丁壩挑角對彎道水流流態(tài)影響的模型試驗研究

溫文杰

(茂名市鑒江流域水利水電建筑安裝工程有限公司,廣東 茂名 511500)

1 概述

自然界中的河流由于受到地形、地質等諸多自然條件的影響，其流向和邊界會不斷變化，最終導致彎曲型河道成為河流中的最常見形態(tài)[1]。彎道中的水流在重力和離心力的共同作用下，會在橫斷面上形成斷面環(huán)流，同時和縱向水流相互作用形成彎道所特有的螺旋流[2]。這種特殊的水流結構會造成河流彎道的凹岸部位的沖刷和凸岸部位的淤積，從而對河岸的穩(wěn)定性造成十分顯著的影響[3]。丁壩作為河道整治工程中最常見的一種建筑物，壩前水流的流速在其阻水作用影響下會迅速減小，流動方向也會遠離凹岸，從而實現(xiàn)壩后彎道水流方向與形態(tài)的重布，有效緩解凹岸沖刷和凸岸淤積的現(xiàn)象，具有良好的工程應用價值[4]。丁壩上述作用的發(fā)揮和丁壩的設計參數(shù)存在密切關系，在丁壩的設計和建設中需要根據(jù)工程現(xiàn)場的實際情況，對丁壩的數(shù)量、長度、位置以及挑角等參數(shù)進行合理設計[5]?；诖?，本文以180彎道為例，將丁壩的挑角作為研究變量，利用室內模型試驗的方式探討挑角這一參數(shù)對彎道水流流態(tài)的影響，以便為相關理論研究和工程設計提供必要的支持和借鑒。

2 模型與試驗方法

2.1 試驗模型

試驗模型以某河流彎道為工程背景設計，該彎道的上游直水槽長為16m，彎道中心線的半徑為2m，下游直水槽的長度為16m。過流斷面的尺寸為0.8m×0.8m。變坡范圍為0～1%，彎道中心角為180°。試驗模型利用有機玻璃板制作。按照SL 155—2010《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》中的相關規(guī)定，整體模型的平均誤差需要控制在10mm以內，地形高度誤差不得大于2mm，漏水量不能超過試驗過水量的1%。在模型制作過程中嚴格按照上述規(guī)定制作，并多次使用水平儀進行校平[6]。試驗中所使用的丁壩模型為15cm×2cm×40cm，材料為普通有機玻璃，丁壩模型緊貼水槽邊壁置于彎道的凹岸部位。

試驗模型的流量控制系統(tǒng)由數(shù)字式智能硬件和軟件系統(tǒng)組成。其中，硬件系統(tǒng)主要由計算機、控制箱、蓄水池、電磁流量計、水泵以及尾門自動控制箱等組成，軟件部分為JFC2017系統(tǒng)，在系統(tǒng)開機之后，可以通過手動增減變頻器運行頻率的方式控制水泵的轉速和出水量，同時通過尾門開度調節(jié)，實現(xiàn)對尾水位的精準控制。

2.2 試驗方法

為了獲取丁壩挑角對彎道水流的影響，在模型試驗過程中設置14個測量斷面，其均勻分布于彎道的前130°，相鄰2個測量斷面之間的夾角為10°，斷面從上游至下游編號，分別為D1—D14。在試驗水槽的相關部位設置有自動水位測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由無線超聲波自動水位測量計、自動水位測量系統(tǒng)和控制箱采集程序組成[7]。

2.3 試驗方案

此次研究的主要目的是探討丁壩挑角對彎道水流流態(tài)的影響，結合相關工程經驗和研究目的，設置45°、60°、75°、90°、105°、120°和135°等7種不同的挑角進行試驗[8]，見表1。

表1 計算方案參數(shù)設計

3 計算結果與分析

3.1 沿程水位

根據(jù)試驗中獲得的水位數(shù)據(jù)，計算獲取關鍵斷面的水位值和所出現(xiàn)的斷面位置，見表2。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，繪制出水位值隨丁壩挑角的變化曲線，結果如圖1所示。由表2和圖1可以看出，不同試驗方案條件下彎道水位的沿程分布規(guī)律基本相似，特別是水位的最高點和最低點出現(xiàn)的部位基本一致。但是，對于不同的丁壩挑角設計方案，其水

表2 不同方案水位極值及所在斷面計算結果

圖1 水位極值變化曲線

位的變幅方面仍存在一定的不同。首先，隨著丁壩挑角的增大，彎道的最低水位呈現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢，水位的最低點出現(xiàn)在丁壩挑角90°方案；其次，彎道的最高水位與最低水位的變化規(guī)律類似，也隨著丁壩挑角的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點。由此可見，丁壩挑角為90°時彎道水流的最高與最低水位差最大；丁壩挑角為135°時彎道水流的最高與最低水位差最小。在凹岸，隨著丁壩挑角的不斷增大，彎道水流的最低水位呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，但是變化幅度相對較??；最高水位的變化則呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢，丁壩挑角為45°時的水位變化相對最大，而135°挑角丁壩的水位沿程變化相對較小。

3.2 沿程水面橫比降

水面橫比降在彎道水力特征研究中具有重要意義，如果該值過大，就會造成彎道段河床的巨大破壞，對船只的通行也會造成比較嚴重的負面影響。研究中根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，計算獲取各個監(jiān)測斷面的橫比降最大值和最小值，結果見表3。根據(jù)表3中的結果，繪制出最大橫比降隨丁壩挑角的變化曲線，結果如圖2所示。由表3和圖2可知，不同挑角的丁壩對斷面的水面橫比降的影響存在一定的差別，但是在整體變化趨勢上又有一定的相似性和共性特征。其中，水面橫比降的最大值均位于D3斷面部位，隨著丁壩挑角的增大，水面橫比降呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢，且減小的幅度也不斷增大。

表3 不同方案沿水面橫比降極值及所在斷面計算結果

圖2 最大橫比降變化曲線

3.3 沿程水面縱比降

沿程縱比降也是彎道水流流態(tài)研究的重要參數(shù)，縱向水流流速會隨著縱比降的增大而減小。研究中根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算獲取水面縱比降，結果見表4。根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)繪制出沿程縱比降隨丁壩挑角的變化曲線，結果如圖3所示。由表4和圖3可以看出，不同丁壩挑角試驗方案的最大縱比降和最小縱比降出現(xiàn)的部位基本一致，但是計算結果存在一定的差異。具體來看，隨著丁壩挑角的增大，凸岸的最小縱比降呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，而最大縱比降呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，變化幅度明顯偏大；凹岸的最小縱比降呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征，最大縱比降則呈現(xiàn)出先小幅減小后趨于穩(wěn)定的變化特點。

表4 不同方案水面縱比降極值及所在斷面計算結果

圖3 縱比降變化曲線

4 結語

此次研究通過模擬計算的方法，探討了不同丁壩挑角對彎道水流流態(tài)的影響，并獲得相應的變化規(guī)律，認為挑角為135°時的整體流態(tài)較好，推薦在工程設計中使用。研究成果不僅對相關的理論研究起到重要支撐和完善作用，對丁壩的工程設計和應用也具有重要的借鑒意義。當然，受到諸多因素的影響和制約，此次研究在方法和內容方面仍存在諸多欠缺和不足，需要在多方面進行進一步的改進和補充。此次研究對水流的邊界設置均為理想條件，而天然河道的水流特征更為復雜，影響因素更多，因此有機會可以在天然河道上進行現(xiàn)場試驗，以便對理論計算結果進行對比和論證，提高研究結果的科學性和價值。