灤河下游腰莊段丁壩群水流特性及局部沖刷三維數(shù)值模擬

李大鳴,肖程之,李佩瑤,李彥卿,卜世龍

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300350; 2.生態(tài)環(huán)境部海河流域北海海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學(xué)研究中心,天津 300170)

0 引 言

灤河下游丁壩群是灤河流域防洪體系中主要組成部分,為減輕灤河下游沿岸的洪水威脅以及為河道兩岸人民群眾的生產(chǎn)生活提供安全保障。20世紀(jì)50年代末開始在灤河修建丁壩工程,由于當(dāng)時(shí)丁壩整體性較差、間距大、防沖效果差,造成的丁壩損壞情況也比較嚴(yán)重。由于流場的改變,丁壩附近泥沙沖淤狀況將重新調(diào)整,從而產(chǎn)生局部沖刷和淤積現(xiàn)象。丁壩的局部沖刷直接影響水工建筑物的安全,因此分析局部沖刷一直是丁壩研究的重點(diǎn)之一。

為提高丁壩的穩(wěn)定性與安全性,許多學(xué)者從丁壩間距、丁壩長度、丁壩挑角及丁壩材料等方面研究丁壩的局部沖刷。由于物理模型試驗(yàn)形象、直觀等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用,學(xué)者們開始通過設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)?zāi)M丁壩局部沖刷的實(shí)際情況。Gu等[1]通過比較不同滲透性堤防的水流與輸沙特性,發(fā)現(xiàn)透水堤防懸沙通過堤防的縱向運(yùn)輸遠(yuǎn)大于橫向運(yùn)輸。Li等[2]探討了清水條件下直壁丁壩局部沖刷坑幾何結(jié)構(gòu)的空間特征。Pandey等[3]確定了砂礫河床條件下主要影響沖刷坑深度的參數(shù),并以此推導(dǎo)出新的丁壩沖刷預(yù)測模型。?zyaman等[4]對泥沙級配、水流深度、丁壩角和丁壩長度對沖刷過程的影響進(jìn)行了研究,并提出4個(gè)方程以預(yù)測沖刷深度與沖刷量。Hajibehzad等[5]設(shè)置了彎曲水槽中4組不同間距丁壩的沖刷試驗(yàn),分析了沖刷坑深度以及沖刷位置與丁壩間距之間的關(guān)系。喻濤等[6]通過水槽概化物理模型試驗(yàn),研究了丁壩在非恒定流作用下的水力特性和沖刷機(jī)理。張林忠等[7]借助模型試驗(yàn)分析了不同工程條件下不同間距丁壩群局部沖刷情況。

計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的飛速提高為復(fù)雜水沙模型的構(gòu)建提供了基礎(chǔ)。Liao等[8]為解決普通二維模型不足以模擬三維流場和局部沖刷的缺點(diǎn),通過將休止角公式和河床幾何調(diào)整機(jī)制整合到二維動(dòng)床模型中,以改進(jìn)局部沖刷坑的數(shù)值模擬。Haider等[9]將丁壩布置形式分為“L”型與“T”型兩種形式,采用k-ε模型(k為湍動(dòng)能,ε為湍動(dòng)能耗散值)研究了兩種形式在矩形明渠水流相應(yīng)的流動(dòng)和湍流特性。胡志毅[10]通過對不同挑腳的丁壩附近流場及沖刷情況進(jìn)行了三維數(shù)值模擬;發(fā)現(xiàn)挑角與最大沖刷深度、壩前及壩后沖坑長度之間的關(guān)系。為研究彎道處不同長度丁壩對水流特征的影響,張巖等[11]對60°彎道內(nèi)的3種長度的丁壩繞流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,得出壩后湍動(dòng)能及湍流黏度作用強(qiáng)度及范圍隨丁壩長度增加而增大。戚藍(lán)等[12]通過三維數(shù)值模擬方法對馬良子段丁壩群沖刷坑發(fā)展進(jìn)行模擬,提出了丁壩長度調(diào)整方案。呂慶標(biāo)等[13]對無丁壩保護(hù)的河道岸線崩潰機(jī)理進(jìn)行了研究,說明了無保護(hù)岸線在特定水流條件下可能發(fā)生破壞的危險(xiǎn)性。張小雅等[14]研究了液壓壩群對河道沖淤變化特性的影響,為不同水流條件下河床穩(wěn)定和堤壩安全提供了可供參考的條件。

近年來對于丁壩局部沖刷的研究取得了很大進(jìn)展,但以往研究大多未考慮試驗(yàn)與天然河道的差別,如河道斷面不均勻、流量過程為非恒定流等。同時(shí)大多數(shù)學(xué)者通常僅研究單丁壩影響水流和沖刷特性的因素,但對丁壩群的研究較少。而在天然河道中丁壩工程往往采用多個(gè)丁壩相互配合以提高整體效果。與單個(gè)丁壩相比,丁壩群內(nèi)各丁壩流場相互影響,沖刷問題復(fù)雜多變。為研究丁壩群附近流場及局部沖刷情況,本文根據(jù)實(shí)際丁壩群河道整治工程構(gòu)建三維水流泥沙數(shù)學(xué)模型,通過模擬丁壩群附近水力特性,探討丁壩局部沖刷情況。

1 三維水流泥沙模型數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

1.1 基本控制方程

基本控制方程如下:

(1)

(3)

(4)

1.2 RNG k-ε模型

k方程為

ε方程為

(6)

式中:ε為湍動(dòng)能耗散值;μt為渦黏性系數(shù),μt=Cμρk2/ε,Cμ是模型常數(shù),Cμ=0.085;τij為雷諾應(yīng)力;C1ε、C2ε、σk均為模型常數(shù),C1ε=1.42,C2ε=1.68,σk=0.717 9。

1.3 泥沙沖刷模型

模型的計(jì)算過程通過考慮泥沙的懸浮和沉積2種存在狀態(tài)進(jìn)行。懸浮泥沙通常濃度較低,隨流體流動(dòng)而發(fā)生平流。堆積沉積物的淤積量可以通過臨界填充率(默認(rèn)值為0.64)的調(diào)節(jié)進(jìn)行處理。只有堆積的沉積物表面薄層顆粒(厚度僅為幾倍粒徑)才能以推移質(zhì)輸運(yùn)的形式移動(dòng)。

在剪切力和小渦流作用下,堆積界面上的泥沙被挾起和再懸浮。由于不可能計(jì)算每個(gè)沉積物顆粒的流體動(dòng)力,因此必須使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀１疚氖褂玫慕?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突贛astbergen和Van den Berg公式[15],通過Soulsby-Whitehouse方程[16]預(yù)測臨界希爾茲數(shù)。

計(jì)算臨界希爾茲數(shù)的第一步是求解無量綱參數(shù)d*,i,即

(7)

式中:ρi為沉積物i的密度;ρf為流體的密度;d50為泥沙中值粒徑;μf為流體的動(dòng)力黏滯系數(shù);‖g‖為重力加速度。

再由Soulsby-Whitehouse 公式[17]可計(jì)算臨界希爾茲數(shù)θcr,i為

(8)

臨界希爾茲數(shù)可以通過修改傾斜面的休止角進(jìn)行調(diào)整,因?yàn)樵趦A斜界面處,填充的沉積物不太穩(wěn)定,更容易被沿斜坡向下移動(dòng)的流體夾帶。

調(diào)整后的臨界希爾茲數(shù)θ′cr,i表達(dá)式為

(9)

式中:β為河床的坡度角;Ψ是流體和上坡方向之間的夾角,若水流直接向坡上流動(dòng)則Ψ=0°;φi是用戶定義的不同沉積物種類的休止角(默認(rèn)值為32°)。采用θcr,i=0.05。

然后計(jì)算泥沙的起懸速度ulift,i為

(10)

式中:αi為起懸參數(shù),建議值為0.018[18];di為泥沙分組級別粒徑;d*為di對應(yīng)的無量綱參數(shù)(由公式(7)d50換為di確定);θi為d*對應(yīng)的希爾茲數(shù)(由公式(8)d*,i換為d*確定);ns為沉積界面外法線方向余弦。

沉降速度usettling,i計(jì)算采用Soulsby提出的方程[18],即

式中vf為流體的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù) 。

推移質(zhì)輸運(yùn)是由于泥沙在沉積床表面滾動(dòng)或跳躍而產(chǎn)生的泥沙輸運(yùn)方式。對于推移質(zhì)輸運(yùn),目前使用的模型由Meyer、Peter和Müller等人提出[19],該模型預(yù)測了沉積床表面單位寬度的泥沙體積流量,即

Φi=βi(θi-θ′cr,i)1.5cb,i。

(12)

接著需要對床載厚度δi(即躍變沉積物的厚度)進(jìn)行估算。用來估算厚度的關(guān)系式為

(13)

為了計(jì)算泥沙在每個(gè)計(jì)算單元中的運(yùn)動(dòng)情況,將qb,i的值轉(zhuǎn)換為床載速度ubedload,i,即

(14)

式中fb為沉積物的臨界堆積分?jǐn)?shù)。

2 模型的建立與驗(yàn)證

2.1 研究區(qū)域概況

灤河流域位于39°10′N—42°35′N, 115°40′E—119°20′E,控制流域面積4.47×104km2。灤河干流河道長度約900 km,河道平均坡降為2.68‰。灤河發(fā)源于河北省豐寧滿族自治縣大灘鎮(zhèn)孤石山村東南部小梁山南麓,多倫以上屬高原,地勢平坦,河道坡降約為0.5‰;郭家屯以下至潘家口河段穿行于燕山峽谷間河谷寬為200～300 m,河道坡降約為3.33‰～1.67‰,河道蜿蜒曲折;潘家口水庫以下河寬200～500 m,過桑園峽谷進(jìn)入遷安盆地,河谷寬至1 000 m以上。京山鐵路橋以下進(jìn)入平原區(qū),經(jīng)主河道干流宣泄入海,平原區(qū)河道坡降為0.66‰。流域內(nèi)建有潘家口、大黑汀、灤河支流伊遜河上廟宮水庫、青龍河上桃林口水庫等大型水庫及其它防洪措施。

2.2 丁壩群概況

丁壩群位于灤河下游腰莊險(xiǎn)工處,對應(yīng)堤防樁號LHY68+200—LHY70+100。該工程布置丁壩10道(如圖1所示),各壩頭連線與河道主流向平行,壩身長度為50 m,均為下挑式,傾角60°～85°,丁壩間距為壩長的2～3倍,其中丁壩B1—B6改變主流流向,間距取100 m,為2倍壩長;丁壩B7—B10對主流方向改變不大,壩間距取150 m,為3倍壩長。壩頂寬度均為2 m。

丁壩壩頭采用格賓籠拋石結(jié)構(gòu),壩頭頂部寬5.0 m,長6.0 m,臨水側(cè)為圓弧形按壩頭高度不同砌筑2～4層臺階,每階高0.5～1.0 m,寬2.0 m,坡比1∶2。壩頭基礎(chǔ)分為干場和有水兩種情況,干場采用明挖,開挖后用50 cm厚格賓石籠進(jìn)行防護(hù);有水時(shí)先用拋石回填至水面以上0.3～0.5 m,再鋪設(shè)50 cm 厚格賓石籠護(hù)墊,如圖2所示。

圖2 腰莊丁壩壩頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of groin head

2.3 模型建立

模型計(jì)算范圍由灤河馬良子段丁壩下游至入?？?地形數(shù)據(jù)來源于2015年河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院的實(shí)測值。由CAD軟件提取高程點(diǎn)后,在Mike21軟件中劃分二維網(wǎng)格后沿垂直方向從水面到河底進(jìn)行等距插值得到三維網(wǎng)格,最終在Flow3D中完成編譯計(jì)算。

計(jì)算模型長2 518 m、寬1 518 m、高20 m,選定河床主槽糙率為0.025,泥沙顆粒半徑為0.062 mm,密度為2 650 kg/m3,臨界希爾茲數(shù)為0.05[12]。丁壩群之間的水流流態(tài)較為復(fù)雜,網(wǎng)格大小會對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生直接的影響。因此在劃分網(wǎng)格時(shí)通過矩形網(wǎng)格劃分,將整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分為A、B兩區(qū)以減少不必要網(wǎng)格的數(shù)量,A區(qū)定床,B區(qū)為動(dòng)床。采用嵌套網(wǎng)格的方式對壩體附近進(jìn)行局部加密以保持更加完整的丁壩外觀結(jié)構(gòu)及附近水流形態(tài)。如圖3所示,總網(wǎng)格數(shù)量約160萬。

圖3 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing of computational domain

2.4 模型驗(yàn)證

2015年為丁壩群初試階段,工程初試階段布置了3道丁壩。初試工程丁壩建成后,經(jīng)歷了2015年灤河洪水過程的沖刷,因此本文以初試工程丁壩為研究對象對三維泥沙模型進(jìn)行驗(yàn)證。通過對2014年洪水過后初試工程附近實(shí)測地形提取生成地形數(shù)據(jù),采用相同參數(shù)構(gòu)建模型,如圖4所示。

計(jì)算時(shí)采用有限體積法離散控制方程以及重整化群(Renormalization Group,RNG)k-ε湍流模型。上游設(shè)為流量入口,根據(jù)2015年行洪情況給定模型3 d洪水過程如圖5所示,平均水深為5 m,下游出口設(shè)為自由出流,上表面采用流體體積(Volume of Fluid,VOF)法捕捉自由液面,側(cè)面及下壁面設(shè)為無滑移邊界[12,21]。

圖5 2015年洪水過程Fig.5 Flood process in 2015

根據(jù)2015年洪水過后的實(shí)測地形圖發(fā)現(xiàn),丁壩群壩頭處沖刷嚴(yán)重,丁壩B1壩頭處有較深的沖刷坑,沖坑最深處達(dá)到了-7 m。因此,選取丁壩B1附近最深沖刷坑,將過流斷面方向視為橫斷面,與之垂直的斷面視為縱斷面,如圖6所示,將數(shù)值模擬的沖刷坑斷面地形與實(shí)測地形值進(jìn)行對比。

圖6 丁壩B1附近沖刷坑斷面選取Fig.6 Section of scour pit near spur dike B1

由圖7(a)可以看出丁壩B1橫斷面沖刷坑模擬值與實(shí)測沖刷地形之間擬合較好,圖7(b)沖刷坑縱斷面30～50 m處誤差較大。

圖7 丁壩B1壩頭附近沖刷坑橫縱斷面形態(tài)對比Fig.7 Comparison between cross and longitudinalsectional shapes of scour pit near the head of spur dike B1

產(chǎn)生誤差較大的原因有:

(1)數(shù)值模擬中網(wǎng)格劃分較大,計(jì)算結(jié)果不夠精確。

(2)模型所計(jì)算的點(diǎn)為計(jì)算網(wǎng)格的平均值,并不能與實(shí)際值一一對應(yīng),導(dǎo)致兩者整體上存在一定誤差。

(3)模型中底沙分布較為理想,與實(shí)際情況存在一定的差異會對水流結(jié)構(gòu)與泥沙運(yùn)動(dòng)造成一定影響。

雖然模型在定量驗(yàn)證中存在一定誤差,但是模型基本能反應(yīng)實(shí)際工程中水沙運(yùn)動(dòng)及沖刷情況,具有較好的可靠性,該模型可用于對復(fù)雜的天然河道下丁壩群附近局部沖刷的模擬。

3 丁壩群水流流速特性

3.1 模型計(jì)算方案

模型針對研究區(qū)域內(nèi)5 a一遇、10 a一遇來流過程下恒定流和非恒定流情況進(jìn)行模擬計(jì)算,計(jì)算工況見表1,不同重現(xiàn)期非恒定流過程見圖8。為保證丁壩水力特性和局部沖刷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),對每種工況模擬時(shí)間為24 h。

表1 計(jì)算工況Table 1 Computation conditions

3.2 丁壩群流場分析

3.2.1 丁壩群垂向流場分析

為了分析丁壩群垂向水流流態(tài),以工況1為例選取靠近河床附近層面、自由液面附近層面及中間層面進(jìn)行分析,如圖9所示。

不同層面壩頭處均形成了緩流區(qū)(在挑流壩作用下,河道主流出現(xiàn)急流區(qū),在壩頭迎水面和背水面形成緩流區(qū)。水力學(xué)定義急流為干擾波不能向上游傳播的流速,緩流為干擾波能向上游傳播的流速。),對比3個(gè)截面可以發(fā)現(xiàn)隨著高程的增加,緩流區(qū)面積也逐漸增大。同時(shí)各層面均能觀察到壩田區(qū)內(nèi)的漩渦?？傮w來說不同層面處水流流態(tài)分布大致相似,因此對其他工況僅選取中間層面進(jìn)行分析。

3.2.2 丁壩群平面流場分析

圖10為不同工況下最大流量時(shí)丁壩群中間層面流場圖。從圖10可以看出左岸(圖中偏上位置)流速大于右岸流速,說明丁群壩工程對河岸起到保護(hù)作用。水流流經(jīng)首壩B1時(shí),由于丁壩的擋水作用在壩前形成一個(gè)水流滯留區(qū),同時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)較小的順時(shí)針漩渦。丁壩B1壩體起到了明顯的挑流作用,在丁壩B2—B5處產(chǎn)生了一塊較大的緩流區(qū)。丁壩B1—B5的壩田區(qū)產(chǎn)生了較大的順時(shí)針方向漩渦,漩渦形狀接近方形,漩渦中心位于相鄰兩壩中間。丁壩B6較丁壩B2—B5位置略往主流區(qū)突出,根據(jù)分析比較各丁壩壩頭處流線疏密程度,可以得到丁壩B6壩頭處流線更為密集的結(jié)果,說明丁壩B6起到的挑流效果較明顯。而丁壩B6—B9之間的間距為三倍壩長,丁壩群的整體性較丁壩B2—B5有所減弱,壩頭處的緩流區(qū)面積較小,而丁壩B2—B5壩田區(qū)漩渦較B6—B9壩田區(qū)漩渦更為規(guī)則。由于B10位置向主流區(qū)突出,也直接受到主流沖擊;同時(shí)B10下游沒有丁壩,水流能夠充分?jǐn)U散,壩后無漩渦產(chǎn)生。

圖10 丁壩群中間層面流場Fig.10 Flow fields at middle layer under different conditions

3.3 丁壩群水流流速變化

3.3.1 丁壩群流速分布

以工況1為例分析壩頭處流速沿程變化情況,如圖11所示。由圖10流場圖及圖11可以發(fā)現(xiàn),丁壩B1壩頭處流速最大,為5.0 m/s。丁壩B2—B5處于丁壩B1掩護(hù)范圍內(nèi),壩頭處流速均小于B1。隨與B1距離增加,B2—B4壩頭流速在3.65 m/s左右,至B5增大至3.99 m/s,說明水流到B5處開始恢復(fù)。隨水流逐漸恢復(fù),丁壩B6壩頭受主流沖擊,壩頭處流速明顯增大,流速為4.55 m/s。丁壩B7—B9在緩流區(qū),壩頭流速均小于B6,由于丁壩B7—B9間距較大,壩頭處流速大于丁壩B2—B5,壩頭流速在4.05 m/s左右。這一規(guī)律與前人分析研究一致[22]。

圖11 工況1各壩頭處流速變化Fig.11 Variation of flow velocity at groin heads in condition 1

3.3.2 橫斷面流速分布

河道中布置丁壩后,水流受到丁壩的影響將重新調(diào)整流態(tài),橫斷面的流速分布隨之發(fā)生變化。因此研究丁壩橫斷面的流速變化,對于分析丁壩群的水流特性及周圍河床沖刷具有重要意義。由于丁壩群共布置10道丁壩,丁壩數(shù)量較多,因此僅選擇其中5道進(jìn)行分析。丁壩B1、B6、B10壩頭處流線集中流速較大,因此選取這三道典型丁壩。丁壩B1—B6改變主流方向,壩間距為兩倍壩長,以B3為代表;丁壩B6—B10間距為三倍壩長,以B8為代表。恒定流情況下各丁壩橫斷面流速分布如圖12所示。同一斷面不同工況流速對比如圖13所示。

圖12 恒定流情況下各丁壩橫斷面流速分布Fig.12 Flow velocity distribution in cross section of spur dikes under constant flow

圖13 不同工況下各丁壩橫斷面流速分布Fig.13 Flow velocity distribution in cross section of spur dikes under different conditions

通過對比圖12及圖13,兩種工況橫斷面流速整體上呈現(xiàn)中間大兩側(cè)小分布,且壩頭處流速小于主流流速。工況1與工況2主流流速分別約為6.4 m/s和8 m/s,工況1主流最大流速區(qū)在距右岸125—175 m處,工況2主流最大流速區(qū)在距右岸100—150 m處。由于河道地形左高右低,當(dāng)洪水來臨時(shí),河道右側(cè)積蓄大量洪水,流速較大。兩種工況橫斷面流速梯度均為右岸大于左岸,這是由于在右岸布設(shè)丁壩群導(dǎo)致水流流速小于左岸。丁壩B1、B6、B10在距離右岸50—100 m處水流流速均呈“V”形分布,由于漩渦的產(chǎn)生水流紊動(dòng)較為劇烈,壩頭處流速較大。丁壩B3、B8由于受上游丁壩掩護(hù),壩頭流速均小于B1、B6、B10。工況2丁壩B1、B6、B10壩頭流速相比工況1分別增大1.71、1.82、1.74 m/s,與主流增大的流速相近;而B3、B8壩頭流速分別增大0.93、0.95 m/s。可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量增大時(shí),直接受主流沖擊的丁壩壩頭流速變化與主流一致;中間丁壩受上游丁壩的掩護(hù),流速變化比主流小。

受主流直接沖擊的丁壩B1、B6、B10,壩頭附近流線較為集中,流速較大。其余丁壩根據(jù)丁壩間距與壩長的比例分為兩組,第一組為B2—B5壩間距是壩長的2倍,第二組為B7—B9壩間距是壩長的3倍,B7—B9壩頭整體流速均大于B2—B5,說明壩頭流速隨丁壩間距增大而增大。當(dāng)上游來流增大時(shí),主流最大流速區(qū)開始向右岸偏移,各丁壩壩頭流速增幅不一致,B1、B6、B10增幅較大, B7—B9及B2—B5次之。

4 丁壩群沖刷特性

4.1 丁壩群沖刷狀況

通過模擬,對不同工況下丁壩群沖淤產(chǎn)生的地形變化與2017年原始地形進(jìn)行對比分析,各丁壩具體測點(diǎn)位置及高程變化如圖14及表2所示。結(jié)合圖14和表2可以看出兩種工況下各壩壩頭發(fā)生了不同程度的沖刷或淤積。由圖14(b)可以看到在工況3時(shí),從B1處開始形成了一段狹長的沖刷帶1,一直延伸至B8壩頭處;B10下游也形成了一小段沖刷帶2。在工況4時(shí),沖刷帶1延伸至B9壩頭處,同時(shí)沖刷帶2開始向上游延伸。通過對比圖14(b)

表2 各測點(diǎn)高程對比Table 2 Comparison of height among measuring points

圖14 非恒定流丁壩群沖淤變化Fig.14 Change of erosion and deposition of spur dike group in unsteady flow

和圖14(c)及表2可發(fā)現(xiàn),工況4沖刷帶范圍與深度均大于工況3,其中工況3條件下沖刷帶1在B7處開始變寬,工況4條件下沖刷帶1在B5處開始變寬。通過表2可以發(fā)現(xiàn),在兩種工況下丁壩B1所受沖刷均最為嚴(yán)重。由于B1上游沒有其他丁壩的存在,壩頭處直接受到主流沖擊。丁壩B6、B10壩頭上游有丁壩掩護(hù),受到部分主流沖擊,壩頭處也形成較深的沖刷坑。而壩田區(qū)各丁壩則發(fā)生淤積,B1壩后淤積尤為明顯,并且隨著流量的增大B1與B2之間的壩田區(qū)河床高程有明顯抬高。由于行進(jìn)水流在繞過丁壩流動(dòng)時(shí)分為兩部分,一部分水流繞過丁壩流動(dòng)引起泥沙起動(dòng),在壩頭附近形成沖刷坑;而一部分水流發(fā)生轉(zhuǎn)向,在壩田區(qū)形成了漩渦,部分泥沙顆粒在水流的作用下被卷進(jìn)漩渦從而產(chǎn)生淤積。

4.2 丁壩群沖刷分析

由于丁壩群中丁壩B1、B6、B10 壩頭附近沖刷較為嚴(yán)重,因此對這3道典型丁壩壩頭附近沖刷情況進(jìn)行分析。選取沖刷坑沿過流方向的最寬斷面為橫斷面;與之垂直的最長斷面為縱斷面,對工況3條件下典型丁壩壩頭處到達(dá)最大沖刷深度時(shí)沖刷坑的橫縱斷面沖刷深度變化進(jìn)行分析,如圖15所示。

圖15 工況1典型丁壩壩頭沖刷深度變化Fig.15 Variation of scour depth at typical groin head in condition 1

從縱斷面圖可以看出沖刷坑下游的沖刷明顯減弱,這與水流流速、挾沙能力的減小及泥沙顆粒的沉積有關(guān)。其中丁壩B1沖刷坑深度為3.08 m,縱、橫斷面最大寬度分別為29.98、43.97 m;B6沖刷坑深度為2.69 m,縱、橫斷面最大寬度分別為26.03、35.92 m;B10沖刷坑深度為1.98 m,縱、橫斷面最大寬度分別為69.87、22.13 m。從上述數(shù)據(jù)來看,丁壩B1處沖刷最深,范圍也較大,綜合來說沖刷最為嚴(yán)重。丁壩B6由于受到上游丁壩一定的掩護(hù)作用,因此沖刷嚴(yán)重程度次于B1。丁壩B10下游水流能夠自由擴(kuò)散,因此不受壅水的影響,導(dǎo)致B10壩頭處沿水流方向形成了一段狹長的沖刷帶,但沖刷深度最小。

表3列出了不同工況下3種典型丁壩最大沖刷深度及穩(wěn)定后沖刷深度?？梢园l(fā)現(xiàn)2種工況下3種丁壩穩(wěn)定后沖刷深度略小于最大沖刷深度,在工況3條件下,丁壩B1、B6、B10壩頭沖刷坑的穩(wěn)定深度較最大深度減小了0.21、0.27、0.16 m;工況4的分別減小0.19、0.17、0.20 m,說明模擬后期沖刷坑有一定程度的淤積。通過對比2種工況,工況4較工況3的丁壩B1壩頭處最大沖刷深度及穩(wěn)定深度分別增加0.98、1.0 m;B6分別增加0.85 m和0.95 m;B10分別增加0.98 m和0.94 m。

5 結(jié) 論

(1)通過對流速特性進(jìn)行分析可知:受主流直接沖擊的丁壩B1、B6、B10,壩頭附近流線較為集中,流速較大;其余丁壩根據(jù)丁壩間距分為B2—B5(2倍壩長)和B7—B9(3倍壩長)兩部分,B7—B9壩頭整體流速均大于B2—B5,說明壩頭流速隨著丁壩間距增大而增大;當(dāng)上游來流增大時(shí),主流最大流速區(qū)開始向右岸偏移,各丁壩壩頭流速增幅不一致,增幅大小為B1、B6、B10較大, B7—B9及B2—B5次之。

(2)分析丁壩群進(jìn)行沖刷特性可知:2種工況中丁壩B1、B6、B10壩頭處沖刷均較為嚴(yán)重,沖刷嚴(yán)重程度B1>B6>B10,說明丁壩群中受沖刷的嚴(yán)重程度與是否受主流沖擊有關(guān)。在實(shí)際丁壩群工程中,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)丁壩群中受主流沖擊丁壩的維護(hù)。