16 mm最大，R2=20 mm其次，R3=32 mm最小，即底層流速與空隙尺寸呈負相關?？障冻叽鏡1=16 mm時，流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象。1.68倍壩長處符合相同的變化規(guī)律?？障冻叽鏡2=20 mm、R3=32 mm和R1=16 mm的變化規(guī)律一致。空隙尺寸R3=32 mm時，丁壩下游0.48倍壩長處0.2倍水深對應控制流速小于1.68倍壩長處0.2倍水深對應的流速；R2=20 mm時，丁壩下游0.48倍壩長處0.2倍水深對應控制流速大于1.68倍壩長處0.2倍水深對應的流速。主流區(qū)在相同空隙率下，空隙尺寸越大則最大流速距離丁壩下游越遠。

圖12 透水丁壩在不同空隙尺寸條件下主流區(qū)測點V/V0的垂向分布示意

4 結論與展望

通過水槽模型概化試驗，針對不同淹沒程度、不同空隙尺寸和不同空隙率因素分析，得出丁壩上游回水區(qū)、下游回水區(qū)和主流區(qū)縱向流速在垂線的變化規(guī)律如下：

1)在相同空隙率、相同空隙尺寸條件下，上游回流區(qū)流速均小于控制平均流速且流速大小與淹沒程度呈正相關。下游回流區(qū)僅表層流速與淹沒程度呈正相關；主流區(qū)流速均大于控制平均流速且流速大小與淹沒程度呈負相關；流速從底層到表層呈逐漸增大的現(xiàn)象。

2)在相同淹沒程度、相同空隙尺寸條件下，上游回流區(qū)流速均小于控制平均流速且底層流速與空隙率呈正相關。下游回流區(qū)1.68倍壩長處流速均小于控制平均流速；空隙率P1=6.8%時，流速從底層到表層呈逐漸增大的現(xiàn)象。主流區(qū)流速均大于控制平均流速且表層流速與空隙率呈負相關，下游1.68倍壩長處從底層到表層流速與空隙率呈負相關。

3)在相同淹沒程度、相同空隙率條件下，上游回水區(qū)流速均小于控制平均流速且表層流速與空隙尺寸呈正相關，底層流速與空隙尺寸呈負相關；流速從底層到表層呈逐漸增大的現(xiàn)象；主流區(qū)流速均大于控制平均流速；流速從底層到表層呈逐漸增大的現(xiàn)象。