臺階式丁壩水動力特性及防沖效應(yīng)

丁晶晶，陸 彥，陸永軍

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，江蘇南京 210029)

丁壩是一種常見的航道整治建筑物，在改善航道條件、保護(hù)岸灘以及保持水生環(huán)境多樣性等方面發(fā)揮著重要作用。而另一方面，丁壩壩頭床面往往由于壩頭復(fù)雜的水流動力而形成局部沖刷坑，降低了壩體的穩(wěn)定性，容易誘發(fā)丁壩水毀。為此，很多學(xué)者在丁壩壩頭局部沖刷的形成機(jī)理方面做了大量研究[1-6]，這些研究普遍認(rèn)為，壩頭的水流結(jié)構(gòu)主要包括壩頭集中繞流、下潛流及壩頭后方豎軸漩渦，三者的綜合作用是產(chǎn)生壩頭局部沖刷而導(dǎo)致丁壩水毀的主要動力。據(jù)此，人們采取了各種各樣的措施來控制壩頭局部沖刷坑的發(fā)展，這些措施或減弱丁壩附近水流動力，如合理設(shè)置丁壩壩長、壩高、間距、挑角等，以盡量平順壩頭水流[7-8]；或提高壩頭附近床面的抗沖性，如壩頭采用拋石、拋異形塊或混凝土鉸鏈排等墊層護(hù)底[9-10]；或兩者結(jié)合，如采用四面體透水框架護(hù)腳，兼具減速和防沖兩方面的功能效果[11]。此外，為防治丁壩水毀，很多新型的丁壩結(jié)構(gòu)形式也得到了相應(yīng)研究，如W.S.J.Uijttewaal[12]提出了下部為常規(guī)丁壩，上部為透水樁壩的組合式丁壩；周銀軍等[13]研究了樁式透水丁壩水流及沖淤特性；王振等[14]研究了鉛絲籠丁壩附近的水流特性。

針對壩頭主要的水流動力，本文提出一種新型丁壩結(jié)構(gòu)形式，即將傳統(tǒng)的順坡式壩頭設(shè)置成臺階式，以期利用各級臺階分散壩頭繞流，同時利用臺階臺面阻擋下潛流。本文通過定床和動床水槽試驗研究其改善壩頭水流條件，減小壩頭局部沖刷的效果。

1 臺階式丁壩周圍水動力特性研究

1.1 試驗設(shè)計

(a) 常規(guī)丁壩 (b) 三級臺階丁壩圖1 臺階式丁壩模型結(jié)構(gòu)(單位： cm)Fig.1 Schematics of experimental spur dike models (unit: cm)

臺階式丁壩周圍的水動力特性研究主要通過定床試驗，在矩形變坡水槽中進(jìn)行。水槽長42 m，寬0.8 m，深0.8 m，坡度可調(diào)范圍為1/400～1/60。水槽通過時差式超聲波流量計控制進(jìn)口流量，通過尾門控制試驗水深，試驗中利用聲學(xué)多普勒流速儀(Acoustic Doppler Velocimeter)ADV分別測量丁壩周圍近底(距床面約3 mm)水流特征值。定床試驗采用的常規(guī)丁壩及臺階式丁壩均為木質(zhì)，通過鉚釘安裝于水槽底部，丁壩軸線與水流方向垂直。常規(guī)丁壩模型壩高10 cm，壩身長20 cm，丁壩上、下游邊坡相同，均為2:1，壩頭坡度為1:1。臺階式丁壩與常規(guī)丁壩尺寸基本相同，唯一區(qū)別在于壩頭是否設(shè)置臺階。為使丁壩擋水效果盡量接近，臺階式丁壩結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)其擋水面積與常規(guī)丁壩擋水面積相等而確定。試驗丁壩結(jié)構(gòu)形式及尺寸如圖1。定床水動力試驗考慮非淹沒及淹沒2種水流條件下的比較，兩種水流條件分別為Q=12 L/s，H=10 cm和Q=24 L/s，H=20 cm。

1.2 試驗結(jié)果及分析

1.2.1時均流速分布 臺階式壩頭通過各級臺階逐級分散壩頭的集中繞流，各級臺階形成的集中繞流相互錯開，使得上一級臺階的繞流無法與下級臺階產(chǎn)生的繞流產(chǎn)生疊加作用，這樣的逐級分散集中繞流，使得最下一級臺階產(chǎn)生的集中繞流得到很大程度的緩解。圖2給出了2級流量下時均流速Umag的分布。通過對比分析，常規(guī)丁壩和臺階丁壩形式壩頭均存在集中繞流，而無論是淹沒還是非淹沒狀態(tài)下，臺階式丁壩壩頭近底流速均有大幅減小，并且由于臺階臺面的挑流作用，最大流速區(qū)向下游推移，有遠(yuǎn)離壩頭的趨勢。

(a) 常規(guī)丁壩(Q=12 L/s，H=10 cm) (b) 臺階式丁壩(Q=12 L/s，H=10 cm)

(c) 常規(guī)丁壩(Q=24 L/s，H=20 cm) (d) 臺階式丁壩(Q=24 L/s，H=20 cm)圖2 時均流速Umag的分布(單位：cm/s)Fig.2 Contours of mean velocity (unit：cm/s)

1.2.2壩頭下潛流 圖3為壩頭周圍下潛流分布。從圖中可見，臺階平臺對下潛流起著逐級阻擋的作用；與常規(guī)丁壩相比，至床面時下潛流流速已顯著減小。另外，從圖4丁壩斷面流速矢量圖中可見，與常規(guī)丁壩相比，臺階式下潛流角度相對要緩得多，避免了壩頭下潛流直接沖擊床面，對減小局部沖刷坑深度有利。

(a) 常規(guī)丁壩(Q=12 L/s，H=10 cm) (b) 臺階式丁壩(Q=12 L/s，H=10 cm)

(c) 常規(guī)丁壩(Q=24 L/s，H=20 cm) (d) 臺階式丁壩(Q=24 L/s，H=20 cm)圖3 壩頭下潛流分布(單位： cm/s)Fig.3 Contours of down-flow (unit： cm/s)

1.2.3壩頭渦量強(qiáng)度分布 ADV無法直接測得漩渦的大小，可以利用渦量強(qiáng)度的分布來表示壩頭脫離渦的強(qiáng)弱。渦量強(qiáng)度是用來描述流體旋轉(zhuǎn)的物理量，其方向符合右手法則，平面渦量強(qiáng)度根據(jù)ADV實測的平均流速由式(1)計算：

(1)

式中：Ω為平面渦量強(qiáng)度；ω為旋轉(zhuǎn)角速度；u，v為分別為ADV實測的縱向和橫向的時均流速，△x，△y分別縱向和橫向的測點(diǎn)間距。

圖5為丁壩周圍渦量強(qiáng)度的分布。從圖中可見，臺階式壩頭的渦量強(qiáng)度均有一定程度的減小，強(qiáng)渦量范圍也相應(yīng)減小。具體表現(xiàn)為：一方面由于臺階式壩頭集中繞流有一定的減弱，壩頭流速梯度相應(yīng)減小，消弱了壩頭漩渦產(chǎn)生的條件；另一方面，水流在上一級臺階分離產(chǎn)生的渦流與在下一級臺階產(chǎn)生的渦流相互錯開，且脫離渦旋轉(zhuǎn)方向相同，在兩渦之間交界面上旋轉(zhuǎn)速度相反，在一定程度上相互抵消，相應(yīng)地也減弱了脫離渦的渦量強(qiáng)度。

(a) 常規(guī)丁壩(Q=12 L/s，H=10 cm) (b) 臺階式丁壩(Q=12 L/s，H=10 cm)

(c) 常規(guī)丁壩(Q=24 L/s，H=20 cm) (d) 臺階式丁壩(Q=24 L/s，H=20 cm)圖5 渦量強(qiáng)度分布(單位： s-1)Fig.5 Contours of vorticity (unit： s-1)

2 臺階式壩頭沖淤特性

從臺階丁壩水動力特性試驗來看，臺階式丁壩有利于減弱近壩頭區(qū)的水動力強(qiáng)度，并使得最大紊動強(qiáng)度區(qū)相應(yīng)外移，這些都有利于壩頭穩(wěn)定。動床試驗主要目的是驗證臺階壩頭減小局部沖刷的效果，并研究臺階尺度對減小沖刷效果的影響。

2.1 試驗設(shè)計

動床試驗在平坡水槽中進(jìn)行，水槽長60 m，寬4 m，深0.5 m。平坡水槽試驗流量通過進(jìn)口處矩形薄壁堰控制，試驗水深通過尾門控制；動床試驗段位于水槽中段，長約10 m，鋪沙厚度0.3 m；在下游近尾門處設(shè)置沉沙池，防止模型沙隨水流進(jìn)入水庫。

常規(guī)丁壩模型高約6 cm，長1 m，迎水坡1:1.5，背水坡1:2，壩頭坡比1:5；臺階式丁壩模型尺寸參數(shù)與常規(guī)丁壩模型類似，不同在于壩頭是否設(shè)置臺階。模型沙采用均勻木屑，d50=0.11 mm，ρ=1.13 t/m3，不均勻系數(shù)σ=1.05。另外在相同水流條件下，壩頭沖刷與過流斷面的束窄程度有關(guān)，試驗中使臺階式丁壩與常規(guī)丁壩具有相同的擋水面積，近似地認(rèn)為其束水程度相同。試驗方案的選擇主要考慮臺階式丁壩的臺階級數(shù)、寬度及壩身是否設(shè)置臺階等對壩頭局部沖刷的影響。試驗中的地形測量采用清華大學(xué)尚水公司生產(chǎn)的超聲地形自動測量系統(tǒng)，測量精度±1 mm。為簡化起見，臺階壩頭每一級的高度將按級數(shù)平均分配。各組次的試驗條件見表1。

表1 試驗組次和試驗條件Tab.1 Experimental conditions

試驗流量同樣考慮非淹沒和淹沒兩種組次，分別為Q=26.81 L/s，H=6 cm和Q=81.0 L/s，H=10.2 cm。試驗中，通過超聲波地形儀量測局部沖刷坑深度，當(dāng)沖刷坑深度基本不再變化時，試驗即停止。

2.2 試驗結(jié)果及分析

2.2.1沖淤特性 組次A0為常規(guī)丁壩，不管淹沒或非淹沒條件下，實體丁壩壩頭都形成了較大的局部沖刷坑，非淹沒工況時，沖刷坑最大深度為16 cm，淹沒條件下最大深度為24 cm，并且最大沖深處均緊貼壩頭，對壩頭的穩(wěn)定不利(見圖6)。

(a) Q=26.81 L/s，H=6.0 cm (b) Q=81.0 L/s，H=10.2 cm圖6 A0組次，常規(guī)丁壩沖淤地形(單位： cm)Fig.6 Contours of local scour around the conventional spur dike in Case A0 (unit: cm)

不同規(guī)格的臺階式丁壩沖刷地形圖中可以看出，臺階的存在，對下潛流有很好的抑制作用，同時臺階臺面對壩頭繞流起到挑流作用。這兩種作用在沖刷地形上表現(xiàn)為，局部沖刷坑最大深度相應(yīng)減小，最大沖刷坑位置也遠(yuǎn)離壩頭，有利于壩體穩(wěn)定。表2統(tǒng)計了各臺階丁壩壩頭的最大沖刷坑，臺階壩頭的設(shè)置可以使壩頭局部沖刷坑減小20%以上，最大能達(dá)到50%。

表2 各組次沖刷坑最大深度Tab.2 The maximum scour depth of every case

2.2.2壩頭臺階級數(shù)對沖刷坑的影響 為分析臺階式壩頭臺階級數(shù)對沖刷坑的影響，選擇A2(2級)和A3(3級)2個方案進(jìn)行比較，這兩種方案壩高相同，且臺階寬度相同，均為5 cm。

圖7和8分別給出了2級和3級臺階時，沖刷完成后的地形等值線圖。可見，不管是2級還是3級臺階，壩頭沖刷坑深度均有很大程度的減小。臺階式壩頭主要作用是在逐級阻擋下潛流的同時，分級向外挑出每級壩頭的集中繞流。相對來說，級數(shù)越多，最底一級壩頭處床面所承受下潛流及集中繞流越小，同時，壩頭后方形成的脫離渦的動力也越弱，所以臺階級數(shù)越多的丁壩其減小局部沖刷的效果越好。在Q=26.81 L/s和Q=81.0 L/s條件下，2級臺階壩頭沖刷坑深度減小幅度分別達(dá)25%和20%，3級臺階壩頭的分別達(dá)25%和29%，3級臺階減小局部沖刷坑深度的效果要優(yōu)于2級臺階壩頭；此外，從最大沖刷坑位置來看，與2級臺階壩頭相比，3級臺階壩頭處最大沖刷坑位置明顯外移，對穩(wěn)定壩頭更有利。而2級臺階時，由于最底一級壩頭高度相對較大，壩頭處下潛流及集中繞流也相對較大，致使壩頭沖刷坑深度較深，位置也緊貼壩頭。

(a) Q=26.81 L/s，H=6.0 cm (b) Q=81.0 L/s，H=10.2 cm圖7 組次A2沖淤地形(單位： cm)Fig.7 Contours of local scour around the spur dike with stepped head in Case A2 (unit: cm)

(a) Q=26.81 L/s，H=6.0 cm (b) Q=81.0 L/s，H=10.2 cm圖8 組次A3沖淤地形(單位： cm)Fig.8 Contours of local scour around the spur dike with stepped head in Case A3 (unit: cm)

2.2.3壩頭臺階寬度對沖刷坑的影響 對比A1(圖9)和A2(圖7)組次，均為2級臺階，寬度分別為2和5 cm。臺階寬度越大，意味著對下潛流阻擋效果越好，隨著壩頭臺階寬度的增大，其最大沖刷坑深度相應(yīng)減小，在Q=26.81 L/s和Q=81.0 L/s條件下，臺階寬度為2 cm壩頭沖刷坑深度減小分別達(dá)到19%和20%，5 cm寬度的臺階式壩頭局部沖刷坑減小分別達(dá)到25%和20%。此外，從圖中可見，較寬臺階臺面的挑流效果更好，最大沖刷坑深度相應(yīng)外移，有利于壩體穩(wěn)定。

(a) Q=26.81 L/s，H=6.0 cm (b) Q=81.0 L/s，H=10.2 cm圖9 組次A1沖淤地形(單位： cm)Fig.9 Contours of local scour around the spur dike with stepped head in Case A1 (unit: cm)

2.2.4壩身設(shè)置臺階對沖刷坑的影響 對比A3(圖8)和A4(圖10)兩試驗組次，均為3級臺階，且寬度均為5 cm，其中A4方案壩身下游側(cè)設(shè)置與壩頭同寬的臺階。

從圖10可見， A4組次即在壩身下游邊坡采用臺階式，沖刷坑深度明顯減小，在2級流量下，最大沖刷坑深度減小達(dá)到56%和41%，同時，位置也明顯外移。這是因為，壩頭繞流時，最大下潛流及壩頭脫離渦的形成位置主要位于壩頭下游側(cè)，壩身下游設(shè)置臺階，相當(dāng)于增大了該處的防護(hù)寬度，更有利于阻擋下潛流及漩渦對壩頭床面的直接作用，挑流作用也更明顯。

(a) Q=26.81 L/s，H=6.0 cm (b) Q=81.0 L/s，H=10.2 cm圖10 方案A4沖淤地形(單位： cm)Fig.10 Contours of local scour around the spur dike with stepped head in Case A4 (unit: cm)

3 結(jié) 語

根據(jù)對壩頭局部沖刷主要動力的研究，提出了設(shè)置臺階式壩頭的新型丁壩結(jié)構(gòu)型式，以減弱壩頭的水流動力，并通過水槽試驗研究了臺階式壩頭的水動力特性及沖淤特性。研究表明，丁壩壩頭的臺階能逐級分散壩頭的集中繞流和分離流，同時，臺階臺面也能逐級阻擋壩頭下潛流，并具有挑流作用，使得近壩頭區(qū)床面處水動力得以減弱，最大流速或最大紊動強(qiáng)度區(qū)相應(yīng)外移。相應(yīng)地，壩頭局部沖刷坑深度得到很大程度的控制，且最大沖刷坑位置遠(yuǎn)離壩頭，有利于壩頭穩(wěn)定。試驗還研究了臺階級數(shù)、寬度以及壩身邊坡是否設(shè)置臺階等對局部沖刷的影響，研究表明臺階級數(shù)越多，寬度越寬，其減小局部沖刷的效果越好；壩身下游邊坡設(shè)置臺階增大了臺階臺面阻擋下潛流及挑流的面積，從而提高了控制局部沖刷的效果。

參 考 文 獻(xiàn)：

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