丁壩沖刷模式與水流形態(tài)分析研究

韓夢(mèng)君

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

在河岸上修建丁壩可以減少河岸侵蝕，防止河流橫向遷移，改善河道通航條件，將水流引向河流進(jìn)水口，恢復(fù)或改善河流中的水生生物[1- 3]。與此同時(shí)，在河岸上修建丁壩會(huì)導(dǎo)致局部流速和河床剪應(yīng)力增加，以及結(jié)構(gòu)周圍出現(xiàn)馬蹄渦[4- 5]，導(dǎo)致丁壩頂端形成沖刷坑，沖刷坑的發(fā)育會(huì)導(dǎo)致丁壩的破壞[6]。

目前，已有大量學(xué)者對(duì)沿直河和曲流河的丁壩進(jìn)行了大量研究。孫志林等[7]研究了矩形丁壩周圍的河床地形特征和最大沖刷深度。施如學(xué)[8]采用三維數(shù)值模型模擬矩形丁壩周圍的水流，計(jì)算了矩形丁壩附近的流態(tài)和剪應(yīng)力。寧健等[9]采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了不透水丁壩和透水丁壩的局部流態(tài)和河床變形特征。王丹[10]通過測(cè)量具有固定沖刷床的模型丁壩附近的三維流速，研究了沉積物平均粒度和粒度分布對(duì)不透水矩形丁壩周圍河床地形的影響。以上研究對(duì)象均為矩形丁壩，缺乏對(duì)三角形丁壩的研究，三角形丁壩可有效控制沖刷坑的形成。這是因?yàn)槿切味慰山档蜋M截面積減小和水位升高的風(fēng)險(xiǎn)，有助于防止河流拐彎處水位突然上升等變化。

本文主要目的是研究三角形丁壩周圍的沖刷和沉積模式，并與矩形丁壩進(jìn)行比較。同時(shí)測(cè)量了三角形丁壩和矩形丁壩周圍的三維速度分量，并對(duì)各自的水流形態(tài)進(jìn)行檢查和比較，從而更加深入地了解三角形丁壩設(shè)計(jì)參數(shù)等相關(guān)問題。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在矩形直水槽中進(jìn)行，以研究三角形丁壩和矩形丁壩周圍的沖刷和沉積模式。水槽側(cè)壁為有機(jī)玻璃，厚度為0.01m，水槽寬度為0.56m，長(zhǎng)度為7.3m。水槽端部安裝有滑動(dòng)閘門以調(diào)整水流深度。水槽出口進(jìn)入一個(gè)混凝土水池，水池末端安裝了一個(gè)53°三角形堰，用于測(cè)量流速。該水槽的平面圖如圖1(a)所示。

圖1 試驗(yàn)裝置

為了確定三角形丁壩和矩形丁壩周圍的沖刷和沉積模式，本文將這些結(jié)構(gòu)分4組安裝在水槽壁上，垂直于水槽壁(垂直于水流)。試驗(yàn)中所有丁壩采用非淹沒矩形丁壩，其有效長(zhǎng)度為水槽寬度的20%(Le=0.112m)，丁壩間距為有效長(zhǎng)度的3倍(Sl=0.336m)。三角形丁壩在水槽壁和水槽床之間傾斜，水槽壁上的頂部與水面處于同一水平面。在弗勞德數(shù)(Fr)分別為0.176、0.196、0.216和0.235(恒定深度為0.15m)時(shí)，分別施加0.018、0.020、0.022和0.024m3/s的流量。試驗(yàn)在清水中進(jìn)行，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間恒定為150min，以便比較三角形丁壩和矩形丁壩周圍河床地形變化。在每次試驗(yàn)結(jié)束排空床層后，使用激光測(cè)距儀(精度為0.001m)測(cè)量床層地形。

為了研究單個(gè)三角形丁壩周圍的流動(dòng)模式，并將其與單個(gè)矩形丁壩周圍的流動(dòng)模式進(jìn)行比較，本文使用了一個(gè)長(zhǎng)10m、寬0.8m的矩形直水槽。在這些試驗(yàn)中，單個(gè)三角形丁壩和矩形丁壩的有效長(zhǎng)度為水槽寬度的20%(Le=0.16m)，丁壩與水槽壁呈90°角(圖1(b)和1(c))。所有試驗(yàn)均采用電磁測(cè)速儀測(cè)量三維速度分量。為了消除水流中移動(dòng)的沉積顆粒造成的干擾，2種試驗(yàn)使用的水槽床均無沉積物(即剛性水槽床)。在恒定水深為0.15m、流量為0.025m3/s和Fr為0.171的條件下，適當(dāng)測(cè)量三維速度分量。

在單個(gè)矩形丁壩上進(jìn)行的試驗(yàn)中，在以下橫截面處測(cè)量了三維速度分量：0.20、0.50、0.60、0.65、0.70、0.72、0.75、0.78、0.81、0.85、0.90、1、1.10、1.30、1.70、1.90和2.50m。單個(gè)矩形丁壩安裝在橫截面0.72m處。在每個(gè)截面上，在距離壁面水槽的以下距離選取至少15條垂直線：0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70和0.75m。每條垂線上的三維速度分量分別在水槽床上方0.03、0.07、0.11和0.14m處測(cè)量。總的來說，每個(gè)橫截面至少獲取了60個(gè)速度讀數(shù)。鑒于每個(gè)橫截面的連續(xù)讀數(shù)點(diǎn)之間的水平距離為0.05m，而距離結(jié)構(gòu)較近的橫截面則選取0.025m的間距。因此，在靠近丁壩的橫截面上進(jìn)行了60多次讀數(shù)。在單個(gè)三角形丁壩的試驗(yàn)中，分別在0、0.20、0.40、0.50、0.60、0.65、0.70、0.75、0.78、0.85、0.90、1、1.10、1.30、1.50、1.70、1.90、2.20和2.50m的橫截面處測(cè)量三維速度分量。單個(gè)三角形丁壩安裝在橫截面0.72m處。與單個(gè)矩形壩的試驗(yàn)類似，在每個(gè)截面上至少考慮15條垂直線(間距=0.05m)測(cè)量三維速度分量。同樣，對(duì)于位于靠近結(jié)構(gòu)的橫截面處的垂直線，選擇0.025m的間距。此外，在每個(gè)橫截面上，在水槽床上方0.03、0.07、0.11和0.14m的4個(gè)點(diǎn)處測(cè)量每條垂直線上的三維速度分量。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖刷和沉積

2.1.1三角形和矩形丁壩周圍的沖刷和沉積模式

在Fr=0.235時(shí)所研究矩形丁壩和三角形丁壩周圍的沖刷和沉積模式，如圖2所示。

圖2 在Fr=0.235處獲得的矩形丁壩和三角形丁壩周圍的沖刷和沉積模式(高程單位：cm)

不同弗勞德數(shù)下矩形丁壩周圍的沖刷和沉積模式研究結(jié)果表明，無論Fr值如何，在第一個(gè)丁壩周圍都形成了沖刷坑，且該坑的最大深度出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂端。隨著Fr的增大，該沖刷坑在第一個(gè)丁壩上游和下游部分的沖刷坑縱向和橫向擴(kuò)大。第一個(gè)丁壩上游和下游沖刷坑的橫向延伸持續(xù)到水槽壁。增大Fr會(huì)增加沖刷坑深度。最大沖刷深度出現(xiàn)在Fr=0.235處。在第二、第三和第四個(gè)丁壩周圍，F(xiàn)r=0.176處未觀察到?jīng)_刷坑。在Fr=0.196時(shí)，第三個(gè)丁壩頂端出現(xiàn)了一個(gè)小沖刷坑。該沖刷坑在Fr=0.216處擴(kuò)大，在第三個(gè)丁壩的上游延伸直至水槽壁，尺寸和深度在Fr=0.235時(shí)增加。另一個(gè)小沖刷坑出現(xiàn)在第四個(gè)丁壩頂端。在所有弗勞德數(shù)下，第一個(gè)丁壩周圍形成的沖刷坑大于其他丁壩。第一個(gè)矩形丁壩周圍形成的沖刷坑產(chǎn)生的沉積物沉積在該丁壩下游，尤其是第二個(gè)丁壩周圍。沉積物的體積與第一個(gè)丁壩頂端的沖刷速率成正比。

不同弗勞德數(shù)下三角形丁壩周圍的沖刷和沉積模式研究結(jié)果表明，第一個(gè)三角形丁壩周圍形成了沖刷坑，其最大深度出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上游的丁壩頂端附近。與矩形丁壩不同的是，三角形丁壩周圍形成的沖刷坑是不對(duì)稱的即沖刷坑的大部分位于結(jié)構(gòu)上游，靠近頂端。在這種情況下，在結(jié)構(gòu)的背面(頂端和水槽壁之間)未發(fā)現(xiàn)沖刷跡象。Fr增大，沖刷坑的尺寸和深度增加了。最大沖刷深度在Fr=0.235時(shí)達(dá)到。在Fr=0.196、0.216和0.235處，第一個(gè)三角形丁壩上游的沖刷坑不斷延伸直至水槽壁。在Fr=0.176和Fr=1.196時(shí)，在第二、第三和第四個(gè)丁壩周圍未觀察到?jīng)_刷。在Fr=0.216和0.235時(shí)，沖刷主要發(fā)生在第三和第四個(gè)丁壩的頂端，后者的沖刷更嚴(yán)重。第一個(gè)丁壩周圍形成的沖刷坑也大于其他丁壩。

對(duì)比矩形丁壩和三角形丁壩的沉積模式，發(fā)現(xiàn)后者周圍沖刷產(chǎn)生的沉積物縱向沉積在水槽壁附近，前者的沉積物主要沉積在第二個(gè)丁壩頂端或其周圍。縱向沉積下來的沉積物將填滿侵蝕孔，并沿河流(特別是沿曲流外岸)形成新的河岸。

2.1.2最大沖刷深度

如上所述，在三角形丁壩和矩形丁壩上進(jìn)行的所有試驗(yàn)中最大沖刷深度發(fā)生在上游第一個(gè)丁壩周圍的沖刷坑處。不同試驗(yàn)中獲得的橫向最大沖刷剖面如圖3所示。圖3中，縱軸和橫軸分別表示不同點(diǎn)處獲得的無量綱河床水平(Z/h)和距水槽壁的無量綱距離(Y/B)。

圖3 不同試驗(yàn)獲得的最大沖刷深度橫向剖面圖

不同試驗(yàn)獲得的最大沖刷深度的變化如圖4所示。圖4中，縱軸和橫軸分別表示無量綱比ds/h(最大沖刷深度與流動(dòng)深度)和弗勞德數(shù)Fr。三角形丁壩的最大沖刷深度小于矩形丁壩。原因可歸結(jié)為：①在三角形丁壩中，與水流接觸的表面積小于矩形丁壩。因此，水流對(duì)三角形丁壩的影響較小，削弱了結(jié)構(gòu)周圍形成的渦流。②三角形丁壩附近的流速增加幅度小于矩形壩，從而導(dǎo)致河床剪切應(yīng)力減小。

圖4 不同試驗(yàn)獲得的無量綱最大沖刷深度隨弗勞德數(shù)的變化

2.1.3沖刷坑體積

不同試驗(yàn)中獲得的沖刷坑體積隨弗勞德數(shù)的變化如圖5所示。

圖5中縱軸表示沖刷坑體積與水流深度3次方的無量綱比(V/h3)?？梢杂^察到，三角形丁壩的沖刷坑體積小于矩形丁壩，這可能由于三角形丁壩的表面積較小，受水流沖擊較弱，且丁壩附近的流速較低。計(jì)算得出，在Fr=0.176、0.196、0.216和0.235時(shí)，三角形丁壩沖刷坑體積分別比矩形丁壩減少80.6%、82%、61.5%和54.2%。本研究中不同試驗(yàn)的結(jié)果見表1。

圖5 不同試驗(yàn)中獲得的無量綱沖刷坑體積隨弗勞德數(shù)的變化

表1 本研究中不同試驗(yàn)的結(jié)果

由表1可知，沖刷坑體積隨著Fr的增加而增加。最小和最大沖刷坑體積分別在Fr=0.176和0.235時(shí)得到。

表格的最后一列顯示了三角形丁壩相對(duì)于矩形丁壩的最大沖刷深度的減少百分比(SDI)，計(jì)算公式如下：

SDI=(Δds/ds矩形丁壩)×100

式中，ds矩形丁壩—矩形丁壩中的最大沖刷深度；Δds—三角形丁壩和矩形丁壩最大沖刷深度之差。

2.1.4沉積物沉積

三角形丁壩沖刷產(chǎn)生的沉積物大多縱向沉積在水槽壁附近，而矩形丁壩中大多數(shù)沉積物沉積在頂端以及下游結(jié)構(gòu)周圍。且矩形丁壩的沉積物橫向發(fā)育程度大于三角形丁壩。根據(jù)丁壩周圍的流動(dòng)模式，河床和懸移質(zhì)沉積可能發(fā)生在丁壩下游(形成點(diǎn)壩)，這對(duì)河岸穩(wěn)定和開發(fā)新河岸具有優(yōu)勢(shì)。水流水力參數(shù)以及結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的變化會(huì)影響點(diǎn)壩的尺寸、其與河岸的距離以及點(diǎn)壩在河道上的分布。因此，有必要研究三角形丁壩和矩形丁壩形成的沉積作用，以及影響其的因素。

不同試驗(yàn)中最大沉降高度與水槽壁之間的距離變化如圖6所示。

圖6 不同試驗(yàn)中最大沉降高度與水槽壁的距離變化

圖6中，縱軸為無量綱距離比，橫軸為弗勞德數(shù)。由圖6可知，與三角形丁壩相比，矩形丁壩中的最大沉降高度發(fā)生在距水槽壁更遠(yuǎn)的位置，這說明三角形丁壩具有填補(bǔ)河岸侵蝕孔以及創(chuàng)建新河岸的能力，特別是在曲流外岸。在Fr=0.176、0.196、0.216和0.235處，三角形丁壩的最大沉降高度和水槽壁之間的距離分別比相應(yīng)的矩形丁壩減少了20%、46.7%、60%和100%。隨著Fr的增加，最大沉降高度發(fā)生在更靠近水槽壁的位置。因此，在Fr=0.176和0.235時(shí)分別觀察到最大和最小距離。

在不同試驗(yàn)中獲得的最大沉降高度隨弗勞德數(shù)的變化如圖7所示。

圖7 不同試驗(yàn)中獲得的無量綱最大沉降高度隨弗勞德數(shù)的變化

在圖7中，縱軸表示無量綱比率hs/h(最大沉降高度與流動(dòng)深度)。結(jié)果表明，三角形丁壩的最大沉積高度小于矩形丁壩，這是由于三角形丁壩的沖刷有限，因而侵蝕沉積物有限。在Fr=0.176、0.196、0.216和0.235時(shí)，三角形丁壩的最大沉降高度與相應(yīng)矩形丁壩相比降低了70%、62%、49.3%和41%。在2種丁壩類型中，增加Fr會(huì)導(dǎo)致最大沉降高度相應(yīng)增加。因此，最小和最大的沉降高度分別發(fā)生在Fr=0.176和0.235處。

2.2 流動(dòng)模式

采用垂直于水流構(gòu)造的單一結(jié)構(gòu)，研究三角形丁壩和矩形丁壩周圍形成的流動(dòng)模式。本文在流量為0.025m3/s和水深為0.15m的情況下，測(cè)量了不同截面下的三維速度分量。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在矩形丁壩中，距河床0.03和0.14m處的平均流速分別增加了70.3%和84.3%。在三角形丁壩中，距河床相同距離處的平均流速分別增加了15.14%和29.11%。這是因?yàn)榫匦味蝺H從頂端引導(dǎo)整個(gè)水流從河岸流向河道中部，導(dǎo)致產(chǎn)生了更大的流速，床層剪應(yīng)力也增加。而三角形的丁壩從上方和頂端引導(dǎo)水流從堤岸向河道中部偏轉(zhuǎn)。因此，與三角形丁壩相比，矩形丁壩附近更容易發(fā)生河床侵蝕。

試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)在三角形丁壩下游距床層0.03m處有逆流。這些逆流沿著有效長(zhǎng)度3倍的最大距離延伸(3Le)。由于逆流與主流的對(duì)抗，在三角形丁壩下游(回流區(qū))形成了一個(gè)水平旋渦(相對(duì)于垂直軸)，從而降低了河岸、上游和下游的流速。該渦流的下游范圍是三角形丁壩有效長(zhǎng)度的5.5倍(5.5Le)。

目前，還沒有確定三角形丁壩設(shè)計(jì)參數(shù)(如距離、有效長(zhǎng)度等)的通用標(biāo)準(zhǔn)。下游水平渦流的延伸可作為選擇三角形丁壩之間適當(dāng)間距的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

本文對(duì)三角形丁壩和矩形丁壩周圍的沖刷和沉積模式進(jìn)行了研究和適當(dāng)比較，探究了單個(gè)矩形丁壩和單個(gè)三角形丁壩周圍的三維流動(dòng)模式。得出以下結(jié)論。

(1)三角形丁壩和矩形丁壩都會(huì)將接近的上游水流轉(zhuǎn)向河道中部。

(2)三角形丁壩的沖刷坑體積和最大沖刷深度均小于矩形丁壩。三角形丁壩沖刷形成的沉積物縱向沉積在水槽壁附近，而矩形丁壩中的沉積物主要發(fā)生在尖端和下游結(jié)構(gòu)周圍。

(3)下游水平渦流的延伸可作為選擇三角形丁壩之間適當(dāng)間距的標(biāo)準(zhǔn)，此結(jié)論可為確定三角形丁壩設(shè)計(jì)參數(shù)的通用標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。