張 猛

(安徽省阜陽水文水資源局,安徽 阜陽 236000)

1 概 述

作為河道常用的航道治理建筑物,丁壩能束窄河流,提高水流沖刷能力,防止水急流頂沖河床和堤岸。當(dāng)丁壩出現(xiàn)水毀時(shí),將嚴(yán)重破壞河道環(huán)境。

為此,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。陳雅飛等[1]對(duì)長(zhǎng)江上游邊灘作用下的河道最大沖刷深度進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,同一灘體的相同部位,當(dāng)水深等水力因子相同時(shí),沖刷深度隨著試驗(yàn)流量的增大而增大;在水力條件相同時(shí),灘體的臨水面坡度越大,對(duì)應(yīng)的沖刷深度越大。辛瑋琰等[2]對(duì)長(zhǎng)江中游界牌河段丁壩周圍水流特性試驗(yàn)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,壩體中部及下游側(cè)是易損區(qū)域,隨著壩頭流速的增大,下潛水流、壩頭渦漩系、單寬流量分別成為影響壩頭損毀的主因。栗銘陽等[3]基于Flow-3D的東安工程樁壩沖刷數(shù)值模擬進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,60°、90°入流角度的沖刷深度與實(shí)測(cè)斷面沖刷深度擬合較好,最大誤差僅為9.4%,模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。張睿等[4]對(duì)青草沙水庫北堤丁壩群保灘工程沖刷特性試驗(yàn)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,丁壩群護(hù)岸保灘作用效果良好,在丁壩壩頭近區(qū)局部流速較大,極易造成壩頭局部沖坑深度較大,不利于壩頭穩(wěn)定。楊旭亮等[5]對(duì)雙丁壩間流場(chǎng)及局部沖刷的數(shù)值模擬進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,當(dāng)雙丁壩長(zhǎng)度相差大于10m時(shí),易形成不均勻的河道流場(chǎng),不利于河勢(shì)控制,當(dāng)首、次丁壩長(zhǎng)度協(xié)調(diào)時(shí),沖刷坑尺寸較小,壩間河岸被雙丁壩回流區(qū)掩護(hù),近岸流速較小,河道流場(chǎng)均勻,對(duì)丁壩穩(wěn)定、河道治理與河勢(shì)控制效果較好。王任超等[6]對(duì)潮汐河口丁壩布置對(duì)河床沖刷的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,當(dāng)丁壩間距逐漸增大時(shí),壩頭沖刷深度也逐漸增加,主槽內(nèi)的沖刷分布變得不均勻。

以上文獻(xiàn)針對(duì)丁壩的沖刷深度以及丁壩周圍水流特性進(jìn)行了研究。本文參考上述研究成果,通過模擬河道丁壩水流沖刷試驗(yàn),對(duì)丁壩的水流特征和沖淤形態(tài)進(jìn)行分析。

2 研究區(qū)概況

某河河道整體呈S形,汛期時(shí),河水順河道而下,形成急速水流,沖擊S形河道的河床和堤壩,導(dǎo)致河床低陷及堤壩局部坍塌。為了防止水流對(duì)河道沖刷侵蝕,避免對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞,擬在S形河道上游多處修建丁壩,以減小水流對(duì)河床的沖刷,同時(shí)防止丁壩因水流的沖擊造成水毀現(xiàn)象。根據(jù)河道現(xiàn)有情況設(shè)置丁壩,本文進(jìn)行了丁壩水流沖刷模擬試驗(yàn),對(duì)丁壩的水流特征和沖淤形態(tài)進(jìn)行分析。

3 數(shù)值模型建立

3.1 模型驗(yàn)證

本次試驗(yàn)在河道治理試驗(yàn)大廳進(jìn)行,模型丁壩的設(shè)計(jì)主要依據(jù)長(zhǎng)江上游航道常見的丁壩結(jié)構(gòu),丁壩斷面為梯形,選用天然石英砂模擬丁壩及其周圍河床。采用流量控制系統(tǒng)對(duì)水流流量進(jìn)行控制,系統(tǒng)包含流量控制模塊和流量測(cè)量模塊,可根據(jù)流量反饋來實(shí)現(xiàn)水槽流量的閉環(huán)控制。同時(shí),在水槽里設(shè)置水位同步測(cè)量系統(tǒng),可測(cè)量不同關(guān)鍵點(diǎn)的水位。

模型驗(yàn)證水槽長(zhǎng)×寬×高分別為36m×2m×1.2m,在試驗(yàn)水槽中段鋪設(shè)9m的動(dòng)床段,在水槽左側(cè)設(shè)置丁壩,丁壩距進(jìn)口15.3m。丁壩壩底長(zhǎng)1m、寬0.6m,丁壩高0.12m,迎水坡坡比1:1.8,背水坡坡比1:2.4,壩頭為圓弧形,流水中泥砂粒徑為d50=1.2mm,密度ρ=2.83t/m3,平均流量Q=58L/s。在試驗(yàn)水槽中,布置縱斷面和橫斷面均為7個(gè),縱斷面和橫斷面的交點(diǎn)為本次試驗(yàn)的流速和水位測(cè)點(diǎn)。丁壩的驗(yàn)證模型及特征斷面布置見圖1。

3.2 水流特征分析

試驗(yàn)分別測(cè)試丁壩的左側(cè)(B)、中部(C)和右側(cè)(D)的3條水位線,其計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比見圖2。

圖2 丁壩水位特征曲線

由圖2(a)可知,在相同水流流速條件下,經(jīng)過實(shí)際測(cè)量,當(dāng)距離丁壩中心軸線左側(cè)1m時(shí),水位為109.1mm;當(dāng)距離丁壩軸線左側(cè)0.25m時(shí),水位為108.9mm;當(dāng)距離丁壩軸線右側(cè)0.25m時(shí),水位為90.1mm;當(dāng)距離丁壩軸線右側(cè)2.75m時(shí),水位為88mm。由此可知,由于丁壩的存在,增大了水流的阻力,當(dāng)水流行至丁壩時(shí),由于丁壩的阻擋,水位較高;當(dāng)水流繞過丁壩后,水流失去了丁壩的阻擋,水位快速下降,然后逐漸趨于平穩(wěn)。

由圖2(b)可知,在相同水流流速條件下,經(jīng)過實(shí)際測(cè)量,當(dāng)距離丁壩中心軸線左側(cè)1m時(shí),水位為109.1mm;當(dāng)距離丁壩軸線左側(cè)0.25m時(shí),水位為101.3mm;當(dāng)距離丁壩軸線右側(cè)0.25m時(shí),水位為95.2mm;當(dāng)距離丁壩軸線右側(cè)2.75m時(shí),水位為85.2mm。由此可知,該部位處于丁壩壩頭位置,當(dāng)水流從上游行至丁壩,受丁壩壩體的阻擋,從壩頭繞過,水流流速呈線性變緩。由于水流的慣性作用,行進(jìn)的水流與壩后靜止的水流存在流速梯度,產(chǎn)生的切應(yīng)力帶動(dòng)靜止的水流流動(dòng)形成副流,然后在主流的攜帶下往下流流動(dòng),此時(shí)水位略有上升。隨著水流的持續(xù)流動(dòng),水位逐漸趨于平穩(wěn)。

由圖2(c)可知,在相同水流流速條件下,經(jīng)過實(shí)際測(cè)量,當(dāng)距離丁壩中心軸線左側(cè)1m時(shí),水位為105.3mm;當(dāng)距離丁壩軸線左側(cè)0.25m時(shí),水位為99.8mm;當(dāng)距離丁壩軸線右側(cè)0.25m時(shí),水位為97.2mm;當(dāng)距離丁壩軸線右側(cè)2.75m時(shí),水位為86.6mm。由此可知,水流繞過壩體,水位下降,隨著水流的持續(xù)流動(dòng),水位呈線性下降。當(dāng)流速趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),水位趨于平穩(wěn),變化較小。

由圖2可知,試驗(yàn)測(cè)量了丁壩的3條水位線,分析了水流的形態(tài)特征。在相同水流流速條件下,丁壩的存在,增大了水流的阻力;當(dāng)丁壩阻擋水流時(shí),水位上升;當(dāng)水流從壩頭繞過,水流流速變緩,水位逐漸降低;當(dāng)流速趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),水位趨于平穩(wěn)。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)比水位計(jì)算值,可得左側(cè)水位線實(shí)際測(cè)量平均數(shù)據(jù)與計(jì)算值偏差為0.8mm;中部水位線偏差為0.6mm;右側(cè)水位線偏差為1mm。結(jié)果表明,水位最大偏差為1mm,水位線實(shí)際測(cè)量平均數(shù)據(jù)與計(jì)算值基本吻合。

3.3 沖淤變形特征分析

選取丁壩斷面B、斷面C和斷面D進(jìn)行沖淤變形測(cè)試,各斷面的測(cè)試數(shù)據(jù)和計(jì)算值對(duì)比見圖3。其中,正值為淤積;負(fù)值為沖刷。

圖3 斷面沖淤特征曲線

由圖3(a)可知,在相同水流流速條件下,經(jīng)過實(shí)際測(cè)量,當(dāng)距左岸距離0.2m時(shí),淤積深度為2.19mm;當(dāng)距左岸距離0.5m時(shí),沖刷深度為11.7mm;當(dāng)距左岸距離0.7m時(shí),沖刷深度51mm;當(dāng)距左岸距離1.2m時(shí),沖刷深度為25.1mm;當(dāng)距左岸距離1.8m時(shí),沖刷深度為12.1mm。由此可知,當(dāng)水流從上游流近丁壩時(shí),在壩前分為兩部分:一部分壩前受阻形成漩渦水流;一部分繞過壩腳從壩頭往下游。在漩渦水流的作用下,部分泥沙滯留在壩腳,另一部分泥沙在慣性作用下,隨水流向下游運(yùn)動(dòng)。當(dāng)距左岸距離為0.7m時(shí),沖刷距離最大。

由圖3(b)可知,在相同水流流速條件下,經(jīng)過實(shí)際測(cè)量,當(dāng)距左岸距離0.2m時(shí),淤積深度為1.42mm;當(dāng)距左岸距離0.5m時(shí),淤積深度為5.53mm;當(dāng)距左岸距離0.7m時(shí),沖刷深度為36.9mm;當(dāng)距左岸距離1.2m時(shí),沖刷深度為34.7mm;當(dāng)距左岸距離1.8m時(shí),沖刷深度為16.3mm。由此可知,該部位處于丁壩壩頭位置,當(dāng)水流從上游行至壩頭,壩頭處的泥沙最先起動(dòng),因壩頭處的漩渦較小,水流在壩頭處形成淺沖刷帶,隨著水流的持續(xù)運(yùn)動(dòng),壩頭河床的泥沙被水流攜帶至下游,壩頭位置的沖刷坑逐漸形成?？拷野兜乃髁魉佥^小,水流攜沙能力較弱,隨著水流的持續(xù)運(yùn)動(dòng),離左岸越遠(yuǎn),泥沙淤積程度越高。

由圖3(c)可知,在相同水流流速條件下,經(jīng)過實(shí)際測(cè)量,當(dāng)距左岸距離0.2m時(shí),淤積深度為23.8mm;當(dāng)距左岸距離0.5m時(shí),淤積深度為27.1mm;當(dāng)距左岸距離0.7m時(shí),淤積深度為0.8mm;當(dāng)距左岸距離1.2m時(shí),淤積深度為16.8mm;當(dāng)距左岸距離1.7m時(shí),淤積深度為18.8mm。由此可知,當(dāng)部分水流攜帶著泥沙在水流漩渦的作用下,被帶到丁壩后方,在丁壩后方的負(fù)壓區(qū),泥沙沉落形成沖淤地帶,其余泥沙顆粒被帶向下游,隨著離壩軸線越遠(yuǎn),水流流速減小,攜沙能力減弱,泥沙逐漸沉積。而在離左岸1m左右距離,水流流速最大,水流攜沙能力最強(qiáng),故沖刷深度最大。

由圖3可知,試驗(yàn)測(cè)量了丁壩的3個(gè)斷面,分析了水流的沖刷形態(tài)。在相同水流流速條件下,水流從上游流近丁壩時(shí),在漩渦水流的作用下,部分泥沙滯留在壩腳,部分泥沙被水流攜帶至丁壩后方,在丁壩后方的負(fù)壓區(qū),泥沙沉落形成沖淤地帶。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)比水流沖淤計(jì)算值,可得斷面B的沖淤深度,實(shí)際測(cè)量平均數(shù)據(jù)與計(jì)算值偏差為3.6mm;斷面C的沖淤深度偏差為3.2mm;D斷面的沖淤深度偏差為4.8mm。結(jié)果表明,各斷面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算值的最大偏差保持在4.8mm范圍內(nèi),兩種數(shù)據(jù)基本保持一致。

4 結(jié) 論

通過模擬河道丁壩水流沖刷試驗(yàn),本文對(duì)丁壩的水流特征和沖淤形態(tài)進(jìn)行了分析,結(jié)論如下:

1)在相同水流流速條件下,丁壩的存在增大了水流的阻力。當(dāng)丁壩阻擋水流時(shí),水位上升;當(dāng)水流從壩頭繞過,水流流速變緩,水位逐漸降低;當(dāng)流速趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),水位趨于平穩(wěn)。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)比水位計(jì)算值,水位線實(shí)際測(cè)量平均數(shù)據(jù)與計(jì)算值基本吻合,水位最大偏差在1mm范圍內(nèi)。

2)在相同水流流速條件下,水流從上游流近丁壩時(shí),在漩渦水流的作用下,部分泥沙滯留在壩腳,部分泥沙被水流攜帶至丁壩后方,在丁壩后方的負(fù)壓區(qū),泥沙沉落形成沖淤地帶。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)比水流沖淤計(jì)算值,各斷面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算值基本保持一致,其最大偏差保持在4.8mm范圍內(nèi)。

3)隨著水流持續(xù)運(yùn)動(dòng),離壩軸線越遠(yuǎn),水流流速減小,泥沙沉積越多。在相同水流流速條件下,離壩頭越近,水流流速越快,沖刷深度越大。