透水性對(duì)丁壩周?chē)芰孔兓挠绊懺囼?yàn)研究

贠寶革， 喻 濤*， 王平義

(1.重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心， 重慶 400074)

丁壩作為航道整治中最常用的一種阻水建筑物，具有束窄水流、壅高水位、改變?cè)泻拥谰植克髁鲬B(tài)和水沙條件的作用。任志等[1]通過(guò)水力插板形式的模型試驗(yàn)得出防沖促淤的最佳空隙率；張凱等[2]詳細(xì)分析了模型沙粒徑、束窄度、透水率、挑腳的變化對(duì)壩頭沖深的影響；許百?gòu)?qiáng)等[3]通過(guò)水槽概化模型研究了空隙尺寸、空隙率對(duì)水面線的影響；魏文禮等[4]應(yīng)用數(shù)值模擬的方法研究了彎道中布設(shè)丁壩對(duì)改善水流流態(tài)和岸坡穩(wěn)定的影響；李瑤等[5]通過(guò)水槽試驗(yàn)提出了一種適用于彎曲溢洪道的新型消能工，得到了高坎收縮程度和凹岸邊墻半徑是影響回流的主要因素；常留紅等[6]通過(guò)水槽試驗(yàn)研究了透水率指標(biāo)對(duì)空心梯形塊丁壩透水特性的主要影響；Ahmed等[7]通過(guò)動(dòng)床試驗(yàn)得出透水壩主航道中心線處的水深不會(huì)改變，而實(shí)體壩主航道中心線處的水深會(huì)發(fā)生一些變化；陳杏文等[8]從動(dòng)能修正系數(shù)的定義出發(fā)通過(guò)水槽試驗(yàn)研究了近岸緩流區(qū)河道動(dòng)能修正系數(shù)的計(jì)算方法和沿程變化規(guī)律；Yu等[9]借助水槽試驗(yàn)，研究了丁壩周?chē)蓜?dòng)與局部沖刷之間的關(guān)系。王文森等[10]通過(guò)粒子圖像測(cè)速技術(shù)(particle image velocimetry，PIV)試驗(yàn)和Flow3D數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了梯形透水潛壩的水面線與空隙率的關(guān)系；Padhi等[11]研究了礫石床對(duì)湍動(dòng)能的影響；Kumar等[12]通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)非淹沒(méi)式勾頭丁壩的紊動(dòng)特性進(jìn)行了研究，得到了紊動(dòng)能和床面切應(yīng)力的關(guān)系；Marta等[13]對(duì)螺栓魚(yú)道中的紊動(dòng)能進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了速度和紊動(dòng)能分布的差異；Springer等[14]通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)的方法研究了明渠流動(dòng)中的氣-液傳質(zhì)系數(shù)與平均湍動(dòng)能的關(guān)系;馬冰等[15]采用水沙耦合的二維淺水模型結(jié)合河道內(nèi)流量增加法構(gòu)建棲息地模擬模型，研究了丁壩間距對(duì)水沙運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和水生生物棲息地的影響。

實(shí)際工程中的散拋石丁壩常常被學(xué)者概化為實(shí)體丁壩忽略其透水特性進(jìn)行水力特性研究。相應(yīng)研究成果不能較好地解決丁壩破壞問(wèn)題，致使每年洪水過(guò)后都需要對(duì)丁壩進(jìn)行維修加固。洪水過(guò)程中丁壩作為能量轉(zhuǎn)換的承載者勢(shì)必會(huì)遭受能量突變帶來(lái)的破壞，因此研究丁壩周?chē)哪芰孔兓^(guò)程就顯得尤為重要?，F(xiàn)通過(guò)研究散拋石丁壩透水特性對(duì)壩身段、壩頭前端和主流區(qū)的位能、動(dòng)能和總能量的影響，揭示丁壩最易破壞部位。為丁壩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，也為丁壩的新建及維修加固提供技術(shù)支撐和科學(xué)指導(dǎo)。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在矩形玻璃水槽中完成，水槽尺寸為30 m×2 m×1 m(長(zhǎng)×寬×高)。流量采用由清華大學(xué)和尚水公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)研制的流量控制與測(cè)量系統(tǒng)(discharge control and measurement system，DCMS)，控制水深(丁壩迎水坡坡腳處水深)由水位測(cè)針讀取，實(shí)時(shí)水位由超聲波浪/水位采集分析儀跟蹤測(cè)讀。實(shí)時(shí)流速采用重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)科學(xué)研究所自行研發(fā)的流速采集系統(tǒng)。具體水位、流速測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)水位、流速測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of measuring points for velocity of test water level

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江上游丁壩尺寸的總體統(tǒng)計(jì)研究，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際試驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)采用1∶40的正挑丁壩作為模型丁壩。模型丁壩的壩長(zhǎng)為50 cm，壩頂寬度為7.5 cm，壩高為10 cm，壩底寬為42.5 cm。模型丁壩的橫截面采用實(shí)際工程中的梯形斷面以便還原工程實(shí)際，壩頭采用圓弧直頭形式。模型丁壩的迎水坡坡比采用1∶1.5，背水坡坡比采用1∶2。試驗(yàn)中以流量Q1=95 L/s，對(duì)應(yīng)水深H1=14 cm為例(其他流量和水深條件下符合相同的變化趨勢(shì))；空隙尺寸R1=16 mm、R2=20 mm和R3=32 mm三種規(guī)格；空隙率P1=6.8%、P2=14.1%和P3=22.5%三種類(lèi)型。相同水流條件，不同空隙尺寸，不同空隙率的試驗(yàn)研究。進(jìn)行的試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況表

2 能量計(jì)算方法

將試驗(yàn)區(qū)劃分為壩身段、壩頭前端和主流帶區(qū)，其中壩身段為1#、2#縱斷面，壩頭前端為5#、6#縱斷面，主流帶區(qū)為8#、9#縱斷面。能量計(jì)算基于伯努利方程[16]進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析，即

3 透水性對(duì)丁壩周?chē)芰糠植加绊?/h2>

3.1 相同空隙尺寸不同空隙率條件下透水丁壩周?chē)芰孔兓?/h3>

以相同流量Q1=95 L/s，相同空隙尺寸R1=16 mm，不同空隙率P1=6.8%、P2=14.1%和P3=22.5%條件下，壩身段(1#縱斷面)、壩頭前端(6#縱斷面)和主流帶區(qū)(8#縱斷面)為例，對(duì)其位能、動(dòng)能、總能量的變化進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2～圖4所示。

3.1.1 壩身段能量變化分析

由圖2可知，壩身段(1#縱斷面)，在不同空隙率條件下，壩前位能大于壩后位能，且整體上遵循先減小后增大，最終趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。P1=6.8%和P2=14.1%在下游背水坡坡腳處位能相同，P3=22.5%的略小。在下游較遠(yuǎn)處P2=14.1%位能最大，P1=6.8%其次，P3=22.5%的最小?？障堵侍蠡蚩障堵侍【焕跍p小丁壩上下游位能差值。

圖2 不同空隙率條件下壩身位置位能、動(dòng)能和總能量分布圖Fig.2 Distribution of potential energy， kinetic energy and total energy of dam body at different void ratio

動(dòng)能整體上遵循從上游到下游逐漸減小最后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。動(dòng)能大小與空隙率呈正相關(guān)。在相同流量條件下，空隙率越大則空隙數(shù)目相對(duì)越多，同時(shí)通過(guò)壩體空隙水體越多，不同流速水體摻混作用越弱，動(dòng)能轉(zhuǎn)化越少。空隙率P2=14.1%的縱斷面2#點(diǎn)值突越，是由流速測(cè)量裝置正對(duì)空隙所致。

總能量變化趨勢(shì)與位能變化趨勢(shì)一致。總能量在空隙率P2=14.1%和P1=6.8%相同位置之間的能量差值比位能稍大；總能量在空隙率P1=6.8%和P3=22.5%之間的能量差值比位能稍小。相同空隙尺寸條件下，空隙率增加則動(dòng)能增大，相應(yīng)總能量會(huì)隨之增大。

3.1.2 壩頭前端能量變化分析

由圖3可知，壩頭前端(6#縱斷面)位能整體上在小范圍內(nèi)上下波動(dòng)，沒(méi)有明顯的變化規(guī)律?？障堵蔖3=22.5%時(shí)，丁壩上下游位能差值最小；空隙率P1=6.8%其次；空隙率P2=14.1%最大?？障堵蔖1=6.8%的位能相對(duì)較大且波動(dòng)較小。在丁壩上游空隙率P1=6.8%的位能大于空隙率P2=14.1%的位能；空隙率P2=14.1%的位能大于空隙率P3=22.5%的位能；丁壩上游位能與空隙率呈負(fù)相關(guān)。

圖3 不同空隙率條件下壩頭前端位能、動(dòng)能和總能量分布圖Fig.3 Distribution of potential energy, kinetic energy and total energy at the head of the dam under different void ratios

動(dòng)能整體上遵循先增大后減小的變化規(guī)律。在相同空隙尺寸條件下，動(dòng)能大小與空隙率成反比。相同空隙尺寸條件下，空隙率越小則空隙數(shù)目越少，通過(guò)的流量越少，丁壩的束水作用越強(qiáng)，壩頭挑流作用越明顯，動(dòng)能越大?？障堵蔖1=6.8%和P2=14.1%對(duì)應(yīng)位置的動(dòng)能差值較小，其相應(yīng)位置動(dòng)能均大于空隙率P3=22.5%，但空隙率P3=22.5%的動(dòng)能變化幅度要小于空隙率P1=6.8%的和空隙率P2=14.1%的。

總能量變化趨勢(shì)與位能變化趨勢(shì)一致，總能量大小與空隙率近似呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.1.3 主流帶能量變化分析

由圖4可知，主流帶區(qū)(8#縱斷面)位能整體在較小范圍內(nèi)往復(fù)波動(dòng)，不存在明顯的變化規(guī)律；丁壩上游位能與空隙率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。空隙率P1=6.8%和P3=22.5%在丁壩下游出現(xiàn)一次位能增加的過(guò)程；空隙率P1=6.8%的位能在壩上游比壩下游稍大?？障堵蔖2=14.1%和P3=22.5%的位能恰好相反，下游比上游稍大。

圖4 不同空隙率條件下主流帶區(qū)位能、動(dòng)能和總能量分布圖Fig.4 Potential energy, kinetic energy and total energy distribution of the main flow zone under different void ratios

動(dòng)能整體呈現(xiàn)先增大后減小最終趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象。空隙率P2=14.1%的動(dòng)能最大，P1=6.8%的其次，兩者動(dòng)能差值較?。籔3=22.5%的最小。之所以動(dòng)能與空隙率不存在嚴(yán)格的負(fù)相關(guān)關(guān)系是因?yàn)榭障堵试叫?，壩頭挑流作用越強(qiáng)，將主流帶區(qū)挑向?qū)Π陡h(yuǎn)處；空隙率過(guò)大時(shí)，水流從空隙通過(guò)量較多，起到明顯的分流作用，使主流帶區(qū)動(dòng)能明顯減小。

總能量的變化趨勢(shì)與位能一致。丁壩上游的總能量與空隙率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?？障堵蔖2=14.1%的總能量整體大于P3=22.5%的,同位能相比存在明顯差異。這是因?yàn)樵谥髁鲄^(qū)域動(dòng)能較大引起的。

3.2 相同空隙率不同空隙尺寸條件下透水丁壩周?chē)芰孔兓?/h3>

以相同流量Q1=95 L/s，相同空隙率P2=14.1%，不同空隙尺寸R1=16 mm，R2=20 mm和R3=32 mm條件下，壩身段(1#縱斷面)、壩頭前端(6#縱斷面)和主流帶區(qū)(8#縱斷面)為例，對(duì)其位能、動(dòng)能、總能量的變化進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5～圖7所示。

3.2.1 壩身段能量變化分析

由圖5可知，壩身段(1#縱斷面)整體上遵循上游位能最大過(guò)壩后位能陡降，位能在壩下逐漸升高，在距離丁壩較遠(yuǎn)處位能趨于一個(gè)穩(wěn)定值，但壩下位能皆小于壩上位能。從空隙尺寸來(lái)看R1=16 mm時(shí)，位能過(guò)壩過(guò)程中消耗位能最小，在較遠(yuǎn)處趨于平穩(wěn)時(shí)位能也最大。空隙尺寸R2=20 mm和R3=32 mm時(shí)，位能過(guò)壩過(guò)程中消耗能量和較遠(yuǎn)處趨于平穩(wěn)時(shí)位能差值較小，但過(guò)壩消耗能量比R1=16 mm的多，壩后較遠(yuǎn)處平穩(wěn)時(shí)位能也小于R1=16 mm的透水丁壩。在相同空隙率條件下，空隙尺寸越小則空隙數(shù)目相對(duì)越多，水流通過(guò)時(shí)消耗能量越少，壩后位能越大。

動(dòng)能整體上遵循從上游到下游逐漸減小最終趨于平穩(wěn)的變化規(guī)律。空隙尺寸R1=16 mm和R3=32 mm在丁壩背水坡坡腳處動(dòng)能激增是因?yàn)榭障堵蔖2=14.1%時(shí)，流速測(cè)量裝置對(duì)著空隙所致?？障冻叽鏡1=16 mm，R2=20 mm和R3=32 mm在上游迎水坡坡腳處動(dòng)能值近似相等，在下游距離丁壩較遠(yuǎn)處動(dòng)能值近似相等?？障堵室欢ǖ臈l件下，空隙尺寸改變對(duì)上游迎水坡坡腳處的動(dòng)能影響較小，下游丁壩較遠(yuǎn)處符合相同的變化規(guī)律。

總能量變化趨勢(shì)與位能一致，這是由于空隙率P2=14.1%時(shí)，靠近壩身段流速較小，位能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于動(dòng)能造成的。

3.2.2 壩頭前端能量

由圖6可知，壩頭前端(6#縱斷面)位能從上游到下游遵循先減小后增大的變化規(guī)律?？障冻叽鏡1=16 mm在壩后較遠(yuǎn)處位能大于壩前迎水坡坡腳處位能?？障冻叽鏡2=20 mm和R3=32 mm與R1=16 mm的現(xiàn)象相反。這是由于在壩頭前端存在明顯的繞流現(xiàn)象，造成壩頭附近局部范圍內(nèi)水面線降低?？障冻叽缭叫t擾流作用越明顯，從而出現(xiàn)空隙尺寸R1=16 mm壩前位能小于壩后位能現(xiàn)象。

圖6 不同空隙尺寸條件下壩頭前端位能、動(dòng)能和總能量分布圖Fig.6 Distribution of potential energy， kinetic energy and total energy at the head of the dam under different void sizes

動(dòng)能整體上遵循先增大后減小的變化規(guī)律。在空隙率一定的條件下，動(dòng)能與空隙尺寸呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。相同空隙率下，空隙尺寸越小則空隙數(shù)目越多，反而更不利于水流通過(guò)。空隙尺寸越小，壩頭挑流作用越強(qiáng)，使壩頭前端的動(dòng)能越大。

總能量與位能變化趨勢(shì)相同，大小分布明顯；R1=16 mm的最大，R2=20 mm的較大，R3=32 mm的最小。

3.2.3 主流帶能量變化分析

由圖7可知，主流帶(8#縱斷面)區(qū)位能不存在明顯的變化規(guī)律；在距離丁壩較遠(yuǎn)處位能與空隙尺寸呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。空隙尺寸R1=16 mm的下游較遠(yuǎn)處位能高于丁壩上游位能，R2=20 mm和R3=32 mm的下游較遠(yuǎn)處位能略小于丁壩上游位能。這是由于丁壩的存在改變了原有過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，使丁壩附近水面線降低。

圖7 不同空隙尺寸條件下主流帶區(qū)位能、動(dòng)能和總能量分布圖Fig.7 Potential energy， kinetic energy and total energy distribution of the main flow zone under different void sizes

動(dòng)能整體上遵循先增大后減小的變化規(guī)律?？障冻叽鏡1=16 mm的動(dòng)能從上游到下游都明顯大于R2=20 mm的和R3=32 mm的。R2=20 mm的和R3=32 mm的動(dòng)能差值較小。動(dòng)能與空隙尺寸不在嚴(yán)格遵循負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是由于空隙尺寸不同時(shí)，影響丁壩的挑流能力，使主流帶區(qū)相應(yīng)流速位置發(fā)生改變。在空隙率一定的條件下，空隙尺寸越小，束窄水流效果越明顯。

總能量變化趨勢(shì)與位能一致。在同一縱斷面相應(yīng)位置上空隙尺寸R1=16 mm的總能量都明顯大于R2=20 mm的和R3=32 mm的。丁壩上游總能量與空隙尺寸呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論與展望

通過(guò)水槽概化模型，針對(duì)不同空隙尺寸和不同空隙率因素分析，得出丁壩附近位能、動(dòng)能和總能量的變化規(guī)律如下。

(1)相同空隙尺寸條件下，丁壩上游位能與空隙率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。動(dòng)能在壩身段呈現(xiàn)逐漸減小的現(xiàn)象，且動(dòng)能大小與空隙率呈正相關(guān)關(guān)系；在壩頭前端呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，且動(dòng)能大小與空隙率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；在主流帶區(qū)動(dòng)能變化規(guī)律與壩頭前端一致，但動(dòng)能與空隙率不再?lài)?yán)格服從負(fù)相關(guān)關(guān)系。不同區(qū)域的總能量變化規(guī)律與其對(duì)應(yīng)的位能變化規(guī)律一致，總能量與空隙率近似呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2)相同空隙率條件下，丁壩下游較遠(yuǎn)處位能與空隙尺寸呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。動(dòng)能在壩身段呈逐漸減小的現(xiàn)象；在壩頭前端呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，且動(dòng)能大小與空隙尺寸呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；在主流帶區(qū)動(dòng)能變化規(guī)律與壩頭前端一致，但動(dòng)能與空隙尺寸不再?lài)?yán)格服從負(fù)相關(guān)關(guān)系。不同區(qū)域的總能量變化規(guī)律與其對(duì)應(yīng)的位能變化規(guī)律一致，總能量與空隙尺寸近似呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

在其他影響因素不變的條件下，調(diào)整空隙尺寸與空隙率可以有效改變壩體周?chē)芰糠植迹瑢?duì)研究壩體承載變化、壩體穩(wěn)定及認(rèn)識(shí)壩體損壞機(jī)理具有積極作用。因受時(shí)間和試驗(yàn)場(chǎng)地限制，只進(jìn)行了清水定床試驗(yàn)，下一步將補(bǔ)充動(dòng)床試驗(yàn)，從定量上分析透水特性與能量的關(guān)系。