復(fù)式河道漫灘不同滲透性單丁壩水流特性試驗研究

李玉仲，王科新

(1.濟南市平陰縣水務(wù)局，山東 濟南 250400；2.濟南市平陰黃河河務(wù)局，山東 濟南 250400)

丁壩是具有防止河岸侵蝕和通過改變水流方向維持水位功能的水工建筑物。丁壩的修建，用以控制水流，確保航行安全，改善航道線形，并阻止沿岸漂移或減緩海岸侵蝕。最近，防波丁壩再次引起人們的注意，因為防波丁壩的修建對自然河岸形狀和河流生態(tài)系統(tǒng)起著非常有益的作用[1]。防波丁壩可以根據(jù)其功能、對象、形式和材料進行分類。按其形狀可分為T型丁壩、L型丁壩、透水丁壩和不透水丁壩。不透水丁壩通常使用當(dāng)?shù)貛r石、礫石或石籠建造，其中透水丁壩由成排的樁、竹子或木材組成[2]。此外，根據(jù)水流條件將丁壩分為溢流丁壩和非溢流丁壩。丁壩附近和主河道的水流特征和流型因丁壩類型而異。因此，有必要對其進行分析，以便在現(xiàn)場選擇合適的丁壩類型。通過透水丁壩的水流部分穿透結(jié)構(gòu)物，從而降低下游流速。透水丁壩的水流阻力小于不透水丁壩。盡管如此，透水丁壩具有極好的穩(wěn)定性和相對容易維護的優(yōu)點[3]。河漫灘丁壩在高洪水衰減和防護工作中發(fā)揮著重要作用；尤其是在有大片漫灘的河流中[4]。不透水丁壩、橫向堤壩和橋梁路堤被視為流向上的收縮。漫灘上丁壩周圍的水流結(jié)構(gòu)可能不同于單一主河道中的水流結(jié)構(gòu)[5-6]。本研究將對復(fù)合明渠中不同設(shè)計參數(shù)下丁壩周圍的水流結(jié)構(gòu)進行三維實驗研究，研究它們對丁壩區(qū)流動結(jié)構(gòu)的影響。本文使用PIV對主河道和漫灘丁壩場之間溶解示蹤劑的質(zhì)量交換進行了實驗研究，研究了理想化的丁壩，其長寬比和相對于水流方向的傾角可變；測量了在漫灘上設(shè)置不同長度丁壩的復(fù)合明渠中的流速；通過綜合水平面和垂直面上的速度分量，闡明了二次流結(jié)構(gòu)。

1 材料和試驗方法

1.1 材料

試驗在實驗室的水循環(huán)水槽中進行的。水槽深度和寬度均為0.30m，長度為13.5m，其中包括10.00m長的透明試驗段，如圖1(a)所示。在水槽的下游，安裝了一個尾門，尾門由一塊鉸接在底部的黃銅板組成，頂部高度可通過螺釘調(diào)節(jié)，尾門提供了控制尾水高程的方法。水槽的縱坡調(diào)整為0.0025，矩形水槽段被轉(zhuǎn)換為有機玻璃-丙烯酸不對稱復(fù)合渠道段，主渠道寬度為0.15m，一側(cè)漫灘寬度為“bf=0.15m”，其中漫灘相對寬度bf/B=0.5。主河道和漫灘的糙率系數(shù)均保持恒定且相等，穩(wěn)定排流量Q調(diào)節(jié)為0.0175m3/s，并通過標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計測量。

1.2 試驗方法

試驗在河道漫灘的水流水深h=0.08m(漫灘相對水深h/H=0.34)下進行，其中弗勞德數(shù)等于0.34。雷諾數(shù)始終足夠高，以保證完全湍流。在距離漫灘河床0.25h深度處的水平面“HP”上的14個點處分別測量了縱向、橫向和垂直流速分量u、v和w。此外，在主河道中心線垂直面“VP”的六個點處，距離主河道河床“0.3、5.5、10.5、15.5、16.7和18cm”。如圖1(b)所示，用黑色圓圈標(biāo)記的點。在丁壩上游和下游的幾個位置，分別測量了水平面和垂直面上的流速分量HP和VP，速度由聲學(xué)多普勒測量，采樣頻率為20Hz。在每個點上，通過平均速度分別獲得流向和橫向的平均速度U和V。在丁壩上游和下游的多個位置，使用安裝在可移動滑架上的精度為0.1mm的點規(guī)測量水面高程。實驗使用具有不同丁壩滲透率值(0%、40%、60%和80%)的模型進行。透水丁壩由橫截面直徑為0.5cm的玻璃樁制成，如圖2所示。

圖1 (a)渠道布局，(b)橫截面圖(A-A)，帶有丁壩的水平和垂直剖面的速度測量點圖

圖2 3種不同滲透率值且Lr=1.0的丁壩模型

對于丁壩滲透性的每種情況，使用3種丁壩模型，相對長度為Lr(Lr=丁壩長度“Lg/漫灘寬度“bf”)0.5、0.75和1.0。所有丁壩均保持垂直于主河道中心線和縱向水流方向。

2 結(jié)果和討論

本節(jié)介紹了為闡明漫灘單丁壩對復(fù)合河道水流結(jié)構(gòu)、流速和水深的影響而進行的試驗計劃的結(jié)果和分析。在水平HP和垂直VP平面的速度剖面圖中提到的符號如下：G01表示水平速度剖面位于穿過丁壩模型中心線的截面，U25表示水平速度剖面位于丁壩上游0.25m處，D21表示水平速度剖面位于丁壩下游0.21m處。中心線(G01)被視為零點(X=0.0)，下游G01的距離為正，上游G01的距離為負。

2.1 水平面內(nèi)的速度剖面和流型變化(HP)

對于圖3(a)所示的不透水丁壩，丁壩尖端的水流轉(zhuǎn)向主河道，并強烈影響其水流。丁壩下游形成了一個較大的回流渦，這些渦的大小隨著丁壩相對長度的增加而增大。因此，丁壩引起的收縮提高了主河道的流速，在丁壩頂部，由于主河道和漫灘之間的流速差，產(chǎn)生了較大的剪切層。

在透水丁壩的情況下：圖3(b)和圖4(a)和(b)，隨著滲透性的增加，丁壩上游的縱向速度受到相對長度的輕微影響，速度降低的位置向下游移動，并更靠近丁壩。滲透率為40%、60%和80%時，該速度降低的相對距離分別約為-2.67、-1.33和-0.33。在丁壩下游，漩渦和漩渦消失，漫灘區(qū)域的縱向速度降低，而主河道的縱向速度增加。對于具有相同滲透性的情況，隨著相對長度的增加，漫灘區(qū)的流速降低在丁壩下游和主河道的兩個方向上延伸。從具有不同丁壩滲透率的情況的等高線圖中可以明顯看出，隨著滲透率的增加，漫灘流速降低。隨著相對長度的減小和滲透率的增加，主河道的流速增加面積減小。

為了計算速度增加和減少的百分比，在水平面上估算/計算每個橫截面速度剖面的最大值和最小值(Umax和Umin)，并將進近速度Uo計算為橫截面U100處的平均速度。對于不透水的情況，丁壩對水流結(jié)構(gòu)的巨大影響是在-2到14的相對長度范圍內(nèi)，而超過這些值的丁壩裝置對水流的影響較小。隨著丁壩相對長度的增加，最大相對流速值增加，但對于相對最小流速值，丁壩相對長度的影響不大。隨著Lr分別為1.0、0.75和0.5，最大相對速度(Umax/Uo)分別為1.85、1.7和1.5。在相同的水力條件下，Lr分別為1.0、0.75和0.5時，(Umax/Uo)取2.75、2.4和1.8。最大流速值的這些變化可能是由于漫灘布置的差異，漫灘兩側(cè)對稱，寬度為主河道寬度的兩倍。此外，在所有情況下，相對最小流速(Umin/Uo)的變化率相同，最小值為-0.5。對于不透水丁壩，逆流發(fā)生在河岸附近的左漫灘上，但隨著相對距離(X/bf)的增加，逆流消失。結(jié)果表明，對于滲透率為40%、60%和80%的透水性丁壩，隨著滲透率的增加，最大相對速度值(Umax/Uo)減小，丁壩相對長度的影響小于不透水丁壩。而最小相對速度的值隨著丁壩滲透性的增加而增加，與丁壩相對長度無關(guān)。

圖3 相對長度分別為“Lr=1.0、0.75和0.5”的HP處水流縱向速度u的單漫灘丁壩等高線圖

(a)滲透率為60%且Lr分別為1.0、0.75和0.5的丁壩，(b)滲透率為80%且Lr分別為1.0和0.5的丁壩。圖4 HP下水流縱向速度u的單漫灘丁壩等高線圖

圖5(a)顯示了最終最大相對速度值和丁壩滲透率與丁壩3個相對長度值之間的關(guān)系?？梢越ㄗh(表1)所示的經(jīng)驗公式來描述最終最大和最小相對速度與8號丁壩滲透率(P)和相對長度(Lr)之間的關(guān)系。圖5(b)顯示了漫灘河岸附近的HP最小相對速度值隨丁壩滲透性的變化，很明顯，丁壩相對長度對最小相對速度沒有明顯影響。滲透率為0、40%、60%和80%時，相對最小速度的平均值分別為-0.5、0.4、0.6和0.8?？紤]到滲透性對漫灘區(qū)流態(tài)的影響，可將其分為兩個區(qū)域，第一個區(qū)域為020%。在第一種情況下，在漫灘丁壩下游形成小渦旋，而在第二種情況下，渦旋消失。

圖5 滲透率與(a)相對最大速度的極限值(b)Lr=1.0、0.75和0.5時相對最小速度的最小值的關(guān)系

表1 最大和最小相對速度經(jīng)驗公式

2.2 壩區(qū)周圍的水面剖面

由于漫灘丁壩的安裝，丁壩投影區(qū)堵塞(限制)的水流區(qū)域會導(dǎo)致丁壩區(qū)域內(nèi)的水面振蕩，并在丁壩上游出現(xiàn)向上的情況。圖6(a和b)顯示了兩個縱斷面的水深變化(變化%=(有丁壩的深度-沒有丁壩的深度)/沒有丁壩的深度)*100)，第一個位于漫灘中心線(FP)，另一個位于主航道中心線(MC)。使用滲透率P=0.0、0.60、相對長度為1.0、0.75和0.5的丁壩。

圖6 相對長度Lr=1.0、0.75和0.5的丁壩漫灘和主河道中心線的水深變化(a)不透水丁壩(b)透水丁壩(P=60%)

如圖6(a和b)所示，在透水丁壩的情況下，在丁壩上游和下游的漫灘中心線處，漫灘丁壩對水流深度的影響大于主河道中心線處，而漫灘不透水丁壩對漫灘和主河道流面都有影響。對于Lr=1.0的不透水丁壩，由于丁壩的體積面積阻礙了漫灘水流，因此對水流水面有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著丁壩相對長度的增加，漫灘水深的變化增加，向上的最大值出現(xiàn)在丁壩的上游和下游。

圖7(a和b)顯示了兩個橫向斷面的水深變化，對于不透水丁壩和透水丁壩(P=60%)，第一個斷面在丁壩上游2cm(U02)，第二個斷面在丁壩下游2cm(D02)，兩個斷面都有3個相對長度值(Lr=1.0、0.75和0.5)。漫灘位于15到30之間(水槽左側(cè))。在漫灘上，對于透水丁壩和不透水丁壩，丁壩上游水深的變化隨著丁壩相對長度的增加而增加，并向丁壩內(nèi)邊緣移動。在丁壩下游，水流水面降低，并隨著丁壩相對長度的增加而略微減小。在不透水丁壩的情況下，丁壩相對長度Lr分別等于1.0、0.75和0.5時，上游水深的最大上升量可估計為8%、4.5%和3.5%。隨著滲透性的增加，水深受到的影響較小，因此對于P=60%的滲透丁壩，Lr1.0、0.75和0.5的漫灘水深變化僅為2.5%、2%和1.5%。對于滲透性和長度比的所有值，丁壩下游水深的變化平均值為-4.5%。

圖7 Lr=1.0、0.75和0.5時水槽橫截面的水深變化(a)不透水漫灘丁壩，(b)透水丁壩(P=60%)

3 結(jié)論與建議

本研究旨在確定丁壩類型、長度和滲透性等丁壩因素和參數(shù)對安裝在復(fù)合河道漫灘上的單個丁壩流場的影響程度。實驗顯示了關(guān)于河道水流特性的詳細研究。主要結(jié)論如下：

對于不同滲透性和長度的單一漫灘丁壩，其對流態(tài)的影響主要發(fā)生在丁壩上游2倍丁壩長度到下游14倍丁壩長度的區(qū)域；對于漫灘透水丁壩，與不透水丁壩相比，丁壩相對長度對流量的影響較小，影響較大的是滲透率。丁壩最大速度和尖端速度與滲透率成反比。最后，經(jīng)過丁壩類型的水流特性研究，建議將透水漫灘丁壩用于防洪和防沖目的，這種丁壩可以有效降低丁壩下游的流速，進而避免丁壩周圍的沖刷問題。