插板透水丁壩分流分沙影響因素數(shù)值模擬

毛亮 李玉建 周正平 申帥輝 耿義鑫

摘要：為了探究不同因素對插板透水丁壩分流分沙的作用規(guī)律，通過CCHE2D水沙模擬軟件對塔里木河新其滿河段河槽模型進行數(shù)值模擬，分析不同流量、粒徑和壩長下插板透水丁壩周圍斷面總單寬流量、泥沙濃度、流速及切應力變化規(guī)律。結(jié)果表明：當其它條件一定時，來流量越大，壩前單寬流量增大，分流比增大，壩后切應力減小，主流區(qū)流速、切應力增大，有利于河道輸水輸沙;粒徑越大，壩前比壩后單寬流量、泥沙濃度大，分流分沙比增大，起到促淤作用;壩長越長，壩前壅水面積增大，壩后流速減緩區(qū)越大，河流束窄寬度越窄，分流分沙比增大，但分沙比變化幅度大于分流比。因此，插板透水丁壩具有分流分沙作用，可穩(wěn)固河岸，使河床斷面水沙重新分配，達到新的平衡，起到保護河岸和調(diào)水調(diào)沙作用。

關 鍵 詞：插板透水丁壩;數(shù)值模擬;分流分沙;塔里木河

中圖法分類號：TV863

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0216-07

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.035

0 引 言

插板透水丁壩是一種新型壩式透水護岸建筑物。前人通過試驗研究得出相對于其它護岸結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越性，整治效果明顯，水流結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，水流條件對河岸兩邊植物生長有益[1]。從20世紀中后期開始，國內(nèi)外學者就開始對丁壩分流分沙作用進行研究。Law[2]和Gorgeous[3]從能量角度研究了丁壩分流比與分沙比。余文疇[4]和徐德龍等[5]根據(jù)河道實測資料，對不同流量級、展寬率和輸沙率沿程隨河寬變化的指數(shù)關系進行了分析研究，得到了分沙比變化特性、影響因素及分流分沙規(guī)律。余新明等[6]和韋立新等[7]利用分流口附近環(huán)流結(jié)構(gòu)和含沙量沿垂線分布規(guī)律，對分流分沙影響因素進行初步研究，并建立支流分流比與分沙比計算公式。史紅玲等在渠道分流水流流態(tài)研究成果基礎上，推導出渠道分沙比與分流比呈0.9次冪關系式，并建立了渠道分流比關系式[8]。周濟福等通過研究丁壩長度、潛堤方向?qū)降婪至鞅取⒎稚潮鹊挠绊?，表明水工建筑物布置方式、尺寸對河道分流分沙有一定影響，潛堤方向改變對分流分沙影響比束水丁壩長度對分流分沙的影響要大[9]。張悅等通過水槽試驗，研究了丁壩過水面積、流量、丁壩位置對分汊河道分流比的影響，并分析總結(jié)其影響規(guī)律[10]。綜上所述，國內(nèi)外對丁壩分流分沙已經(jīng)做了部分研究，并取得了相應成果，但對插板透水丁壩分流分沙作用未進行研究。因此，筆者通過數(shù)值模擬研究插板透水丁壩分流分沙影響因素，得出不同因素對插板透水丁壩分流分沙作用的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為利用插板透水丁壩開展河道整治工程的設計與工程布置提供科學參考依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 水槽模型試驗

1.1.1 模型試驗

數(shù)值模擬試驗基于張凱[11]物理模型試驗，見圖1。通過對干旱區(qū)內(nèi)陸河粉細沙河床河道治理研究和本課題組對塔里木河河道治理研究的相關資料分析，選定了塔里木河新其滿三號口斷面河段作為模擬河段。水槽模型比尺如下：流速比尺λV=5，流量比尺λQ=31 250，粒徑比尺λd=0.775，糙率比尺λn=0.54，比降比尺λJ=0.1，幾何變率比尺e=10，水平比尺λL=250，垂直比尺λH=25，時間比尺λt=50。根據(jù)塔里木河研究資料[12]，選取該河段20 a一遇洪水流量Q=0.016 03 m3/s作為典型試驗流量。選取厚度為1.8 mm的PVC板作為模型材料，在長6 m、寬1.2 m、高0.45 m、厚度0.18 m，底坡坡降i=1/500的混凝土水槽中進行。試驗測量儀器主要有LGY-Ⅱ型流速儀、水準儀、鋼卷尺、刻度尺、秒表等。

1.1.2 模型試驗設計

分流是由于插板透水丁壩緩流挑流作用和插板具有一定開孔率使水流分開，泥沙也隨之分開輸移。分流比與分沙比是研究插板透水丁壩對河道治理的重要參數(shù)之一，不同工況下插板透水丁壩分流分沙作用程度不同。有學者已經(jīng)對其它型式丁壩分流分沙進行了研究，并取得了相應的研究成果。根據(jù)插板透水丁壩透水孔設計，當開孔率為30%，透水丁壩防沖促淤效果達到最佳，計算選取開孔率為30%[13]。試驗設計方案如表1所示，插板透水丁壩采用單一正挑布置方式，插板均勻布置在水槽中。

1.2 插板透水丁壩數(shù)值模擬試驗

1.2.1 模型網(wǎng)格劃分

用CCHE-MESH結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型網(wǎng)格進行劃分。Imax、Jmax的設置對模擬試驗至關重要，若網(wǎng)格數(shù)設置過少，則會導致計算結(jié)果不精確;網(wǎng)格數(shù)設置過多，則會加大模型的計算量，耗時過長。在保證計算可靠性的前提下，盡量使控制點連接的虛線與邊界正交，控制網(wǎng)格I線和J線走向，滿足網(wǎng)格正交性和光滑性。為了提高計算精度，插板透水丁壩周圍網(wǎng)格局部加密，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)格光滑性、正交性，達到優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量。在計算域網(wǎng)格節(jié)點單元的計算中，取縱向網(wǎng)格線數(shù)為Imax=100，橫向網(wǎng)格線數(shù)為Jmax=300，網(wǎng)格數(shù)量共計30 000個（除去加密網(wǎng)格點）。

1.2.2 初始邊界條件

設定初始條件，采用實測物理模型地形高程數(shù)據(jù)，再用三角形平面插值的方法，水槽模型設置一個進口邊界和一個出口邊界。根據(jù)實測值設置初始值，進口水面高程為0.841 m，出口水面高程為0.826 m。根據(jù)CCHE2D模型使用手冊，通過對不同糙率值進行率定，最后選定糙率n=0.010。根據(jù)不同流量條件分別選擇進口總流量。對于自由液面處理，CCHE2D軟件默認為自由液面，不需設置。

1.3 模型驗證

為了驗證模擬的準確性，取來水流量為Q=0.016 03 m3/s，泥沙粒徑d=0.050 mm，有效壩長d=25 cm的工況，對物理模型實測流速數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬流速數(shù)據(jù)進行比較驗證。如圖2所示，兩條曲線各點基本吻合，說明數(shù)值模擬具備本次試驗能力。

1.4 分流比與分沙比

根據(jù)透水丁壩分水緩流研究[14]，本文插板透水丁壩分流比（γ）為插板透水丁壩作用區(qū)橫斷面單寬流量與其上游橫斷面總單寬流量比值，即：

式中：Q為丁壩上游總單寬流量，m2/s;Q1為透水丁壩作用區(qū)單寬流量，m2/s。

上文給出了分流比定義，在河道水流運動的過程中，包含了水流運動和泥沙運動。在插板透水丁壩作用下，既有分流作用又有分沙作用。本文分沙比（γ′）指是插板透水丁壩作用區(qū)泥沙濃度（Q1濃）與插板透水丁壩上游橫斷面總泥沙濃度（Q濃）比值，即：

式中：泥沙濃度單位為kg/m3。

2 模擬試驗結(jié)果分析

2.1 不同流量下插板透水丁壩分流分沙作用

由表2可知，當其他因素一定，隨著流量的增大，插板透水丁壩分流比逐漸增大，既流量越大，分流效果越明顯，在流量0.010 28～0.013 07 m3/s變化幅度較大。流量也是影響插板透水丁壩分沙因素之一，不同流量分沙比不同，隨著流量增大，分沙比逐漸減小。表明流量越小，分沙效果越明顯。

2.1.1 不同流量下插板透水丁壩分流作用

由圖3可知：同一流量下，從插板透水丁壩下游右岸往左岸觀測過程中，插板透水丁壩下游總單寬流量從右岸往左岸逐漸增大，透水丁壩主流區(qū)，總單寬流量變化幅度較大;不同流量下，隨著流量減小，丁壩下游總單寬流量逐漸減小，在插板透水丁壩6號橫斷面變化不明顯，而主流區(qū)變化明顯。對于插板透水丁壩6號橫斷面：在0～25 cm處，總單寬流量變化幅度為62.38%，總切應力減小，變化幅度53.96%;在25～48 cm處，總單寬流量增大，變化幅度22.05%，總切應力增大，變化幅度58.4%;在48～80 cm處，基本處在主流區(qū)，總單寬流量變化幅度46.96%，總切應力變化幅度67.3%;在80 cm后，基本到達左岸，插板透水丁壩在6號橫斷面起到緩流促淤作用，增大主流流量，減少河道主流區(qū)淤積。不同流量下，插板透水丁壩下游總單寬流量從右岸往左岸呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，且在主流區(qū)變化明顯較大。因此，流量對插板透水丁壩分流有一定影響，且主流區(qū)增減幅度大。

2.1.2 不同流量下插板透水丁壩分沙作用

由圖4可知，流量不僅影響插板透水丁壩分流作用，同時也影響著分沙作用。3條曲線總體變化趨勢相似，不同流量，調(diào)節(jié)程度從右岸往左岸逐漸增大。同一流量，從插板透水丁壩下游右岸往左岸過程中，泥沙濃度數(shù)值趨于上升，而且增減幅度在不同的區(qū)域不同，主流區(qū)變化幅度大，丁壩6號橫斷面變化幅度較小。不同流量下，隨著流量增大，6號橫斷面泥沙濃度從右岸往左岸逐漸增大。對于插板透水丁壩6號橫斷面：在0～25 cm處，流速從右岸往左岸逐漸增大，變化幅度85.01%，壩后流速減緩，起到阻水緩流作用，泥沙濃度變化幅度45.47%，流速從右岸往左岸逐漸增大;在25～48 cm處，流速逐漸增大，變化幅度47.91%，泥沙濃度增大，變化幅度53.68%;在48～80 cm處，基本處在束窄河床主流區(qū)，各指標變化趨于平緩，變化幅度較小;在80 cm后，基本到達左岸，部分泥沙淤積在河灘處。

2.2 不同粒徑下插板透水丁壩分流分沙作用

由表3可知，泥沙粒徑不同，插板透水丁壩分流比不同，即分流變化幅度不同。在流量一定時，隨著粒徑增大，插板透水丁壩附近單寬流量增大，分流比逐漸增大，分流比變化不明顯，總的趨勢分流比是增大。在流量一定時，隨著粒徑增大，插板透水丁壩泥沙濃度減小，分沙比逐漸增大。泥沙粒徑不同，插板透水丁壩的分沙比不同，既分沙效果不同。

2.2.1 不同粒徑下插板透水丁壩分流作用

由圖5可知，粒徑也是影響插板透水丁壩分流主要因素之一，插板透水丁壩作用區(qū)變化小，主流區(qū)變化明顯。同一流量下粒徑，粒徑d=0.050 mm時，總單寬流量在壩頭附近達到最大值;d=0.086 mm時，變化相對較小。3條曲線總體變化趨勢大致走向相近，影響因素不同，變化程度不同，從右岸往左岸逐漸增大，不同的區(qū)域增減程度不同。插板透水丁壩6號橫斷面：在0～25 cm處，總單寬流量變化趨于平緩，變化幅度58.75%，總切應力變化幅度也比較小，變化幅度19.99%;在25～48 cm處，總單寬流量變化幅度為27.77%，總切應力變化66.13%;在48～80 cm處，總單寬流量變化幅度44.41%，總切應力變化70.97%;在80 cm后，到達左岸。粒徑也是影響插板透水丁壩分流的因素，雖然影響幅度與粒徑的大小有關，但在研究插板透水丁壩分流的影響因素時，粒徑也是考慮因素之一。

2.2.2 不同粒徑插板透水丁壩分沙作用

由圖6可知，粒徑大小不僅影響插板透水丁壩分流作用，也影響著分沙作用。3條曲線總體變化趨勢大致相近，調(diào)節(jié)幅度不同，調(diào)節(jié)幅度從右岸往左岸逐漸增大。同一流量、粒徑，從插板透水丁壩下游右岸往左岸過程中，泥沙濃度數(shù)值趨于上升，且增減幅度在不同的區(qū)域不同，在主流區(qū)變化幅度較大，在6號橫斷面處變化幅度較小。不同流量、不同粒徑下，隨著流量增大，6號橫斷面處泥沙濃度從右岸往左岸逐漸增大，主流區(qū)變化趨勢顯著。對于插板透水丁壩6號橫斷面：在0～25 cm處，泥沙濃度變化幅度39.15%，總流速變化也趨于平緩，變化幅度69.09%;在25～48 cm處，泥沙濃度變化幅度35.11%，總流速變化70.18%;在48～80 cm處，泥沙濃度變化幅度22.67%，總流速變化75.39%;在80 cm后，總流速、泥沙濃度增幅分別為36.4%、66.42%。

2.3 不同壩長下插板透水丁壩分流分沙作用

由表4可知，當其他因素都不變，隨著壩長增大，插板透水丁壩分流比逐漸增大，即插板透水丁壩壩長越長，其阻水緩流作用越強，阻水面積增大，分流效果較明顯。壩長也是影響插板透水丁壩分沙因素之一，不同壩長，插板透水丁壩分沙比不同，插板透水丁壩壩長越長，分沙比增大，數(shù)據(jù)表明壩長越大，分沙效果越明顯。

2.3.1 不同壩長下插板透水丁壩分流作用

由圖7可知，壩長也是影響插板透水丁壩分流分沙因素之一，不同壩長對水流影響效果不同。當插板透水丁壩壩長越長，壩后緩流效果越好，壩長越長，阻水面積越大，分流比增大。在插板透水丁壩6號橫斷面：在0～25 cm處，總單寬流量變化趨于小幅度變化，變化幅度53.15%，總切應力變化幅度較小，變化幅度19.99%;在25～80 cm處，總單寬流量變化幅度25.17%，總切應力變化幅度48.35%;在80 cm后，總單寬流量、總切應力變化幅度為37.28%，44.16%。由于插板透水丁壩壩長越長，河床束窄度提高，阻流和挑流能力越強，壩前阻水面積越大，壩后流速減緩越大，分流效果明顯，從而通過分流分沙達到壩后緩流促淤效果。

2.3.2 不同壩長下插板透水丁壩分沙作用

由圖8可知，不同壩長對插板透水丁壩分沙影響規(guī)律不同。從不同壩長對插板透水丁壩下游橫斷面泥沙濃度及流速影響變化曲線分析，曲線變化趨勢相似。

同一壩長，插板透水丁壩6號橫斷面處，從插板透水丁壩右岸往左岸泥沙濃度緩慢增大;在壩頭附近，水流在主流區(qū)流量增大，水流中挾沙量增大，泥沙濃度增大;在左岸附近，由于水流流速降低，水流中大量的泥沙淤積在河岸，導致濃度增大。對于插板透水丁壩6號橫斷面：在0～25 cm處，泥沙濃度變化77.13%，流速變化49.09%;在25～80 cm處，基本在壩頭附近到主流區(qū)，由于丁壩引水分流作用，主流區(qū)流量增大，水流中攜帶泥沙增多，泥沙濃度變化79.43%，總流速變化50.18%;在80 cm后，基本到達左岸，水流流速降低，部分泥沙淤積河岸附近。

插板透水丁壩布置方式會影響其附近水流結(jié)構(gòu)、切應力以及水沙重新分配調(diào)整，而不同參數(shù)下插板透水丁壩作用效果不同，計算典型方案Q=0.016 03 m3/s、d=0.086 mm、L=35 cm時，丁壩附近流速、切應力和含沙量分布如圖9所示。

隨著流量增大，流速、切應力增大，分流比與流量呈正相關，分沙比與其呈負相關;隨著泥沙粒徑與有效壩長增加，分流比、分沙比與泥沙粒徑、有效壩長均呈正相關，且流速、切應力在壩頭處達到最大，這也就是壩頭沖刷嚴重的原因，并在插板開水孔處也有一定沖刷。

3 結(jié) 論

（1）分流作用。隨著流量增大，分流比逐漸增大，分流效果明顯;隨著泥沙粒徑增大，分流比變化不明顯，總的趨勢增大;插板透水丁壩有效壩長越長，其阻水緩流作用越強，阻水面積增大，分流比增大，分流效果明顯。

（2）分沙作用。流量越小，分沙效果明顯;泥沙粒徑增大，分沙比逐漸增大，達到壩后促淤目的;有效壩長增大，分沙比增大，分沙比變化大于分流比。

（3）證明了插板透水丁壩具有分流分沙作用。插板透水丁壩可改善河道水沙條件，壩身分流分沙作用達到了緩流促淤目的，可以穩(wěn)固河岸，保護河岸安全穩(wěn)定。插板透水丁壩是解決干旱區(qū)內(nèi)陸河流水沙治理的一種有效水工建筑物。

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（編輯：李 慧）