不同形狀丁壩河床特性試驗研究

章瑜

（塔里木河流域干流管理局，新疆庫爾勒 841000）

0 引言

塔里木河河道泥沙大量淤積，河床不斷抬高，不僅影響水流形態(tài)、河床地形和基質(zhì)組成方面的多樣性，也破壞水生生物棲息地和生態(tài)健康[1,2]。丁壩是廣泛使用的河道整治和維護建筑物，其主要功能為保護河岸不受來流直接沖蝕而產(chǎn)生掏刷破壞，同時在改善航道、維護河相及保護水生態(tài)多樣化方面發(fā)揮著作用[3-4]。

在丁壩的設(shè)計過程中，有很多參數(shù)如長度、高度、方向和滲透性需要考慮。且不管幾何形狀和布局的細節(jié)如何，不可透水丁壩都是相對活躍的結(jié)構(gòu)，而透水丁壩（或稱樁堤）在控制水流方面屬于相對被動的結(jié)構(gòu)。不透水丁壩對局部水流結(jié)構(gòu)有顯著影響，流速在其方向和大小上都發(fā)生了改變，導(dǎo)致出現(xiàn)明顯的坡腳沖刷和相應(yīng)的尾流沉積。透水丁壩也會通過降低流速來影響水流方向，影響比不透水丁壩要小得多。一般而言，局部沖刷發(fā)生在透水丁壩的壩趾和壩身，水流分離發(fā)生在不透水丁壩或透水丁壩的壩頭周圍，并導(dǎo)致兩種丁壩趾部發(fā)生類似的河床變形。此外，不透水和透水丁壩都存在相對的尾流區(qū)，在兩種丁壩的下游都觀察到泥沙沉積。下文通過將不透水和透水丁壩以不同的方式組合，采用實驗室試驗方法研究新型丁壩在混合沉積層中產(chǎn)生的水力特性和形態(tài)后果。

1 試驗設(shè)計

試驗在新疆塔里木大學實驗室的直傾水槽中進行，水槽內(nèi)有循環(huán)供水系統(tǒng)。水槽長8.0 m，寬0.4 m，深0.4 m，上游附有1.5 m 長的進水槽。在進水箱和水槽連接處附近安裝一個柔軟且可滲透的襯墊，以抑制水流集中，并可最大限度地減少波浪形表面。沉淀槽位于進水槽下游4.0 m 處，長1.7 m，覆蓋有0.2 m 厚的硅砂，形成活動河床。沉淀槽上下游部分用0.2 m 厚的木板固定。水槽末端設(shè)置一個0.5 m 長的沉沙池，后接尾門。

圖1 試驗采用的丁壩（單位：cm）

丁壩安裝在活動河床區(qū)水槽的右側(cè)，丁壩垂直于水槽側(cè)，在整個試驗過程中保持非淹沒狀態(tài)。試驗中采用了5 種類型的丁壩，如圖1 所示。類型1 為透水丁壩，類型5 為不透水丁壩，類型2～4為透水丁壩和不透水丁壩的混合結(jié)構(gòu)。

表1 泥沙特性

試驗使用3種河床泥沙，平均直徑約為1.00 mm，但分布曲線變化很大。表1 列出了與初始河床泥沙顆粒相關(guān)的重要參數(shù)，不同沉積層的試驗分別稱為案例U（均勻情況）、案例G（間隙級配情況）和案例W（良好級配情況）。

2 試驗過程

共進行15 項試驗，所有試驗均處于清水沖刷狀態(tài)。根據(jù)沉積層類型和丁壩類型對試驗進行標記，例如，案例U1指在均勻沉積層上進行透水丁壩試驗。在每次試驗之前，用刮片將沉積層表面整平，再用裝有閥門的塑料軟管從下游向水槽緩慢注水以調(diào)整排放量。當通過調(diào)整水槽末端尾門高度達到所需水深時，啟動水泵并將其設(shè)為所需排放量。

每次試驗完成后，水會慢慢排出，以免干擾河床結(jié)構(gòu)。用高分辨率激光位移計（型號LK-500）測量床面高度。泥沙不均勻時，通過使用特殊取樣勺在丁壩附近取樣，測量表層河床物質(zhì)成分變化，取樣深度約為2.86 mm。完全干燥后，使用嵌套式篩柱及高分辨率天平（UW220 H）對泥沙樣品進行分析。由于不同沉積層中丁壩周圍的局部沖刷和沉積模式很相似，因此僅在案例W 的試驗中測量流場。在水槽中施加相同水量，并在水槽中分布PVC 示蹤劑和記錄視頻用于PIV[5]（粒子圖像速度）分析表面速度，橫向和縱向截面的速度場用EMV（電磁測速儀）記錄，EMV 上的L 型探頭可以測量水平和垂直方向的速度分量。

3 結(jié)果與討論分析

3.1 丁壩周圍的河床高程變化

圖2 為各丁壩附近河床水位從初始平床到最終階段的變化?？梢钥闯?，盡管丁壩類型和泥沙不均勻性存在差異，但每個構(gòu)筑物周圍的河床結(jié)構(gòu)通常遵循丁壩周圍的典型沖刷沉積形態(tài)。但最大沖刷深度、局部沖刷坑體積和尾流區(qū)沉積等形態(tài)細節(jié)有所差異。為了進行更定量的分析，提取了這些代表河床特征的控制參數(shù)，在表2～4 中列出。表2 顯示了每種情況下的最大沖刷深度。

圖2 從初始平床到床面高度的變化

表2 最大沖刷深度cm

在同一沉積層上，從類型1 到類型5 最大沖刷深度逐漸增加，不透水丁壩出現(xiàn)最嚴重的局部沖刷，透水丁壩沖刷深度最小。不透水丁壩壩趾周圍的強半馬蹄渦系統(tǒng)使沖刷坑擴大，由于部分水流會通過透水丁壩和每個樁間距周圍的壓縮馬蹄渦系統(tǒng)，因此，坡腳處的半馬蹄渦變得相對較弱，從而影響局部沖刷坑形成?？梢姡旌隙沃車木植繘_刷強烈依賴于半馬蹄渦和壓縮馬蹄渦的強度。

對于特定類型的丁壩，均勻河床上的局部沖刷深度遠大于非均勻河床，這是由于局部泥沙分選和沖刷坑表面形成護面層。而級配良好的河床上沖刷坑并不總是大于或小于間隙級配河床上的沖刷坑，沖刷深度在很大程度上取決于丁壩類型。類型1 和類型2 中σg或D90越大，沖刷坑越深，類型4 或類型5 則相反。非均勻河床的沖刷坑深度與類型3 丁壩周圍很相似，與σg或D90沒有系統(tǒng)相關(guān)性。

半馬蹄渦在上游呈錐形，下游呈拉長狀，坡度相對較緩，會導(dǎo)致局部沖刷。另一方面，樁群周圍的壓縮馬蹄渦會導(dǎo)致上游陡坡和下游緩坡的河谷形成沖刷坑?；旌隙尉植繘_刷坑幾何形狀顯示出的混合型特征，如圖2。產(chǎn)生的沖刷坑幾何形狀與組合方法密切相關(guān)。因此，通過選擇混合丁壩的組合方法，可以在一定程度上控制沖刷坑的幾何形狀。

對于特定類型的丁壩，均勻沉積層的沖刷體積比非均勻沉積層的沖刷體積大得多，如表3。此外，更深的沖刷并不一定對應(yīng)更大的沖刷量，沖刷體積通常從類型1 增加到類型5，類型2（帶狀結(jié)構(gòu)）除外。將案例G 系列與案例W 系列進行比較，發(fā)現(xiàn)丁壩周圍的泥沙體積更大，顆粒尺寸范圍更廣。換句話說，與級配良好的泥沙河床相比，間隙級配泥沙河床更難被侵蝕。

表3 沖刷坑體積cm3

沖刷坑附近的尾流沉積對丁壩性能檢驗也很重要。表4 列出了不同類型丁壩后的最大沉積深度，發(fā)現(xiàn)無論沉積層類型如何，不透水丁壩后的沉積高度都大于透水丁壩。由于混合丁壩局部流動結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，與最大沖刷深度相比最大沉積深度的分布模式變得有些隨機。但在所有結(jié)構(gòu)中，類型2 結(jié)構(gòu)后的沉積深度始終排在前列。

表4 最大沉積深度cm

3.2 丁壩周圍的粒度變化

不同于天然沖積河流中的下游河谷泥沙細化，丁壩周圍河床表面粒度分布較為復(fù)雜。一般來說，河床表面已完全粗化，在丁壩下游會出現(xiàn)一層相對較細的沉積帶覆蓋在相對較粗的沉積結(jié)構(gòu)上，稱之為砂帶，且砂帶位置肉眼可見。在砂帶內(nèi)采集額外的泥沙樣本進行分析，每個非均勻情況下的無量綱粒度分布見圖3，即案例G 和案例W 系列。圖3 中散射表示基于常規(guī)采樣點的沖刷床與初始平板的平均粒度比，帶狀區(qū)域顯示根據(jù)特殊采樣點的砂帶區(qū)域內(nèi)沖刷床與初始平板的平均粒度比。

將丁壩附近定性分為引流區(qū)、局部沖刷區(qū)、主流區(qū)和丁壩后的尾流區(qū)，常規(guī)取樣點的平均粒度表明接近引流區(qū)略微粗化。但也會觀察到比初始河床更細的泥沙樣品，尤其是W 系列，其σg或D90相對較大。由于該區(qū)域的河床剪應(yīng)力大于沉積混合物組成的臨界剪應(yīng)力，導(dǎo)致河床粗化。對于σg或D90相對較大的泥沙河床，細泥沙會被困在粗顆粒的空隙中，而不直接暴露在水流中。因此，在某些特定位置，細泥沙比例可能會增加。在局部沖刷坑中，泥沙明顯粗化，尤其是在結(jié)構(gòu)趾部附近，但在G5 和W2 沖刷面上部可檢測到細泥沙，這些細泥沙是被沖刷坑中的漩渦系統(tǒng)抬升，并滯留在沖刷坑內(nèi)相對較高的位置。在靠近水槽左側(cè)的主流區(qū)，由于水流加速，河床經(jīng)歷顯著粗化。遠離水槽左側(cè)，主流區(qū)與尾流區(qū)交換，顆粒尺寸差異很大。一般來說，粗細泥沙顆粒在橫向上的交替分布很明顯。

3.3 丁壩周圍的速度場

河床變形特征與丁壩附近的流場密切相關(guān)。文章對典型橫縱截面下W 系列的表面水流結(jié)構(gòu)和速度剖面進行分析，并探討其對泥沙輸移的影響。

PIV 測量得出的沖刷面上的流線如圖4 所示。盡管受影響的區(qū)域因情況而異，但每種結(jié)構(gòu)附近都可以明顯觀察到速度降低和偏轉(zhuǎn)。透水丁壩水流略微偏轉(zhuǎn)到主流的堤壩附近，水面上沒有大尺度漩渦系統(tǒng)。然而，水流被不透水丁壩阻擋，流型發(fā)生顯著變化。在堤壩上游側(cè)觀察到循環(huán)流，在尾流區(qū)觀察到輻射流，兩者都是丁壩附近大型三維漩渦的重要組成部分。此外，低速區(qū)的面積在類型5 中最大，在類型1 中最小，類型3 和類型4 的流線是類型1 和類型5 流線的混合類型。根據(jù)樁的位置，輻射流在一定程度上會失去特性。值得注意的是，類型2的流線更接近類型5，在這種情況下，循環(huán)流和輻射流都是可見的。然而，與類型5結(jié)構(gòu)相比，類型2的循環(huán)流不太發(fā)達，輻射中心更靠近丁壩，這是因為除結(jié)構(gòu)本身外，局部沖刷坑的幾何形狀在流線形成中也有重要作用。

圖3 泥沙粒度分布和砂帶

研究設(shè)置3 個截面：截面A 位于丁壩上游，截面B 位于丁壩下游，截面C 距離丁壩稍遠。發(fā)現(xiàn)丁壩壩趾處的水流分離（即強橫向速度分量）在每種情況下都很明顯；丁壩截面B 后水流結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在大多數(shù)情況下可以觀察到水流循環(huán)；截面C 中的水流結(jié)構(gòu)解釋了砂帶的形成，橫向速度分量的方向變化通常在河床脊附近觀察到。

圖4 水面上的流線

4 結(jié)語

綜上所述，通過對混合泥沙中不同類型丁壩河床變化特征和相應(yīng)的水流結(jié)構(gòu)進行試驗研究，將不透水丁壩和透水丁壩以各種方式組合，并對其水文形態(tài)進行了研究，丁壩類型對局部沖刷和尾流沉積特性及泥沙平均粒徑的變化有影響。在泥沙混合物的情況下，在丁壩下游觀察到砂帶，主要由橫向泥沙分選過程引起的?；旌隙沃車乃鹘Y(jié)構(gòu)和河床特性是透水丁壩和不透水丁壩的組合。帶狀結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致大量局部沖刷，但沖刷深度相對較小，在促進尾流沉積方面表現(xiàn)良好。

大面積的沖刷孔為水生物種提供了理想的水池棲息地，對改善河流生態(tài)具有潛在的意義。沖刷深度的小幅度對結(jié)構(gòu)本身的安全意義重大。尾流區(qū)沉積是保護河道堤岸免受侵蝕的一種很有前景的方法，也是創(chuàng)造新土地的有效途徑。基于這些事實，對涉及環(huán)境、生態(tài)、安全、經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)和土地利用等各種問題的河流管理而言，帶狀結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可提供有前景的解決方案。此外，今后還需探索用于帶狀結(jié)構(gòu)和其他類型丁壩性能的可靠預(yù)測及評估工具。