U型彎道水槽內(nèi)T型和L型組合丁壩群對水流特性影響試驗研究

楊海鵬，楊亞杰，景何仿，何 斌，李 昕，張茹鳳

(北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

丁壩在保護河岸、改善航道條件、保護海灘、改善局部生態(tài)環(huán)境等方面都有重要作用。L型和T型丁壩是特殊的兩類丁壩，在調(diào)順?biāo)鲃恿S線、抑制河床橫向變形，束水歸槽等方面的作用更為顯著。

對于布置直丁壩及丁壩群后對水流結(jié)構(gòu)的影響方面，國內(nèi)外已有較多的研究成果。Sayed等(2015)[1]通過對單丁壩與丁壩群的對比試驗，得到丁壩的最佳距離，Chen等(2019)[2]通過對60°彎道內(nèi)的非淹沒直丁壩進行了數(shù)值模擬研究，類似研究成果還有[3-8]。

對于布置T型和L型丁壩后對水流結(jié)構(gòu)的影響方面，國內(nèi)外也有一些研究成果Ghodsian等[9](2009)對彎道內(nèi)T型丁壩附近沖刷坑內(nèi)的三維流場進行測量研究，類似研究成果還有[10-12]。

對于T型和L型組合丁壩群的研究，雖然已有一些研究成果，然而成果較少，還有待進一步深入，尤其是彎道中布置T型和L型組合丁壩群方面，研究結(jié)果更少。本文在U型彎道水槽中布設(shè)T型和L型的組合丁壩群，用PIV等儀器分別對不同丁壩組合下水流流速和水位等物理量進行測量，研究彎道內(nèi)布置丁壩群后對水力特性的影響規(guī)律，研究結(jié)果在河道整治和航運工程建設(shè)等領(lǐng)域中具有工程應(yīng)用前景。

1 試驗儀器設(shè)備與試驗方法

1.1 試驗儀器設(shè)備

1.1.1水槽測量系統(tǒng)

本試驗在北方民族大學(xué)水力學(xué)試驗室的U型彎道水槽中進行，水槽、PIV測速系統(tǒng)及T型和L型丁壩模型如圖1所示。進口段直槽長16m，出口段直槽長16m，中間段為180°彎道，彎道中心線半徑為2m，水槽寬度為0.8m。測量設(shè)備由水位測量系統(tǒng)、流速測量系統(tǒng)組成。水位測量系統(tǒng)由JFC軟件和8個無線水位計組成，可實時讀取、顯示并存儲水位數(shù)據(jù)；流速測量系統(tǒng)由PIV view軟件和高速相機、激光發(fā)射器等組成，通過對水中粒子的抓拍、分析，可得到所需流速數(shù)據(jù)。

圖1 試驗裝置

1.1.2丁壩

本試驗中，在水槽布置的丁壩為T型丁壩和L型丁壩，其中L型丁壩壩身長L=15cm，壩翼長Lt=20cm，厚度b=2cm，高h=30cm；T型丁壩壩身長L=15cm，壩翼長Lt=20cm(上翼取10cm，下翼取10cm)，厚度b=2cm，高h=30cm，丁壩模型材料為亞克力板。

1.2 試驗方法

1.2.1工況布置

本次物理試驗在清水條件下進行，控制水槽內(nèi)流量48L/s，尾門開度61%，保持尾門水位12cm，水槽坡度0.1%。組合丁壩群布置在U型彎道的凹岸，與彎道進口斷面夾角分別為36°、54°、72°(編號為A、B、C)處，丁壩間距固定為75cm，具體工況實施方案見表1。

表1 典型工況基本參數(shù)

1.2.2數(shù)據(jù)采集位置

水槽觀測斷面、觀測線位置及丁壩位置如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集位置

丁壩布置在與彎道進口斷面夾角為36°、54°、72°處(編號A、B、C)，數(shù)據(jù)采集位置沿程設(shè)置8個觀測斷面，與彎道進口斷面的夾角分別為0°、25°、45°、60°、90°、120°、150°、180°(編號1-8)。其中，編號1—8為水位測量觀測斷面，編號2—7為流速測量觀測斷面。每個觀測斷面沿橫向設(shè)置5條測線，分別距凸岸5、25、40、55、75cm(編號a-e)。

2 試驗結(jié)果與分析

對試驗所得數(shù)據(jù)使用Matlab和Excel等軟件進行處理，得到不同工況下彎道水槽中水位、橫比降、縱比降、流速、水頭損失及水力坡降的規(guī)律，并對結(jié)果進行比較分析。

2.1 水位分布比較

對水位的變化規(guī)律，本文主要分析水位沿程分布，橫、縱比降，典型斷面橫向水位變化等。

2.1.1水位沿程分布

在每個觀測斷面處，采用凸岸與凹岸水位平均值代表該斷面水位，將不同工況、不同斷面的水位進行比較，如圖3所示。

圖3 不同工況下水位沿程分布

通過對比不同工況下不同斷面處的水位可知：①布置丁壩群后，在第1個丁壩(丁壩A)上游，水位均出現(xiàn)壅高現(xiàn)象，工況4情況下水位壅高最大，其次是工況3，最后是工況2；之后由于丁壩束窄過水?dāng)嗝婷娣e，丁壩后發(fā)生水跌，所以在第2個丁壩(丁壩B)附近水位達到最低，此后水位開始回升，在斷面7處達到極大值后，逐漸靠近無丁壩群時的水位；②從水面縱比降來看，工況3最大，工況4次之，然后是工況2，工況1最小。

2.1.2水位沿橫向分布

水位沿橫向變化規(guī)律分析，選擇典型斷面(斷面2、3、5、7)的凸岸、中心線以及凹岸3個測點(位于測線a、c、e)，得到典型斷面處不同工況下水位沿橫向分布，如圖4所示。

圖4 典型斷面處不同工況下水位沿橫向分布

分析可知：①無論是否布置丁壩群，由于彎道離心力，彎道水位沿橫向從凸岸到凹岸整體呈上升趨勢，符合彎道水流運動的一般規(guī)律；②在凹岸布置丁壩群后，上游斷面(斷面2)和下游斷面(斷面7)的水位均高于不布置丁壩情形(工況1)，斷面2處在工況4情況下水位抬升最為明顯，斷面7在工況2情況下水位抬升明顯；③在凹岸布置丁壩群后，斷面3和斷面5的水位均低于不布置丁壩情形(工況1)，斷面3在工況4情況下水位降低最為明顯，斷面5在工況3情況下水位降低最為明顯。

2.1.3不同工況下水面橫比降比較

水面橫比降計算公式為：

Jr=(Za-Zb)/B

(1)

式中，Za、Zb—凹岸和凸岸水位；B—水槽寬度用。在無丁壩時，水面橫比降是由于彎道離心力產(chǎn)生的，而布置丁壩后，水面橫比降由彎道離心力和丁壩阻力共同作用而產(chǎn)生。將8個橫斷面處在各種工況下水面橫比降進行計算，見表2。

表2 不同工況下水面橫比降沿程分布 單位：%

從表2可知：①工況1時，水面橫比降沿程雖有增有減，但變化不大，在彎頂斷面處(斷面5)達到最大值；②在凹岸布置丁壩群后，水面橫比降的最大值出現(xiàn)在彎頂斷面前后，工況2和工況3在斷面4處水面橫比降達到最大值，而工況4在斷面6處達到最大值；③對比4種工況下水面橫比降的最大值可以發(fā)現(xiàn)，工況4最大(斷面6處)，工況3次之(斷面4處)，工況2再次之(斷面4處)，工況1最小(斷面5處)。

2.2 流速分布

對于流速的分布規(guī)律研究，主要包括對流速的沿程分布和典型斷面流速沿橫向分布兩個方面，其中典型斷面取斷面2、3和5。

2.2.1流速沿程分布分析

利用PIV對水流速度進行測量，使用Matlab軟件計算得到斷面處凹岸、凸岸附近兩條流速測線上流速的大小，如圖5所示。

圖5 流速沿程分布

通過研究發(fā)現(xiàn)，在凹岸布置丁壩群后，對凹岸和凸岸的流速影響較大，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①在凹岸附近，由于丁壩群的阻流作用，在丁壩群之間，水流流速逐漸減小，在斷面5達到流速最小值，然后逐漸增加，但始終低于未布置丁壩的情形；③在凸岸附近，由于丁壩的挑流作用，流速普遍大于未布置丁壩的情形，流速從斷面2開始逐漸增大，到斷面4處達到最大值，然后逐漸減??；③ 3種布置方式中，工況3對水流影響最為明顯，在凹岸處水流流速降幅最大，最小流速位于斷面5處，而在凸岸處水流流速增幅最大，最大流速值位于斷面4處，這說明工況3能有效減小凹岸水流流速，而增大凸岸水流流速，從而不但可減小水流對于凹岸的沖刷現(xiàn)象，而且可減小凸岸附近泥沙的淤積現(xiàn)象。

2.2.2流速沿橫向分布

對彎道中水流流速沿橫向分布進行比較分析，本文選取彎頂斷面5為典型斷面，繪制各工況下流速沿橫向的分布，如圖6所示。

圖6 典型斷面處4條測線流速沿橫向分布

從圖6可知：①未布置丁壩群前(工況1)，在彎道離心力的作用下，彎頂斷面處凹岸附近流速大于凸岸，而布置丁壩群后，由于丁壩群的阻流作用，在彎道離心力和丁壩群的共同作用下，流速沿橫向呈減小的趨勢；②對比不同工況可以發(fā)現(xiàn)，凸岸附近流速，以工況3最大，其次為工況2和工況4，工況1最??；凹岸附近流速，以工況3最小，其次為工況4和工況2，工況1最大。

因此，在彎道凹岸處布置丁壩群后，對流速沿橫向分布影響很大。布置丁壩群后，凸岸流速增大，而凹岸流速減小，從而將減小水流對凹岸處的沖刷和凸岸處泥沙的淤積。相比較而言，工況3更有利于防止凹岸沖刷和凸岸淤積現(xiàn)象。

2.3 水頭損失及水力坡降

水流在運動過程中單位質(zhì)量液體的機械能的損失稱為水頭損失，其產(chǎn)生的原因有內(nèi)因和外因兩種，外界對水流的阻力是產(chǎn)生水頭損失的主要外因，液體的黏滯性是產(chǎn)生水頭損失的主要內(nèi)因，也是根本原因。

為了分析丁壩前后水頭損失，根據(jù)液體運動的能量方程有：

(2)

式中，Z1、Z2—兩斷面處的水位，m；P1、P2—兩斷面處的大氣壓強，N/m2；V1、V2—兩斷面處的流速，m/s；ρ—水的密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；hw—兩斷面處的水頭損失，m；

由于試驗中水槽處于同一大氣壓下，所以任意兩斷面的大氣壓強相同，從而得到兩斷面之間的水頭損失為：

(3)

根據(jù)水頭損失hw可計算出水力坡降J。令L為兩斷面之間的實際距離，有計算公式：

(4)

2.3.1沿程水頭損失及水力坡降

取斷面處的水位和流速為斷面平均值，計算得到彎道斷面2—7之間的水頭損失及水力坡降，見表3。

表3 不同工況下彎道進出口水頭損失及水力坡降

由于工況1沒有布置丁壩，彎道中的水頭損失和水力坡降主要由彎道壁面的阻力和水的黏滯性組成，而工況2、3、4均布置了丁壩群，除上述阻力外，增加了丁壩對水流的阻力作用，水頭損失和水力坡降均大于未布置丁壩群的情形。而且工況4產(chǎn)生的水頭損失最大，工況3水頭損失比工況4小，工況2水頭損失是3種丁壩群布置方式中最小的。故工況1情況下，水頭損失和水頭坡降均最小，其次是工況2和工況3，工況4水頭損失和水力坡降均最大。

2.3.2不同工況下相同丁壩位置前后水頭損失及水力坡降

為了更加深入地研究丁壩群產(chǎn)生的水頭損失，將丁壩群中每個丁壩位置(位置A、B、C)前后產(chǎn)生的水頭損失及水力坡降進行計算，其中位置A前后水頭損失及水力坡降取斷面2和斷面3為研究斷面，位置B前后水頭損失及水力坡降取斷面3和斷面4為研究斷面，位置C前后水頭損失及水力坡降取斷面4和斷面5為研究斷面，斷面處的水位和流速均取凹、凸岸的平均值，得到數(shù)據(jù)見表4：

表4 不同工況下丁壩位置前后水頭損失及水力坡降

通過分析可得到：①在A、B、C三個丁壩所處位置，未布置丁壩時(工況1)產(chǎn)生的水頭損失和水利坡降是最小的，在3個位置處依次增大；布置丁壩后3個位置處水頭損失和水力坡降均有不同程度的增加，但位置A處增大幅度較大，其次是位置B處，最后是位置C處；②丁壩群中3個丁壩產(chǎn)生的水頭損失是不同的，其中第1個丁壩所處位置水頭損失最大，其次是第2個丁壩，第3個丁壩處產(chǎn)生的水頭損失最?。?3)在3個位置處，不同工況下水頭損失也不同，工況4情形下，不同位置處水頭損失在4個工況中均最大，其他依次是工況3、工況2和工況1。

3 結(jié)論

研究利用粒子圖像測速系統(tǒng)(PIV)等儀器測量了在U型彎道水槽內(nèi)凹岸側(cè)布置T型、L型、T+L+T型3種不同的組合丁壩群前后的水流流速與水位等物理量，對比分析不同布置條件下，丁壩群對彎道內(nèi)水位、水面比降、流速分布及水頭損失等物理量的影響。主要結(jié)論如下：

(1)在彎道凹岸處布置丁壩群后，丁壩群對附近水位產(chǎn)生較大影響。第1個丁壩(丁壩A)上游出現(xiàn)雍水，之后由于丁壩束窄過水?dāng)嗝婷娣e，丁壩后發(fā)生水跌，所以在第2個丁壩(丁壩B)附近水位達到最低，此后水位開始回升，在斷面7(與彎道進口斷面夾角為150°)處達到極大值后，逐漸恢復(fù)至無丁壩群時的水位；其中T+L+T型丁壩對上游水位壅高最為明顯，L+L+L型丁壩產(chǎn)生的水面縱比降最大。

(2)無論是否布置丁壩，彎道內(nèi)均會產(chǎn)生一定水面橫比降，且水面橫比降沿程有一定的變化，在彎道頂部附近達到最大值。不布置丁壩時，在彎頂斷面處水面橫比降達到最大值(1.04%)，布置同型丁壩群(T+T+T型、L+L+L型)后，在斷面4(與彎道進口斷面夾角為60°)處達到最大值(1.96%、2.46%)，而布置異型丁壩群(T+L+T型)后，水面橫比降最大值(2.81%)出現(xiàn)在斷面6(與彎道進口夾角為120°)處。

(3)在凹岸布置丁壩群后，對彎道內(nèi)流速分布有較大影響。其中在凹岸附近，丁壩群之間水流流速逐漸減小，在彎頂斷面處達到最小值，然后又逐漸增加，但始終低于未布置丁壩的情形；在凸岸附近，流速普遍大于未布置丁壩的情形，流速開始逐漸增大，到彎頂斷面前到最大值，然后逐漸減小；其中L+L+L型組合丁壩群對水流影響最為明顯，能有效減小凹岸水流流速，增大凸岸水流流速，可減小凹岸沖刷和凸岸淤積現(xiàn)象。

(4)未布置丁壩群時水頭損失和水頭坡降均最小，布置丁壩群后異型丁壩群(T+L+T型)產(chǎn)生的水頭損失最大，引起的水力坡降相應(yīng)也最大，然后依次是L+L+L型和T+T+T型兩個同型丁壩群。同時在3個不同位置的丁壩所產(chǎn)生的水頭損失和水力坡降也不同，第1個丁壩前后產(chǎn)生的水頭損失和水力坡降最大，其次是第2個丁壩，第3個丁壩處最小。

本研究對于河道治理、航道改善、維護河相以及保護水生態(tài)多樣化方面都有著重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義，但在實驗過程中也存在不足，天然河道水位有季節(jié)性變化，但在本研究中未進行充分考慮，試驗工況設(shè)計還需完善，望本文能夠?qū)髞硌芯繉W(xué)者以借鑒。