陡坡河道透過(guò)性壩阻水效應(yīng)及沿程水深預(yù)測(cè)方法

桂子欽，劉 超，黃 爾，劉興年

(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

全球范圍內(nèi)，山洪災(zāi)害每年造成人員傷亡、房屋倒塌、基礎(chǔ)設(shè)施損毀等嚴(yán)重后果。山洪災(zāi)害具有突發(fā)性強(qiáng)、水量集中流速大、沖刷破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅山區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全[1-3]。山洪發(fā)生時(shí)常伴隨泥沙輸移，泥沙受強(qiáng)降雨影響進(jìn)入河道，造成河道急劇調(diào)整，引發(fā)山洪水沙災(zāi)害[4-6]?；?015年四川敘永縣山洪災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)考察，Gan等[7]認(rèn)為暴雨引發(fā)強(qiáng)輸沙造成的水沙耦合災(zāi)害的危害性往往大于洪水本身。山區(qū)河流中，泥沙主要淤積在河流交匯區(qū)、寬窄相間區(qū)與坡降變化區(qū)，淤積泥沙抬高河床，顯著提升泥沙淤積區(qū)域洪水位，增大致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[8-10]。例如：2001年7月28日，暴雨作用下，四川省馬邊縣挖黑河及先家普河洪水猛漲，沿河山體滑坡產(chǎn)沙嚴(yán)重，大量泥沙進(jìn)入河道，河流交匯區(qū)泥沙淤積、堆積，掩埋位于兩河交匯區(qū)的波羅水電站，致使電站停運(yùn)數(shù)月，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，泥沙是加劇山洪災(zāi)害的重要因素，通過(guò)工程措施減少河道可動(dòng)泥沙，可降低山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

透過(guò)性壩是降低泥石流危害的一種工程措施，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛[11-12]。透過(guò)性壩可實(shí)現(xiàn)攔粗排細(xì)，降低粗大顆粒對(duì)壩下游的直接沖擊和破壞。許多學(xué)者對(duì)透過(guò)性壩攔沙性能、淤沙形態(tài)、泥沙最大堆積高度、相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了深入研究。例如：Ikeya[13]、Ashida[14]和Mizuyama[15]等針對(duì)不同類(lèi)型透過(guò)性壩的攔沙性能進(jìn)行研究，表明透過(guò)性壩開(kāi)口寬度b對(duì)泥沙攔截率有較大影響。韓文兵和歐國(guó)強(qiáng)[16]發(fā)現(xiàn)透過(guò)性壩泥沙攔截率隨相對(duì)開(kāi)度b/dmax的增大而減?。╠max為泥沙顆粒最大粒徑），當(dāng)相對(duì)開(kāi)度滿(mǎn)足1.5

山洪和泥石流常攜帶大量漂木，其隨山洪和泥石流向下游運(yùn)動(dòng)，在通過(guò)透過(guò)性壩時(shí)易發(fā)生堵塞堆積，形成致密堵塞體，致使回水淤積、水位升高，從而導(dǎo)致洪水泛濫面積增大、持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，加重災(zāi)害程度[20-22]。Hartlieb[23]和Schalko[24]等對(duì)漂木堵塞引起的壅水效應(yīng)分別進(jìn)行了量綱分析和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明水流弗勞德數(shù)越高，漂木堵塞體越密實(shí)，壅水效應(yīng)越顯著；壅水效應(yīng)同樣隨漂木堵塞體長(zhǎng)度的增加而增大，卻隨漂木堵塞體體積系數(shù)和平均漂木直徑的增大而減小。

近年來(lái)，山區(qū)植被覆蓋面積增大[25]、河道邊坡護(hù)岸工程實(shí)施[26]、人類(lèi)活動(dòng)影響[27]、河道河床粗化[28]等造成山區(qū)河流泥沙補(bǔ)給減少，部分山區(qū)河流處于少沙補(bǔ)給狀態(tài)，透過(guò)性壩更多發(fā)揮其阻水作用。當(dāng)壩體透水率較大時(shí)，壩體與橋梁工程中橋墩的阻水作用有一定相似。丁偉等[29]采用數(shù)值模擬方法研究了橋墩的阻水效應(yīng)，結(jié)果表明，橋墩數(shù)量越多，橋梁跨徑越小，阻水比越大，壅水高度也越大。河流中的橋墩數(shù)量一般較少，橋墩附近的壅水高度與范圍相對(duì)較小[30]，這與開(kāi)口寬度較大（透水性較強(qiáng)）的透過(guò)性壩的阻水效應(yīng)相似。韓文兵等[16]已發(fā)現(xiàn)透過(guò)性壩開(kāi)口寬度與壩體攔沙率有關(guān)，但橋墩壅水的相關(guān)研究成果并不適用于透水率較小、攔沙需求較大的透過(guò)性壩。因此，需深入研究透過(guò)性壩不同壩體透水率的阻水效應(yīng)。劉任軍[31]對(duì)透過(guò)性壩的阻水作用及壅水極限開(kāi)展了研究，試驗(yàn)現(xiàn)象表明，壅水區(qū)長(zhǎng)度隨流量增加、比降減小或壩體透水率減小而增大；但該研究?jī)H針對(duì)上述現(xiàn)象開(kāi)展定性描述，沒(méi)有對(duì)壩前壅水區(qū)長(zhǎng)度及其關(guān)鍵影響因子開(kāi)展定量分析。

綜上所述，前人主要研究了透過(guò)性壩的攔沙特性，也開(kāi)展了少量透過(guò)性壩的阻水效應(yīng)研究。但阻水效應(yīng)研究?jī)H停留在定性分析，缺乏壩前壅水區(qū)長(zhǎng)度的定量計(jì)算方法。另外，前人并未對(duì)透過(guò)性壩壅水區(qū)沿程水深變化特性開(kāi)展研究，也缺乏壩前壅水區(qū)沿程水深的計(jì)算方法。針對(duì)以上內(nèi)容，本文通過(guò)模型試驗(yàn)，定量研究了不同流量和壩體透水率下沿程水深與壅水區(qū)長(zhǎng)度的變化規(guī)律?；谀芰糠匠蹋⒘送高^(guò)性壩壅水區(qū)沿程水深逐步計(jì)算模型與壅水區(qū)長(zhǎng)度預(yù)測(cè)方法，并給出了各計(jì)算參數(shù)的詳細(xì)取值方法。另外，提出了壩體上游自由出流區(qū)和下游水流充分發(fā)展區(qū)的水深預(yù)測(cè)模型。研究成果解決了透過(guò)性壩沿程水深、壅水區(qū)長(zhǎng)度難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的難題。這些預(yù)測(cè)參量可為陡坡河道透過(guò)性壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，可在陡坡少沙河道中推廣應(yīng)用。

1 試驗(yàn)方法

模型試驗(yàn)在長(zhǎng)為14 m、寬B=0.3 m、坡降i=5%的玻璃水槽中進(jìn)行。水流由三角堰進(jìn)入水槽靜水池，再由進(jìn)水口進(jìn)入試驗(yàn)水槽，流量由三角堰測(cè)量。水槽進(jìn)水口下游1～7 m段作為試驗(yàn)段，在試驗(yàn)段內(nèi)，沿程測(cè)定水深、水面比降。水面比降由任意兩點(diǎn)的水面高程差與兩點(diǎn)的水平距離之比計(jì)算獲得。

透過(guò)性壩壩體布置在進(jìn)水口下游4 m處，固定在河床，并垂直于床面，如圖1所示，將透過(guò)性壩中心線(xiàn)與河床中心線(xiàn)的交點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)，x、y、z軸分別表示逆水流方向、垂直水流方向與垂直河床方向。

圖1中以矩形體數(shù)量N=5、矩形體間距dy=24 mm的透過(guò)性壩為例。研究關(guān)注重點(diǎn)之一是不同壩體透水率下透過(guò)性壩的阻水作用。搭配不同寬度矩形體、不同矩形體間距和數(shù)量，可構(gòu)建不同透水率的透過(guò)性壩。將樟子松加工為矩形體模擬透過(guò)性壩。單個(gè)樟子松矩形體的厚度（4 cm）與高度（20 cm）不變，但考慮了6個(gè)矩形體寬度，分別為b=3.0、4.0、4.1、5.0、5.7和6.6 cm；考慮2個(gè)矩形體間距（dy=12和24 mm）和3種矩形體數(shù)量（N=4、5和6），組合形成6種不同的透水率。透水率定義為透過(guò)性壩過(guò)流斷面寬度與河道總寬度之比：

圖1 透過(guò)性壩橫剖面Fig. 1 Cross section of a slit dam

根據(jù)式（1）可得本文透過(guò)性壩的6種透水率分別為12%、16%、20%、24%、32%和40%。這些壩體透水率與透過(guò)性壩攔沙性能研究中常見(jiàn)的壩體透水率一致（10%～60%）[32]。每個(gè)透水率下，設(shè)置5個(gè)流量開(kāi)展試驗(yàn)：Q1=2.5 L/s，Q2=3.4 L/s，Q3=3.9 L/s，Q4=4.4 L/s，Q5=5.0 L/s。

圖2為水深測(cè)量斷面設(shè)置，針對(duì)不同流量工況，在透過(guò)性壩上游的6個(gè)斷面（X(1)～X(4)、X1、X2）和下游的5個(gè)斷面（X(5)～X(8)及X3）分別測(cè)量水位與水面比降，躍后斷面X(0)處水深H(0)則根據(jù)H1計(jì)算可得。測(cè)量斷面X1布置在透過(guò)性壩上游自由出流區(qū)，該段水流為恒定均勻流，水深為H1。在壩前壅水區(qū)，壅水區(qū)長(zhǎng)度L與壩體透水率C有關(guān)，壅水區(qū)布置5個(gè)測(cè)量斷面（X(1)～X(4)及X2），距離壩體上游邊界8 cm處（x=8 cm）設(shè)置上游測(cè)量斷面X(4)。壩前水位H2是壩體設(shè)計(jì)時(shí)需關(guān)注的水深指標(biāo)。上游流量Q與壩體透水率C是影響H2的重要參量。同時(shí)，上游壩前水深H2與壩前壅水距離L（壅水區(qū)范圍）有關(guān)，壩體迎水面處設(shè)置測(cè)量斷面X2（x=0）。壩下游等間距設(shè)置的5個(gè)測(cè)量斷面（X(5)～X(8)、X3），斷面間距為22 cm。每個(gè)測(cè)量斷面等間距選取3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別布置在水槽左、右邊壁（y= ±15 cm）和河床中心線(xiàn)（y=0 cm）。各斷面上，將3個(gè)測(cè)點(diǎn)的水位平均值作為斷面水深，分別標(biāo)示為H1、H2、H(1)至H(8)及H3（圖2）。需注意的是，當(dāng)下泄流量較大時(shí)，壩體下游靠近壩址處易發(fā)生水躍，布置壩體下游測(cè)量斷面X(5)時(shí)應(yīng)盡可能避開(kāi)水躍段，選擇離壩址較近、但流態(tài)穩(wěn)定的斷面測(cè)量水位。當(dāng)水流充分發(fā)展時(shí)，水深穩(wěn)定且水流為恒定均勻流，水深僅與下泄流量和河床條件有關(guān)。

圖2 水深測(cè)量斷面設(shè)置Fig. 2 Schematic of flow depth measurement transects

各工況試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)Tab. 1 Experimental parameters

式中， δ(k)為壩前壅水區(qū)第k個(gè)測(cè)量斷面測(cè)量值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差，M為壩前壅水區(qū)測(cè)量斷面數(shù)量。

⑥觀察各組枝條生長(zhǎng)情況，每天計(jì)數(shù)生根枝條數(shù)、生根數(shù)，用尺子測(cè)量根的總長(zhǎng)度，在表2中記錄數(shù)據(jù)求平均值和生根率。

從表1可看出：工況1～20中（C=12%～24%），從上游測(cè)量斷面X(4)處往上每隔22 cm設(shè)置一測(cè)量斷面，分別為上游斷面X(4)到X(1)；工況21～25中（C=32%），從上游測(cè)量斷面X(4)處往上每隔12 cm設(shè)置一測(cè)量斷面；工況26～30中（C=40%），從上游測(cè)量斷面X(4)處往上每隔8 cm設(shè)置一測(cè)量斷面。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壩上游自由出流區(qū)水深預(yù)測(cè)方法

透過(guò)性壩自由出流區(qū)水流為恒定均勻流，水深、斷面平均流速（v）等沿程不改變，上游流量與斷面平均流速表示為[33]：

將式（7）和（8）代入式（6），得到透過(guò)性壩上游自由出流區(qū)水深H1迭代計(jì)算式：

圖3為不同透水率（12%～40%）、不同流量（2.5～5.0 L/s）時(shí)，透過(guò)性壩上游自由出流區(qū)水深H1的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值。根據(jù)式（2），得到本文所有工況的水深預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差δ1<3%，表明本文方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)壩上游自由出流區(qū)水深H1。

圖3 壩上游自由出流區(qū)水深H1預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig. 3 Comparison of predicted and measured H1 in the free flow section upstream of the dam

2.2 壩前壅水區(qū)沿程水深計(jì)算方法

表明壩上游自由出流區(qū)水流為急流。急流進(jìn)入壅水區(qū)產(chǎn)生水躍，其長(zhǎng)度Lj按Elevatorski[36]公式計(jì)算：

式中：H1為躍前斷面水深（壩體上游自由出流區(qū)水深，可由式（9）得到）；Hu0為躍后斷面水深，計(jì)算公式為[33]：

由式（10）和（11），可得所有工況水躍長(zhǎng)度Lj與壅水長(zhǎng)度L的平均比值為15%，說(shuō)明水躍長(zhǎng)度占壅水長(zhǎng)度比例較小，水躍區(qū)域?qū)ρ爻趟畹挠绊戄^小。

壩前壅水區(qū)為恒定非均勻漸變流。選取該區(qū)域長(zhǎng)度為 Δs的水體構(gòu)建能量方程（圖4）。

圖4 壩前壅水區(qū)長(zhǎng)度為Δs的水體示意圖Fig. 4 Schematic diagram water body with length Δs in backwater section upstream of a slit dam

式中，Zu和Zu+1分別為壩上游壅水區(qū)u斷面和u+1斷面處的床底高程，Hu和Hu+1分別為壩上游u斷面和u+1斷面處的水深，vu和vu+1分別為壩上游u和u+1斷面平均流速，Δhf為沿程水頭損失，Δhj為局部水頭損失。水流連續(xù)方程為：

圖5以壩體透水率20%的工況為例，給出了不同流量（Q= 2.5～5.0 L/s）下，壩體上游沿程水深預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比。不論在上游自由出流區(qū)還是壩前壅水區(qū)，水深預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值均吻合較好。

圖5 不同流量下壩上游水深H的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比（C=20%）Fig. 5 Comparison between predicted and measured upstream water depth H of the dam with different discharges(C=20%)

根據(jù)式（3），計(jì)算得到本文各工況壩前壅水區(qū)水深預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差 δ為0.7%～6.0%，表明壩上游壅水區(qū)不同位置（包括壩前水位H2）水深預(yù)測(cè)值的精準(zhǔn)度較高。

2.3 壩前水深H2變化特性

壩前水深H2是壩體設(shè)計(jì)和壩體安全運(yùn)行的關(guān)鍵參量。壩前水深H2與上游流量Q和壩體透水率C密切相關(guān)。圖6（a）給出了不同流量、不同壩體透水率下壩前水深H2的變化規(guī)律。當(dāng)上游流量Q越大或透水率C越小，H2越大。由于壅水區(qū)上游自由出流區(qū)水深H1與上游流量Q密切相關(guān)，為消除上游流量變化的影響，用H1對(duì)壩前水深H2作無(wú)量綱處理（圖6（b））。從圖6（b）可以看出，不同流量下，壩前水深H2經(jīng)H1無(wú)量綱處理后的變化趨勢(shì)重合，表明無(wú)量綱壩前水深H2/H1主要與壩體透水率有關(guān)，且H2/H1隨透水率C的增加而減小。當(dāng)壩體透水率減小至0時(shí)，即壩體不透水（C=0），壩前水深可參考溢流壩相關(guān)理論計(jì)算。

圖6 不同流量和透水率下壩前水深H2及無(wú)量綱壩前水深H2·H1 ?1變化規(guī)律Fig. 6 Variation of water depth in front of dam H2 and dimensionless water depth in front of dam H2·H1 ?1 with different discharges and permeability

透過(guò)性壩的作用是發(fā)生山洪災(zāi)害時(shí)，攔截大粒徑塊石以減少塊石對(duì)沿岸建筑物的沖積，降低壩下游河段水沙協(xié)同災(zāi)害的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。研究中，壩體透水率選定為C=12%～40%，該透水率滿(mǎn)足一般條件下的塊石攔截需求。韓文兵和歐國(guó)強(qiáng)[37]對(duì)梳子型切口壩攔沙性能開(kāi)展研究，采用粒徑范圍為2～20 mm、容重為2.65 g/cm3的天然沙開(kāi)展試驗(yàn)，比較了壩體透水率為15%～80%時(shí)梳子壩的攔沙率，發(fā)現(xiàn)攔沙率隨著壩體透水率增大而減小。換言之，壩體透水率越大，淤沙長(zhǎng)度呈逐漸減短的趨勢(shì)。

2.4 壩上游壅水區(qū)長(zhǎng)度變化特性

壩上游壅水區(qū)長(zhǎng)度隨壩體透水率及流量的變化特性見(jiàn)圖7和8。

圖7 不同透水率C（12%～40%）下壩前壅水區(qū)長(zhǎng)度（Q=3.9 L/s）Fig. 7 Variation of backwater length in front of the dam with different permeability (C=12%～40%，Q=3.9 L/s)

圖7給出了相同流量（Q= 3.9 L/s）、不同透水率條件（12%～40%）下的壅水區(qū)形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)透過(guò)性壩上游壅水區(qū)水面線(xiàn)趨近于水平，且壩上游壅水區(qū)長(zhǎng)度L隨透水率減小而增大。因此，已知壩前水深H2、壩前壅水區(qū)的初始水深Hu0和河床坡比i時(shí)，可用式（20）計(jì)算L：

除上述方法外，由式（16）還可得到另一種壩前壅水區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算方法：

將式（20）與（21）的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)式（21）的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值更為接近，平均相對(duì)誤差為3%，式（20）的預(yù)測(cè)值較實(shí)測(cè)值偏大9%。這是因?yàn)閴吻佰账畢^(qū)水面線(xiàn)并不完全水平（見(jiàn)圖7和8），而式（20）僅將壩前壅水區(qū)水面考慮為線(xiàn)性變化，導(dǎo)致預(yù)測(cè)偏差。需要注意的是，上游水躍長(zhǎng)度占壅水區(qū)總長(zhǎng)度的9%～26%，式（20）的預(yù)測(cè)值較式（21）的預(yù)測(cè)值僅偏大3%～10%。因此，當(dāng)水躍長(zhǎng)度占壅水區(qū)總長(zhǎng)度的比例較小時(shí)（<26%），用式（20）仍可得到較為準(zhǔn)確的壅水長(zhǎng)度L。

圖9反映了壩前壅水區(qū)長(zhǎng)度L隨壩體透水率C及上游流量Q的變化規(guī)律。同一流量下，透水率越大，壅水長(zhǎng)度L越小，壩前淹沒(méi)范圍也相應(yīng)減少（圖7）。同一透水率下，隨著流量Q增大，壅水長(zhǎng)度L隨之增加，壩前淹沒(méi)范圍也越大（圖8）。設(shè)計(jì)壩體時(shí)，需考慮壩前允許淹沒(méi)范圍及需攔截的泥沙石塊粒徑，綜合選定壩體設(shè)計(jì)流量與透水率。

圖8 壩前壅水區(qū)長(zhǎng)度隨流量的變化（壩體透水率C=20%）Fig. 8 Variation of backwater length upstream of the dam with different discharges (C=20%)

圖9 壩前壅水區(qū)長(zhǎng)度隨壩體透水率的變化Fig. 9 Variation of backwater length with dam permeability

本文結(jié)論可定量解釋前人的觀測(cè)結(jié)果。劉任軍[31]對(duì)透過(guò)性壩的壅水極限開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)河床比降越緩，壩前壅水區(qū)長(zhǎng)度L越長(zhǎng)。該現(xiàn)象滿(mǎn)足式（20），當(dāng)壩前水深與初始水深不變時(shí)，河床坡降i越小，壅水區(qū)長(zhǎng)度L越長(zhǎng)。相反，若河床比降逐漸增大，當(dāng)增大至某一臨界值時(shí)，壩前水深與初始水深相等，將不再產(chǎn)生壅水（壅水區(qū)長(zhǎng)度L=0），這與劉任軍[31]發(fā)現(xiàn)的在弗勞德數(shù)大、陡坡條件下很難產(chǎn)生壅水的結(jié)論吻合。由于劉任軍[31]沒(méi)有給出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文無(wú)法利用其壅水區(qū)長(zhǎng)度的觀測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)計(jì)算公式。

另外，本文結(jié)論可應(yīng)用于漂木堆積體的阻水效應(yīng)分析，漂木發(fā)生堆積時(shí)與透過(guò)性壩有相似的阻水作用。Hartlieb[23]和Schalko[24]等對(duì)漂木堵塞引起的壅水效應(yīng)分別進(jìn)行了量綱分析和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)漂木堆積體越緊密（透水率C越?。?，堆積體的阻水效應(yīng)越明顯，堆積體壅水區(qū)沿程水深越大，堆積體壅水區(qū)長(zhǎng)度L越長(zhǎng)，與本文圖6（壩前水深H2）和7（壅水區(qū)長(zhǎng)度L）的觀測(cè)結(jié)果一致。

2.5 壩下游水流充分發(fā)展區(qū)水深計(jì)算方法

透過(guò)性壩下游水流充分發(fā)展區(qū)為恒定均勻流，該流段水力要素可用曼寧-謝才公式[33]計(jì)算：

矩形斷面均勻流水深可根據(jù)謝才公式推求，按如下迭代公式（23）進(jìn)行迭代計(jì)算：

式中，H3為下游水流充分發(fā)展區(qū)水深，i為水槽底坡（i=5%），n為曼寧系數(shù)（n=0.013）[34]。

圖10對(duì)比了不同透水率、上游流量下，壩下游水流充分發(fā)展區(qū)水深H3的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值。水深預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合較好，各工況預(yù)測(cè)值與測(cè)量值相對(duì)誤差δ3<4%。圖10表明，水深H3受透水率的影響不大，主要與下泄流量、河道過(guò)流條件（水槽寬度B、河床糙率n等河床基本參數(shù)）有關(guān)，這與式（23）一致。

圖10 壩下游水流充分發(fā)展區(qū)水深H3預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig. 10 Comparison between predicted and measured H3 in the fully developed flow section downstream of the dam

3 結(jié) 論

1）試驗(yàn)結(jié)果表明，透過(guò)性壩上游可分為水流自由出流區(qū)和壩前壅水區(qū)。壩前水深H2與壅水區(qū)長(zhǎng)度L均和上游流量Q與壩體透水率C有關(guān)。當(dāng)透水率越小或/且上游流量越大，壩前水深越大，壅水區(qū)范圍越大。壩下游水流充分發(fā)展區(qū)的水深主要與下泄流量和河道過(guò)流條件相關(guān)。

2）提出了透過(guò)性壩上游自由出流區(qū)水深H1、壩前水深H2和壩下游水流充分發(fā)展區(qū)水深H3的預(yù)測(cè)公式。利用本文的30組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)公式可較好地預(yù)測(cè)上述3處水深且預(yù)測(cè)精度較高。

3）提出了透過(guò)性壩上游壅水區(qū)沿程水深變化及壅水區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算方法。經(jīng)檢驗(yàn)，本文方法可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)壅水區(qū)沿程水深及壅水區(qū)長(zhǎng)度，成果可為少沙陡坡河道透過(guò)性壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行提供理論支撐。