常開(kāi)志

(貴州省畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)大河鄉(xiāng)人民政府,貴州 畢節(jié) 551718)

1 概 述

在治河工程中,丁壩是應(yīng)用廣泛的水工建筑物,長(zhǎng)丁壩可使水流動(dòng)力軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)趨向?qū)Π?短丁壩可調(diào)整水流保護(hù)河岸。丁壩的修建,局部改變了河流的流動(dòng)形態(tài),避免了河岸不受來(lái)流直接沖蝕。為了探求丁壩附近水流的流動(dòng)結(jié)構(gòu),學(xué)者們進(jìn)行了多方面研究。范曉飚等[1]對(duì)雙丁壩流場(chǎng)及回流特性進(jìn)行了數(shù)值研究,結(jié)果表明,當(dāng)壩距一定時(shí),隨著河寬縮窄率的增加,丁壩上游壅水高度及范圍增大,挑流作用增強(qiáng)。王榮華等[2]研究了空隙尺寸對(duì)透水丁壩局部沖刷的影響,結(jié)果表明,壩后沖刷坑深度和體積與空隙尺寸呈負(fù)相關(guān)性。劉丹丹等[3]研究了不同丁壩間距對(duì)水流特性的影響,結(jié)果表明,最下游丁壩回流長(zhǎng)度隨著丁壩間距的減小而減小。池苗苗[4]研究了透水群樁丁壩對(duì)水流特性影響,結(jié)果表明,在交錯(cuò)排列工況下,群樁下游水流流速?gòu)闹髁飨蚝影吨饾u減速。黃碩等[5]對(duì)河口航道雙丁壩影響下異重流運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,雙丁壩改變了航道內(nèi)的流場(chǎng),異重流在經(jīng)過(guò)束窄斷面后會(huì)向第二個(gè)丁壩后部區(qū)域橫向擴(kuò)散。彭秀竹等[6]對(duì)黃河下游透水丁壩瞬潰后水力及沖淤特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,潰壩對(duì)主槽的輸沙能力影響較弱,但顯著影響了壩區(qū)泥沙的起動(dòng)和沉降。

上述文獻(xiàn)對(duì)丁壩流場(chǎng)及回流特性進(jìn)行了研究,并分析了不同丁壩參數(shù)對(duì)水流特性的影響。本文參考以上文獻(xiàn)研究成果,通過(guò)水槽試驗(yàn),研究不同形狀丁壩對(duì)彎道沿程水面線的影響,分析無(wú)丁壩時(shí)沿程水面線變化、丁壩斷面不同時(shí)沿程水面線變化以及二級(jí)丁壩長(zhǎng)度不同和多級(jí)丁壩級(jí)數(shù)改變時(shí)沿程水面線變化。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)在室內(nèi)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,試驗(yàn)水槽為U形高精度變坡水槽,見(jiàn)圖1。水槽上游和下游直線段長(zhǎng)度15m,上下游直線段由180°彎道連接,彎道中心線半徑2.2m,水槽寬度0.8m,高度1.0m。水槽由槽身、水槽支架、自動(dòng)變坡系統(tǒng)以及供水和回水系統(tǒng)組成。水槽入水口設(shè)有儲(chǔ)水池,在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),采用水泵將水抽入儲(chǔ)水池,水流經(jīng)過(guò)儲(chǔ)水池進(jìn)入水槽入水口,從入水口流入水槽內(nèi),隨后流經(jīng)整個(gè)水槽,最后經(jīng)過(guò)水槽尾門(mén)進(jìn)入回水系統(tǒng)。為了模擬明渠均勻流,設(shè)置水槽的底坡為0.2%的順坡。

圖1 U形變坡水槽

水流流量由供水系統(tǒng)控制水泵的流量完成,水流流速采用PIV流速測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量,該設(shè)備能在同一瞬態(tài)記錄下大量空間點(diǎn)上的速度分布信息。水位測(cè)量采用超聲波水位測(cè)量?jī)x,該設(shè)備固定在水槽測(cè)量斷面上方,與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接,可實(shí)時(shí)測(cè)量水位變化。

2.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)主要研究不同形狀的丁壩對(duì)彎道沿程水面線的影響。試驗(yàn)設(shè)置4種不同形狀的丁壩,分別為單級(jí)丁壩、長(zhǎng)二級(jí)丁壩、短二級(jí)丁壩和三級(jí)丁壩,丁壩采用透明有機(jī)玻璃制成,丁壩形狀見(jiàn)圖2。

圖2 各丁壩形狀示意圖(單位:mm)

設(shè)置單級(jí)丁壩、長(zhǎng)二級(jí)丁壩和三級(jí)丁壩的擋水面積基本一致,擋水面積均控制在51～51.4cm2范圍內(nèi),所有丁壩的厚度均為3cm。將丁壩設(shè)置彎道進(jìn)口凹岸處,該位置斷面與彎道進(jìn)口斷面夾角為45°,根據(jù)丁壩形狀,共設(shè)計(jì)5種不同的工況,見(jiàn)表1。本次試驗(yàn)水流流量控制在0.05m3/s,水槽中水流深度控制在0.15m。

表1 試驗(yàn)工況

在水槽不同位置設(shè)置7個(gè)流速斷面,流速斷面與水槽彎道進(jìn)口斷面夾角分別為10°、25°、45°、60°、90°、135°、175°,將流速測(cè)量斷面編號(hào)為L(zhǎng)1-L7。在水槽彎道附近設(shè)置11個(gè)水位測(cè)量斷面,彎道處的水位測(cè)量斷面每間隔30°設(shè)置一個(gè),并在丁壩前后位置各增加1個(gè),共增加2個(gè)水位測(cè)量斷面,以水流方向?yàn)榛鶞?zhǔn),水位測(cè)量點(diǎn)設(shè)置在距左右兩岸0.2m附近,將水位測(cè)量斷面編號(hào)為S1-S11。各流速斷面、水位斷面及丁壩位置見(jiàn)圖3。

圖3 斷面及丁壩位置分布圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 無(wú)丁壩時(shí)沿程水面線變化

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),無(wú)丁壩時(shí)沿程水面線變化見(jiàn)圖4。

圖4 無(wú)丁壩時(shí)水面線變化

由圖4可知,當(dāng)水流由直線水槽進(jìn)入彎道內(nèi),在慣性作用下,在彎道內(nèi)產(chǎn)生離心力;在離心力作用下,水流在凹岸的水面線高于凸岸。凹岸水位從S1斷面到S2斷面過(guò)程中,快速上升;經(jīng)過(guò)S2斷面后,水位保持平穩(wěn);經(jīng)過(guò)S4斷面后,水位繼續(xù)上升;在S9斷面時(shí),快速減小,然后再增大;到達(dá)S11斷面時(shí),水位達(dá)到最大,最大值為16.7cm。凸岸水位從S1斷面到S4斷面時(shí),小幅度減小;經(jīng)過(guò)S4斷面后,再逐漸增大;到達(dá)S6斷面后再減小,然后再逐漸增大;經(jīng)過(guò)S9斷面后,水位大幅度上升;在S11斷面時(shí),水位達(dá)到最大,最大值為16.8cm。在水流進(jìn)入彎道時(shí),凹岸的水位大于凸岸;在水流離開(kāi)彎道時(shí),凸岸的水位大于凹岸。

3.2 丁壩斷面不同時(shí)沿程水面線變化

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),丁壩斷面不同時(shí)沿程水面線變化見(jiàn)圖5。

圖5 丁壩斷面不同時(shí)水面線變化

由圖5可知,單級(jí)丁壩的水位變化與二級(jí)丁壩的水位變化基本相同。在彎道凹岸區(qū)域,由于丁壩的阻水作用,單級(jí)丁壩和二級(jí)丁壩的水位均快速增大,在S3斷面時(shí),水位達(dá)到最大,最大值均為18.2cm;水流經(jīng)過(guò)S3斷面后,水位大幅度下降;在S4斷面水位達(dá)到最小,最小值均為14cm;在丁壩約束水流的作用下,水位經(jīng)過(guò)S4斷面后快速上升,在該階段,工況1水位上升速度大于工況2;在斷面S8時(shí),兩個(gè)工況水位基本保持一致;水流經(jīng)過(guò)S8斷面后,水位變化減小。在彎道凸岸區(qū)域,工況2水位先減小再增大,而工況3水位先增大再減小然后再增大;由于丁壩束窄水流的作用,水流面積減小,流速增大,水位在S5斷面區(qū)域降到最低,最小值均為12.3cm;水流經(jīng)過(guò)S5斷面后,丁壩束窄水流作用減弱,水位快速上升;在斷面S9時(shí),兩個(gè)工況水位基本保持一致;在S11斷面時(shí)水位變化減小,基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 二級(jí)丁壩長(zhǎng)度不同時(shí)沿程水面線變化

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),二級(jí)丁壩改變長(zhǎng)度時(shí)沿程水面線變化見(jiàn)圖6。

圖6 二級(jí)丁壩長(zhǎng)度不同時(shí)水面線變化

由圖6可知,當(dāng)二級(jí)丁壩第二級(jí)長(zhǎng)度減小時(shí),工況3和工況4的沿程水位變化趨勢(shì)基本相同,相較于工況4,工況3沿程水位變化幅度大,上升和下降變化顯著。在彎道凹岸區(qū)域,工況3和工況4的水位均先增大再減小,然后再增大,由于丁壩的阻水作用,工況3和工況4的水位均在S3斷面達(dá)到最大;水流經(jīng)過(guò)S3斷面后,由于丁壩束窄水流的作用,水流流速增大;水位在S4斷面區(qū)域降到最低,工況3和工況4最低水位分別為14、14.6cm;隨著水流的持續(xù)前行,水位快速上升,到達(dá)S9斷面時(shí),兩個(gè)工況的水位基本保持一致。在彎道凸岸區(qū)域,工況3的水位先增大再快速減小,然后再增大,工況4水位先減小再增大;在水流到達(dá)S5斷面時(shí),工況3和工況4水位均達(dá)到最低,最低值分別為12.3、14cm,工況3水位下降幅度大,變化顯著;水流經(jīng)過(guò)S5斷面后,丁壩束窄水流作用減弱,水位快速上升,到達(dá)S11斷面時(shí),水位基本相等。隨著二級(jí)丁壩第二級(jí)長(zhǎng)度的增加,丁壩的阻水作用增大,水槽內(nèi)壅水高度相應(yīng)增大,丁壩上游和下游水位差隨之增大。

3.4 多級(jí)丁壩級(jí)數(shù)改變時(shí)沿程水面線變化

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),多級(jí)丁壩級(jí)數(shù)改變時(shí)沿程水面線變化見(jiàn)圖7。

圖7 多級(jí)丁壩級(jí)數(shù)改變時(shí)水面線變化

由圖7可知,當(dāng)丁壩級(jí)數(shù)從二級(jí)變?yōu)槿?jí)時(shí),工況3和工況5的沿程水位變化趨勢(shì)基本相同。在彎道凹岸區(qū)域,由于丁壩的阻水作用,二級(jí)丁壩和三級(jí)丁壩的水位均快速增大,在S3斷面時(shí),水位達(dá)到最大,最大值分別為18.3、18.5cm;水流經(jīng)過(guò)S3斷面后,水位大幅度下降,工況3在S4斷面水位達(dá)到最小,工況5在S5斷面水位達(dá)到最小,最小值分別為14、13.8cm;在丁壩約束水流的作用下,水位快速上升,在斷面S6時(shí),兩個(gè)工況水位基本保持一致;水流經(jīng)過(guò)S8斷面后,兩個(gè)工況水位均小幅度變化,在斷面S11時(shí),水位基本保持相同。在彎道凸岸區(qū)域,工況5水位先減小再增大,而工況3水位先增大再減小然后再增大;由于丁壩束窄水流的作用,水流面積減小,流速增大,工況3和工況5水位在S5斷面區(qū)域降到最小,最小值分別為12.3、11.2cm;水流經(jīng)過(guò)S5斷面后,丁壩束窄水流作用減弱,水位快速上升,在斷面S11時(shí),兩個(gè)工況水位基本保持一致。在丁壩下游,工況3的水位始終大于工況5,丁壩級(jí)數(shù)的增加減小下游水位的上升,丁壩級(jí)數(shù)越少,水位越高。

3.5 丁壩不同形狀時(shí)沿程水面線變化匯總

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),丁壩不同形狀時(shí)沿程水面線變化匯總,見(jiàn)圖8。

圖8 丁壩不同形狀時(shí)水面線變化

由圖8(a)可知,當(dāng)水槽彎道處未設(shè)置丁壩時(shí),水流在彎道處凹岸的水位變化平緩,在流出彎道后水位快速上升,到達(dá)S11斷面時(shí),水位達(dá)到最大。當(dāng)彎道設(shè)置丁壩后,在水槽彎道凹岸處,工況2-工況5沿程水位變化趨勢(shì)基本相同,隨著水流流入彎道,由于丁壩的阻水作用,水位逐漸上升,在S3斷面水位達(dá)到最大;水流經(jīng)過(guò)S3斷面后水位快速下降,在丁壩束窄河流的作用下,水位在S4斷面-S5斷面范圍內(nèi)下降到最低;隨著水流持續(xù)流動(dòng),水位大幅度升高,在彎道出口呈小幅度變化,然后逐漸趨于平穩(wěn)。

由圖8(b)可知,當(dāng)水槽彎道處未設(shè)置丁壩時(shí),水流在彎道處凸岸的水位變化平緩,在流出彎道后水位快速上升,到達(dá)S11斷面時(shí),水位達(dá)到最大。當(dāng)彎道設(shè)置丁壩后,由于丁壩束窄水流的作用,在水槽彎道凸岸處,水位快速下降,到達(dá)S5斷面時(shí),水位降到最低;隨著水流的持續(xù)流動(dòng),水位快速上升,當(dāng)?shù)竭_(dá)S10斷面時(shí),各工況水位基本一致,變化不大。

由圖8可知,當(dāng)水槽彎道處未設(shè)置丁壩時(shí),在彎道處的兩岸,水位變化平緩,水流在慣性作用下,凹岸處的水位大于凸岸處;當(dāng)水槽彎道處設(shè)置丁壩后,工況4沿程水位變化最小,工況5沿程水位變化最大,其阻水作用最強(qiáng)。不同形狀的丁壩對(duì)水面線的影響均集中在水槽彎道處,當(dāng)水流流出彎道后,水位變化趨勢(shì)減小,逐漸趨于平穩(wěn)。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)水槽試驗(yàn),研究了不同形狀丁壩對(duì)彎道沿程水面線的影響,分析了無(wú)丁壩時(shí)沿程水面線變化、丁壩斷面不同時(shí)沿程水面線變化以及二級(jí)丁壩長(zhǎng)度不同和多級(jí)丁壩級(jí)數(shù)改變時(shí)沿程水面線變化。結(jié)論如下:

1)當(dāng)水槽彎道未設(shè)置丁壩時(shí),在彎道處的凹凸兩岸,水位變化平緩,且凹岸處的水位大于凸岸處。當(dāng)水槽彎道設(shè)置的丁壩斷面不同時(shí),單級(jí)丁壩的水位變化與二級(jí)丁壩基本相同,在彎道凹岸區(qū)域,水流到達(dá)S3斷面時(shí),水位最大;到達(dá)S4斷面時(shí),水位最小。在彎道凸岸區(qū)域,水流到達(dá)S5斷面時(shí),水位最小;到達(dá)S11斷面時(shí),水位趨于平穩(wěn)。

2)當(dāng)二級(jí)丁壩第二級(jí)長(zhǎng)度減小時(shí),在彎道凹岸區(qū)域,水位在S3斷面時(shí)最大,在S4斷面時(shí)最小;在彎道凸岸區(qū)域,水位在S4斷面時(shí)最小,丁壩第二級(jí)長(zhǎng)度增大,阻水作用隨之增大。當(dāng)丁壩級(jí)數(shù)從二級(jí)變?yōu)槿?jí)時(shí),在彎道凹岸區(qū)域,水位在S3斷面時(shí)最大,在S4-S5斷面范圍內(nèi)最小;在彎道凸岸區(qū)域,水位在S5斷面時(shí)最小,且丁壩級(jí)數(shù)越多,水位越高。

3)當(dāng)水槽彎道處設(shè)置丁壩后,短板二級(jí)丁壩沿程水位變化最小,三級(jí)丁壩沿程水位變化最大,其阻水作用最強(qiáng);不同形狀的丁壩對(duì)水面線的影響均集中在水槽彎道處,當(dāng)水流流出彎道后,水位趨于平穩(wěn)。