插板透水丁壩攔沙作用數(shù)值模擬研究

毛 亮，李玉建，李 鶴，2，耿義鑫

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000）

1 研究背景

河道整治及水沙防治方面多以透水丁壩為主，就功能作用特點及結(jié)構(gòu)優(yōu)勢而言，透水丁壩具有透水孔以透水為目的，產(chǎn)生的回流很小，可以起到攔沙和淤灘作用［1-2］.此前，大部分學(xué)者主要對透水丁壩水沙調(diào)控性能［3-4］、丁壩壩后回流淤積［5］、丁壩附近沖刷［6-7］等進行了研究，隨后學(xué)者們又對丁壩攔沙機理［8］、攔沙量與減蝕量計算［9-10］和攔沙效應(yīng)時間變化［11］等展開了部分研究.何富榮等［12-13］研究了水力插板在航道攔沙過程中的應(yīng)用與其特殊的攔沙作用優(yōu)勢.李浩等［14］研究了沙棘“柔性壩”阻水?dāng)r沙作用，結(jié)果表明，不同水沙參數(shù)情況下柔性壩周圍含沙量不同，從上游往下游逐漸呈減小趨勢.彭程等［15］對沉沙池內(nèi)攔沙簾的攔沙特性進行了試驗研究，結(jié)果表明，攔沙簾對泥沙粒徑較大的泥沙截沙率較高.Lien［16］通過試驗分析了攔沙壩對水沙攔截效率，并且給出了過流量比例和儲存量比例系數(shù)定義.在2002—2003年期間新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)對植物壩攔沙進行了室內(nèi)試驗，得出了其阻水、攔沙作用以及削減水流剪切應(yīng)力，減小泥沙輸移比，起到攔沙作用［17-19］.插板透水丁壩作為一種新型結(jié)構(gòu)護岸整治建筑物，相對于其他結(jié)構(gòu)型式透水建筑物具有極大的優(yōu)越性，而對于插板透水丁壩攔沙相關(guān)問題缺乏研究，截至目前還未有人對插板透水丁壩攔沙作用進行研究.本文通過數(shù)值模擬方法計算分析不同因素下插板透水丁壩壩前河道斷面含沙量變化來研究插板透水丁壩攔沙作用，為我國西北部地區(qū)，尤其在新疆干旱區(qū)內(nèi)陸河河道演變治理與生態(tài)修復(fù)等工作提供了新的研究思路.

2 數(shù)值模型及驗證

2.1 控制方程

2.1.1 連續(xù)性方程

2.1.2 動量方程

式中：u和v為垂線平均流速在x和y方向上分量；g為重力加速度，m/s2；z為水面高程，m；ρ為水密度，kg/m3；h為當(dāng)?shù)厮睿琺；fCov為科氏力系數(shù)；τb表示河床切應(yīng)力，τxx，τxy，τyy和τyx為垂線平均雷諾應(yīng)力.

2.1.3 泥沙輸移 根據(jù)CCHE2D軟件采用以懸移質(zhì)泥沙為主的全沙非平衡輸沙模型，懸移質(zhì)泥沙輸移方程如式（4）所示：

式中：Ck平均懸移質(zhì)濃度，kg/m3；C*k平衡狀態(tài)下懸移質(zhì)的容重，kg/m3；εs沉積物的湍流擴散系數(shù)；ωsk沉積物沉降速度，m/s；α為非平衡適應(yīng)系數(shù)；k=1，2，…，N.

2.2 數(shù)值模型

數(shù)值模擬基于張凱［20］物理模型試驗，如圖1所示.選取塔里木河新其滿河段洪水流量Q=16.03 L/s作為典型流量，在長6 m、寬1.2 m、高0.45 m、底坡坡降i=1/500的混凝土水槽中進行，模型比尺為：水平比尺λL=93，垂直比尺λH=25，幾何變率比尺e=10，流速比尺λV=5，流量比尺λQ=83 407.93，粒徑比尺λd=0.93，比降比尺λJ=0.1，時間比尺λt=50，河床糙率比尺λn=0.54.針對不同因素，共設(shè)計9種試驗方案，選取插板透水丁壩開孔率為30%［20］，插板透水丁壩采用單一正挑布置的方式，插板均勻布置在水槽中.

根據(jù)圖1水槽模型，建立本文數(shù)值模型如圖2.首先建立模型地形文件，用CCHE-MESH結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型網(wǎng)格進行劃分，用邊界模塊連接各邊界點，以此形成模型邊界，再對邊界線進行優(yōu)化并劃分網(wǎng)格，取Imax=100，Jmax=300，網(wǎng)格數(shù)量共計30 000個（除加密網(wǎng)格點）.運用雙邊界代數(shù)網(wǎng)格形成初始網(wǎng)格，為了提高計算精度，對插板透水丁壩周圍網(wǎng)格進行局部加密，并使用RL正交網(wǎng)格（帶光滑函數(shù)-1）來提高全區(qū)域網(wǎng)格的光滑性、正交性，以達到網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)化.設(shè)定初始條件，采用實測物理模型地形高程數(shù)據(jù)，再用四邊形平面插值的方法，水槽模型設(shè)置了一個進口邊界和一個出口邊界.初始水面高程根據(jù)實測值設(shè)置，進口水面高程為0.841 m，出口斷面水面高程為0.826 m，壁面采用無滑移條件，糙率n=0.010.對于自由液面的處理，不需要對其設(shè)置，采用軟件默認(rèn)自由液面，將處理好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入CCHE-GUI進行模擬計算.

圖1 水槽模型平面圖Fig.1 Plan of flume model

圖2 插板透水丁壩數(shù)值模擬及測點布置圖（俯視圖）Fig.2 Layout of numerical simulation and measuring points of permeable sheet piling spur dike（top view）

根據(jù)塔里木河其滿河段河床性質(zhì)、流量及泥沙特征［20］，對模擬影響因素參數(shù)進行確定.模擬最大流量選取20 a一遇洪水流量16.03 L/s（相當(dāng)于原型1337 m3/s），由于塔里木河河床為粉細沙河床，粒徑為0.050～0.086 mm，結(jié)合其滿河段實際情況，選用有效壩長為25、30、35 cm的插板透水丁壩.

當(dāng)流量為Q=16.03 L/s、泥沙粒徑d=0.050 mm、有效壩長L=25 cm工況下，選取物理實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩條曲線各點基本吻合，說明數(shù)值模擬可以準(zhǔn)確進行模擬試驗，具體見圖3.

圖3 試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比圖（7#縱斷面）Fig.3 Comparison of test results and simulation results（7#vertical section）

2.3 攔沙指標(biāo)

攔沙量是指有插板透水丁壩時橫斷面（8#斷面）含沙量與無插板透水丁壩（8#斷面）時橫斷面含沙量之差，即：

攔沙比是指攔沙量與有插板透水丁壩時橫斷面（8#斷面）含沙量之比，即：

式中：CS攔為插板透水丁壩攔沙量；CSy8為有插板透水丁壩時橫斷面（8#斷面）含沙量；CSw8為無插板透水丁壩時橫斷面（8#斷面）含沙量；φ表示攔沙比.

3 計算結(jié)果分析

3.1 流量對攔沙作用影響

保持有效壩長和泥沙粒徑不變，選取開孔率為30%，挑角90°，流量為10.28、13.07、16.03 L/s進行模擬計算.取壩前8#橫斷面含沙量計算結(jié)果，并繪制含沙量相關(guān)曲線（如圖4）.

流量改變對插板透水丁壩附近水沙運動具有一定影響.水槽中布置插板透水丁壩，由于插板透水丁壩對水沙具有挑流消能以及阻水緩流等作用，丁壩附近泥沙含沙量發(fā)生變化.通過對有無插板透水丁壩時8#橫斷面含沙量變化分析，隨著流量減小，水流中泥沙運動趨于緩慢，越靠近插板透水丁壩運動速度越慢，這樣雖不能反映真實的運動情況，但可以定性地反應(yīng)插板透水丁壩壩前含沙量變化.

圖4 a為插板透水丁壩壩前8#橫斷面含沙量分布、流量和攔沙比與攔沙量分布，可以看出含沙量沿著8#橫斷面從右岸往左岸逐漸增大，并在壩頭附近含沙量達到最大值.插板透水丁壩布置在河道右岸邊，插板透水丁壩壩前橫斷面隨著流量的增大，水流中泥沙含沙量增大，在壩前攔沙量減小.這是由于流量增大，同時水流流速也增大，水流中攜帶泥沙量增多并通過主流區(qū)輸送下游，丁壩具有束水攻沙的作用.由圖4 b可知，流量與攔沙比呈負相關(guān)、與攔沙量呈正相關(guān).

圖4 壩前8#斷面試驗結(jié)果Fig.4 Test results of 8#cross section in front of spur dike

結(jié)果表明，插板透水丁壩攔沙量（比）與水沙條件有密切聯(lián)系，隨著流量增大，插板透水丁壩壩前攔沙比越小，同時攔沙量減小.其他條件不變時，流量越大，水流流速越大，水流中攜帶泥沙量也越多，由于插板透水丁壩阻水緩流與挑流作用，使懸沙橫向輸移，最后通過丁壩主流區(qū)束水攻沙，最終使丁壩攔沙量（比）減小，由此看來，插板透水丁壩具有攔沙作用.

3.2 泥沙粒徑對攔沙作用影響

保持流量和有效壩長不變，選取開孔率為30%，挑角90°，泥沙粒徑為0.050、0.068、0.086、0.104、0.122 mm進行模擬計算.取壩前8#橫斷面含沙量計算結(jié)果，并繪制含沙量相關(guān)曲線（圖5）.

在流量和有效壩長一定的情況下，通過改變水流中泥沙粒徑大小來觀測插板透水丁壩壩前8#橫斷面含沙量變化，分析插板透水丁壩攔沙作用.同一流量同一壩長下，隨著泥沙粒徑增大，8#斷面含沙量逐漸增大，攔沙比增大，但增加幅度相對較小，攔沙效果顯著.

圖5 a為插板透水丁壩壩前8#橫斷面含沙量的變化情況，可以看出在0～0.25 m處，含沙量隨著泥沙粒徑增大而減小，而且泥沙粒徑越小，含沙量變化也越大，含沙量最大值出現(xiàn)在泥沙粒徑d=0.050 mm，最大值約2.0 kg/m3.每種不同泥沙粒徑，其含沙量最大值出現(xiàn)在壩頭附近，在距壩頭0.25 m處，含沙量變化開始趨于平緩，而且d=0.068 mm要比d=0.086、0.104、0.122 mm在主流區(qū)含沙量高，d=0.122 mm變化幅度比較大.圖5 b可以看出，泥沙粒徑與攔沙比呈負相關(guān)，與攔沙量呈正相關(guān)關(guān)系.

圖5 壩前8#斷面試驗結(jié)果Fig.5 Test results of 8#cross section in front of spur dike

結(jié)果表明，插板透水丁壩攔沙量（比）與水流中泥沙粒徑有很大關(guān)系，泥沙粒徑越大，壩前水流流速越小，大顆粒粒徑水沙搬運速度越低，通過丁壩作用將其攔截在丁壩前.隨著泥沙粒徑增大，攔沙量增大，同時丁壩攔沙比增大，由于粗粒徑沉降速度快，需要更大的啟動速度，大量粗顆粒泥沙被攔截在丁壩前，從而表明插板透水丁壩在河道中具有攔沙作用，且具有攔截粗沙的作用.

3.3 有效壩長對攔沙作用影響

保持流量和泥沙粒徑不變，選取開孔率30%，挑角90°，有效壩長為25、30、35 cm進行模擬計算.取壩前8#橫斷面含沙量計算結(jié)果，并繪制含沙量相關(guān)曲線（圖6）.

圖6 壩前8#斷面試驗結(jié)果Fig.6 Test results of 8#section in front of spur dike

流量和泥沙粒徑一定，改變插板透水丁壩有效壩長來觀測8#橫斷面含沙量變化.同一流量同一泥沙粒徑下，隨著插板透水丁壩有效壩長增加，丁壩前壅水面積增大，丁壩阻水緩流作用增強，攔沙量逐漸增加，但增加幅度不大.圖6 a所示為插板透水丁壩8#橫斷面含沙量變化情況，可以看出壩前含沙量逐漸增大，不同有效壩長，含沙量最大值出現(xiàn)的位置不同，其最大值都出現(xiàn)在壩頭附近，并且在有效壩長為30 cm時，含沙量最大值最先達到.主要是由于插板透水丁壩有效壩長越長，其阻水緩流和挑水分流作用越強，導(dǎo)致上游丁壩作用區(qū)面積增大，大量水沙速度減緩，水流中泥沙被其攔截，主流區(qū)束窄寬度提高.圖6 b所示為攔沙比和攔沙量與有效壩長之間的關(guān)系，可以看出，有效壩長與攔沙量、攔沙比呈遞增關(guān)系，有效壩長越長，攔沙效果越好.

結(jié)果表明，流量和泥沙粒徑一定，隨著有效壩長增加，插板透水丁壩壩前緩流阻水面積增大，阻流與引水挑流能力增加，束窄寬度增加，攔截效果明顯.

3.4 插板透水丁壩某一斷面平均流速

1）天然河道

天然河道某一過水?dāng)嗝嫫骄魉俚挠嬎?，通常采用R.Maning公式［21］：

式中：U為河道某一過水?dāng)嗝嫫骄魉?，m/s；n0為河道糙率；R為河道水力半徑，m；Jp為河道水力坡度.當(dāng)河流為天然游蕩型寬淺河床時，水力半徑可以用河道平均水深代替（即：h≈R）.

2）透水丁壩下游平均流速

透水丁壩下游平均流速公式［22］：

本文通過李玉建［22］推導(dǎo)的透水丁壩下游平均流速公式，概化徑距比（d/b）約等于L×p（壩長與開孔率乘積），用數(shù)值模擬計算結(jié)果驗證插板透水丁壩減緩流速及攔沙作用，即：

3）插板透水丁壩下游平均流速

無插板透水丁壩時河道下游平均流速：

河道平均水力坡度Jp=0.014 6，河道試驗糙率n0=0.010，試驗下游平均水深hB1=0.275 6 m，下游過水?dāng)嗝娴钠骄魉伲?/p>

有插板透水丁壩下河道下游平均流速：

丁壩長L=0.25 m，p=30%，試驗下游平均水深hB2=0.224 3 m，插板透水丁壩處水位差?z：

下游過水?dāng)嗝娴钠骄魉伲?/p>

以上計算可看出：UB1>UB2，證明插板透水丁壩有緩流作用，在插板透水丁壩作用下，下游河道平均流速降低，對水沙具有攔截作用，展現(xiàn)出插板透水丁壩在河道水沙治理的優(yōu)越性.

4 結(jié)論

1）插板透水丁壩能減小水流中懸-推移混合質(zhì)運動速度，使壩前泥沙含沙量增大，證明了插板透水丁壩具有攔沙作用.插板透水丁壩攔沙作用除了與來沙條件、丁壩結(jié)構(gòu)型式有關(guān)外，還可能與水流含沙量、河床邊界條件有關(guān)，有待進一步研究.插板透水丁壩對泥沙攔截作用是解決干旱區(qū)內(nèi)陸河泥沙治理的一種有效方法，并具有創(chuàng)新意義.

2）從粒徑分布來看，粗粒泥沙含沙量表現(xiàn)為先增大后減小，粗粒泥沙最先落淤，被插板透水丁壩攔截壩前；細顆粒泥沙含沙量先減小后增大，細顆粒泥沙壩前淤積少，大部分透過開水孔落淤壩后，證明了插板透水丁壩對泥沙具有“攔粗排細”分選作用.

3）隨著插板透水丁壩有效壩長增加，壩前壅水面積增大，丁壩阻水緩流作用增強，水流中泥沙被攔截，攔沙量增加；流量越大，水流流速越大，水流中攜帶泥沙量越多，由于插板透水丁壩阻水緩流與挑流作用，使懸沙橫向輸移，從而證明了攔沙作用顯著.