淹沒雙丁壩局部水頭損失的研究

【摘要】基于單丁壩水頭損失研究的基礎(chǔ)上，借助相關(guān)的試驗資料進行分析，總結(jié)了影響雙丁壩局部水頭損失的因素，并對雙丁壩局部水頭損失進行了分析，確定了雙丁壩局部水頭損失計算方法。

【關(guān)鍵詞】雙丁壩；水頭損失；計算方法

1、引言

越過淹沒丁壩體的水流現(xiàn)象比較復雜，漩渦是造成能量損失的主要原因。漩渦是在在壩頭和壩頂產(chǎn)生的，其在運動初期主要是從從主流中獲取能量，強度逐漸增大，但隨著漩渦向下游的移動，由于其尺度不斷增大，所以周圍水流對其阻力也逐漸增大，最終使得漩渦的強度逐漸減弱。漩渦在產(chǎn)生、運行、分裂和合并過程中，必然造成主流能量的損失，這種主流能量的分散與消耗就是淹沒丁壩的局部水頭損失。

2、淹沒雙丁壩局部水頭損失的分析

2.1 淹沒雙丁壩下游丁壩阻擋流量的確定

局部水頭損失系數(shù)采用無量綱水流壓縮系數(shù)為特征因子，其中Q為斷面總流量，為丁壩阻擋流量。由于上丁壩的存在使得流場發(fā)生變化，下丁壩的阻擋流量不同于上丁壩的阻擋流量，所以怎樣確定下丁壩的阻擋流量成了解決雙丁壩局部水頭損失的關(guān)鍵所在。丁壩的存在使得主槽流量發(fā)生變化，其隨著距離變化的公式如下：

（1）

其中，，；表示壩高，H表示水深，是丁壩的幾何長度；B表示河床寬度，表示丁壩斷面無壩時的平均流速，U表示斷面流速。表示丁壩斷面到收縮斷面的距離，表示丁壩斷面主槽的平均流速。

結(jié)合上式與過壩流量計算公式即可求出丁壩下游某一斷面x=S處的主槽平均流速，從而可求出主槽流量和壩區(qū)流量。假設(shè) 計算出的主槽流速為，那么在x=S處的主槽流量為：

（2）

壩區(qū)流量沿程的變化可用下式表示：

（3）

但由于丁壩壩區(qū)與主槽之間存在流量交換，從主槽流入壩區(qū)的流量的流速分布，不能等同于按過壩流量計算的流速分布，它們之間的相互作用會形成新的流速分布。N.Rajaratnam和D.naraHarra通過研究得知：對于壩高比壩長小的多的丁壩，其下游垂向流速分布可近似的用指數(shù)分布表示：

（4）

式中：v為垂線上某點的速度；m為指數(shù)，一般取6；V為垂線平均流速。

丁壩下游x=S的斷面上壩區(qū)流量可以表示為：

（5）

在第二條丁壩建壩前丁壩長度范圍內(nèi)的平均流速，由下式可求得：

（6）

阻擋流量的可以表示為下式：

（7）

將式（6）代入式（7）可得：

（8）

2.2 淹沒雙丁壩局部水頭損失的確定

孔祥柏等通理論上過理論分析獲得非淹沒丁壩局部水頭的計算公式。淹沒丁壩與非淹沒丁壩不同的就是淹沒損失系數(shù)，應強通過試驗分析給出了淹沒單丁壩局部水頭損失計算公式：

（9）

為了簡化，取流速為建壩前斷面平均流速，通過試驗資料繪點分析確定與的關(guān)系如下：

（10）

計算出丁壩的阻擋流量后，在水槽槽率、來流流量和丁壩幾何尺寸已知的情況下，可根據(jù)式（8）和式（11）求出淹沒雙丁壩的第二條丁壩的阻擋流量和局部水頭損失，只需將第一條丁壩和第二條丁壩的局部水頭損失相互疊加，就可得到淹沒雙丁壩局部水頭損失。

（11）

3、總結(jié)

淹沒雙丁壩局部水頭損失主要取決于丁壩幾何尺寸、丁壩間距、來流量以及淹沒程度。水頭損失隨丁壩長度和丁壩壩高的增加而增加；當來流量很大時，局部水頭損失隨丁壩間距的的改變也會有一定的變化，但變化不是很大。由于雙丁壩是最簡單的丁壩群，所以本文得出的雙丁壩局部水頭損失計算公式可以為淹沒丁壩群局部水頭損失的計算提供一定的參考依據(jù)。

參考文獻：

[1]Rajaratnam N，Nwachukwu B A. Flow near groin-like structures。Journal of Hydraulic Engineering ，ASCE，1983，109（3）：463-482

[2]孔祥柏，程年生.丁潛壩局部水頭損失的試驗研究. 水利水運科學研究，1992，（4）：387～395.