不同形式丁壩對泥沙擴散試驗研究

陳聰聰

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

丁壩是長江航道整治中最常見的壩體類整治建筑物，其主要功能為保護(hù)河巖不受來流直接沖蝕而產(chǎn)生掏刷破壞以及改善航道、維護(hù)河相以及保全水生生息場多樣化，同時對水體中的泥沙輸移有著重大影響。航道中的丁壩可以有效截留泥沙，防止吸附重金屬離子的懸移質(zhì)繼續(xù)擴散，改善丁壩下游的水體環(huán)境。Uijttewaal[1]通過物理模型試驗得出了對于丁壩設(shè)計所改變的細(xì)微變化可以對河床的形態(tài)變化、水流之間的相互作用以及泥沙輸移等都會產(chǎn)生復(fù)雜影響，對于綜合考慮河流系統(tǒng)在生態(tài)、航運及防洪方面的優(yōu)化有很大意義；黃歲梁[2]等研究得出對于同等水體條件，泥沙粒徑越小，其比表面積越大，對重金屬污染物的吸附能力就越強。長江的重金屬污染多來自化工廠和人們?nèi)粘５奈鬯欧?，即為點源排放。本文研究航道整治中最常見的普通實體丁壩及課題組提出已獲國家專利的新形丁壩對泥沙擴散的影響，所得結(jié)果對選取壩體曲線和空隙尺寸以及更好發(fā)揮丁壩在航道整治的作用，具有一定的參考價值。

1 物理模型試驗

1.1 模型丁壩設(shè)計

1)常規(guī)丁壩的設(shè)計

搜集長江中游航道整治工程中丁壩尺寸和特征值，根據(jù)現(xiàn)場實際工程中丁壩的尺寸和特征值，結(jié)合模型比尺，確定模型試驗丁壩尺寸和特征值。以護(hù)岸固灘為目的的丁壩，一般都是長度和河寬比小于0.33的正挑短丁壩，壩高取6 m，壩寬3 m，壩頭頂部直徑為3 m的半圓，丁壩迎水坡坡度為1:1.5，背水坡坡度為1:2；沿壩軸線向河坡坡比為1：3。結(jié)合模型比尺，物理模型丁壩壩長為125 cm，壩寬為60 cm，壩高為15 cm，壩頭為半徑30 cm的半圓(如圖1所示)。

a 丁壩平面示意

b 丁壩橫斷面示意

2)新形丁壩的設(shè)計

借鑒水利工程中溢流堰溢流面具有水流平順、不產(chǎn)生不利的負(fù)壓和空蝕破壞、形體簡單、造價低、便于施工等特點，丁壩背水坡曲線由頂部曲線段、中間直線段和返弧段組成，丁壩迎水坡曲線由頂部曲線段和返弧段組成。頂部曲線段基于WES曲線進(jìn)一步優(yōu)化得到，返弧段為圓弧曲線，中間直線段與頂部曲線段和下部返弧段相切。丁壩迎水坡坡度為1：1.3，背水坡坡度為1：3.5。丁壩壩體由壩根、壩身和壩頭三部分組成。該新型透水丁壩為可拼裝結(jié)構(gòu)。壩根由混凝土構(gòu)件拼接而成。

壩身設(shè)計需保持合適的透水率，實現(xiàn)對水流有導(dǎo)有透，壩身由混凝土透水構(gòu)件拼接而成，透水構(gòu)件為在混凝土構(gòu)件上剖出一個拱洞，拱洞剖面由半圓和矩形組成。其大小分別為2 cm和3 cm，根據(jù)丁壩透水構(gòu)件的孔洞面積與實體丁壩構(gòu)件表面積之比確定丁壩孔隙率，對應(yīng)孔隙率分別為8%和16%(如圖2所示)。

a 混凝土構(gòu)件示意

c 丁壩實體示意

1.2 試驗方案設(shè)計

試驗在重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心長30 m、寬3 m的矩形水槽中進(jìn)行，采用概化定床模型，模型比尺為1：40，槽底比降為0.05%，水面比降通過尾門控制調(diào)節(jié)。通過流量計查看流量的實際大小，然后使用手動閥門控制水槽的流量變化。使用ASM-IV測量水體中的懸沙濃度(有多個通道，96通道距槽底3 cm，以此類推)，使用水位測針讀取丁壩周圍的水深。采用流量為142 m3/s，水深控制為18.5 cm。長江中的懸移質(zhì)泥沙多為小粒徑泥沙，所以試驗選用粒徑在0.007 5 mm以下的模型沙模擬航道中的懸移質(zhì)，每次實驗向水槽中勻速倒入1 L濃度為200 g/L 的模型沙懸濁液。因每次測量僅能在一個測點位置進(jìn)行，所以此位置測量完成后，需將水槽淤積的泥沙打掃干凈，才可進(jìn)行下次實驗觀測，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。投放點位置以及濃度測量點的位置如圖3所示。通過組合不同結(jié)構(gòu)形式丁壩和不同流量水流條件進(jìn)行了35組工況實驗。

將ASM-IV放置水中測量懸沙的濃度，由于其豎向有多個感應(yīng)器，即同一時刻可測量多組數(shù)據(jù)，求出同一時刻所有水中傳感器所測量數(shù)據(jù)的期望值，將期望值作為此時刻該測點的平面平均濃度。

圖3 實驗布置示意(單位：cm)

2 實驗結(jié)果分析

2.1 丁壩對污染物擴散的影響

選取普通實體丁壩、流量為142 m3/s進(jìn)行實驗，測量8#斷面(壩前斷面)和主流線縱向各測點濃度。繪制8#斷面各測點濃度隨時間的變化(如圖4～5所示)，將各測點最大濃度與泥沙到來前(濃度突然增加前)平均濃度之差作為此測點最大濃度差，繪制各測點最大濃度差與測點距左岸距離關(guān)系(見圖6)。同理，繪制縱向各測點最大濃度差與丁壩中軸線距離關(guān)系(見圖7)。

分析圖6可知，距離左岸最近測點的最大濃度差最大，隨著與左岸距離的增大，最大濃度差逐漸變小，2號測點為8#斷面所有測點中最大濃度差最小的一個，當(dāng)測點越來越靠近主流線時，最大濃度差越來越大。丁壩放置水槽中，與無丁壩水槽最直接的差別是使水體發(fā)生分流，形成明顯的壩前回水區(qū)，距左岸越近的區(qū)域流速越小，靠近主流線的區(qū)域越大。在左岸投放點投放泥沙之后，受壩前回水區(qū)的影響，流速較大的水體會攜帶一部分泥沙匯聚于主流線上，所以主流線上測點的泥沙濃度大于主流線之外的測點；另外一部分泥沙進(jìn)入回流區(qū)之后，越靠近丁壩的區(qū)域流速越小，而且距離左岸更近的區(qū)域分流越少，所以泥沙聚集于左岸的回流區(qū)，造成1號測點最大濃度差為8#斷面最大的結(jié)果；測點2雖然位于壩前回流區(qū)，但其上游區(qū)域分流較多，絕大多數(shù)泥沙都隨水流匯聚于主流線上，所以最大濃度差最小，且向主流線的橫向方向最大濃度差逐漸增大。

圖4 8#斷面1號測點平均濃度示意

圖5 8#斷面3號測點平均濃度示意

圖6 8#斷面最大濃度差與左岸距離關(guān)系示意

分析圖7可知，受壩前回流區(qū)影響，主流線上于壩頭位置泥沙聚集的最多，所以壩頭位置的測點泥沙最大濃度差最大。水流經(jīng)過壩頭，受壩頭影響，會產(chǎn)生向壩后回流區(qū)的漩渦，水體將泥沙帶入壩后回水區(qū)，所以下游方向距丁壩中軸線越遠(yuǎn)的區(qū)域最大濃度差越小。

圖7 縱向最大濃度差與丁壩中軸線距離關(guān)系示意

2.2 不同剖面丁壩對擴散影響的差異分析

為了驗證新形實體丁壩和普通丁壩對泥沙截留作用的區(qū)別，選取普通實體丁壩和新形丁壩，分別在流量為156 m3/s的條件下進(jìn)行實驗。由2.1可知，壩前斷面2號測點與其他測點的差異最大，繪制出2種丁壩8#斷面2號測點平面平均濃度變化進(jìn)行比較分析(見圖8～9)。

圖8 普通丁壩8#斷面2號測點平均濃度示意

圖9 新型實體丁壩8#斷面2號測點平均濃度示意

分析圖8～9得知，對于同樣的工況及測點而言，當(dāng)上游泥沙隨水流經(jīng)過2種丁壩時，泥沙濃度都會突然增大，經(jīng)過一段時間后，泥沙隨水流漫過丁壩向下游流去，2種丁壩同測點的濃度會慢慢變小，最后趨于穩(wěn)定，但此時的泥沙濃度均大于泥沙經(jīng)過丁壩之前的濃度。相比于普通丁壩，新形實體丁壩8#斷面2號測點泥沙濃度變化較大且泥沙停留時間要長，因為曲面型剖面丁壩的阻水作用比直線型剖面丁壩更強，使得新型實體丁壩壩前流速小于普通丁壩，泥沙于此測點停留的時間更長。

2.3 不同空隙尺寸丁壩對擴散影響的差異分析

選取空隙尺寸為2 cm和3 cm的新形丁壩，分別在流量為142 m3/s的條件下進(jìn)行試驗。由于實驗中的丁壩具有一定尺寸的空隙，所以泥沙不僅可隨水流漫壩，也可通過丁壩的空隙穿過丁壩。測量2種工況的8#斷面2號測點和9#斷面的2號測點，分析2種不同孔隙率丁壩壩前和壩后泥沙濃度的差異(見圖10～13)。

分析圖10和圖12，2 cm空隙尺寸新形丁壩與3 cm新形丁壩相比,壩后濃度持續(xù)時間較短，泥沙濃度峰值高于3 cm新形丁壩。分析圖11和圖13，不同空隙尺寸的新形丁壩的壩前平均濃度增加的時間都接近相等，但隨著空隙尺寸的增加，壩前濃度的增幅越來越大，2 cm新形丁壩和3 cm新形丁壩的壩前泥沙濃度在泥沙到來之前與泥沙完全經(jīng)過測點之后未存在明顯差距。由于較小的空隙尺寸會造成壩前回流區(qū)的流速過小，回流區(qū)流向主流線的泥沙也過多，所以空隙尺寸越小的丁壩壩前泥沙增幅越小。對于壩后回流區(qū)，空隙尺寸越大的丁壩，因壩頭產(chǎn)生的漩渦所被帶到壩后回流區(qū)的泥沙越多，通過這種途徑到達(dá)9#斷面2號測點的泥沙晚于直接漫壩或者通過孔洞到達(dá)9#斷面2號測點的泥沙，所以其泥沙持續(xù)的時間越長。

圖10 2 cm丁壩9#2號測點平均濃度示意

圖11 2 cm丁壩8#2號測點平均濃度示意

圖12 3 cm新形丁壩9#2號測點平均濃度示意

圖13 3 cm新形丁壩8#2號測點平均濃度示意

3 結(jié)語

通過水槽模型試驗，分析研究了不同流量條件下，不同結(jié)構(gòu)形式丁壩對泥沙擴散的影響，主要結(jié)論如下：

1)丁壩通過形成回流區(qū)來影響泥沙的擴散，對于上游來沙，橫向來看，越靠近左岸和主流線的區(qū)域泥沙濃度變化最大，壩體中部的泥沙濃度變化最?。豢v向來看，主流線在壩頭附近的泥沙濃度變化最大，上下游主流線泥沙變化濃度較小。

2)同一流量情況，新形實體丁壩較之普通丁壩的壩前泥沙停留時間更長。新形丁壩的透水性越大，壩前泥沙濃度增幅越大，壩后泥沙濃度的增幅越小且泥沙濃度保持增長的時間越長，不同空隙尺寸丁壩的壩前泥沙持續(xù)時間無明顯差異。