淹水堆石體溢流特性實(shí)驗(yàn)室水槽實(shí)驗(yàn)分析探究

余啟飛 劉建祖

(1.江西水利職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330013；2.江西省宜春市袁州區(qū)水務(wù)局，江西 宜春 336000)

淹水堆石體特有的結(jié)構(gòu)和溢流特性，使其成為生態(tài)潛壩、淹水壩經(jīng)常選用的一種水工結(jié)構(gòu)。本文通過實(shí)驗(yàn)室水槽實(shí)驗(yàn)，對(duì)淹水堆石體溢流特性進(jìn)行專題實(shí)驗(yàn)分析探究，探討淹水堆石體內(nèi)部溢流的流速分布及溢流比等問題，以為淹水堆石體工程應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考，助力建造科學(xué)適用的生態(tài)潛壩工程。

1 實(shí)驗(yàn)室水槽實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

水槽實(shí)驗(yàn)在南昌工程學(xué)院的水工實(shí)驗(yàn)廳進(jìn)行，整套水槽實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由水流體系、卵石箱段、數(shù)據(jù)收集三個(gè)主要部分組合構(gòu)成(見圖1和圖2)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置示意圖

圖2 實(shí)驗(yàn)水槽現(xiàn)場(chǎng)圖片

實(shí)驗(yàn)水槽寬度0.41m，長(zhǎng)度12.28m，在水槽下游尾水段的前4.5m處設(shè)置卵石箱實(shí)驗(yàn)段，此處相對(duì)遠(yuǎn)離進(jìn)前端水口，并在槽體的前端配置消浪板，以確保實(shí)驗(yàn)段擁有相對(duì)平穩(wěn)水流。

卵石箱實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度0.60m，高度0.20m，寬度0.41m，以普通河卵石作為卵石實(shí)驗(yàn)段的充填材料，卵石在實(shí)驗(yàn)前經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)篩給予篩選，按照卵石粒度取值盡可能寬的使用需要，選擇6種粒度規(guī)格進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)卵石孔隙率和粒度指標(biāo)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)卵石孔隙率和粒度指標(biāo)

在距底面14cm及7cm位置分別布設(shè)兩層DJ800水壓感應(yīng)器,其布設(shè)狀態(tài)及壓力階序號(hào)見圖3和圖4。

圖3 感應(yīng)器配置示意圖

圖4 壓力階設(shè)定及序號(hào)

為了不影響實(shí)驗(yàn)段的流態(tài)平穩(wěn)，各感應(yīng)器均采取沿實(shí)驗(yàn)段中軸線布設(shè)。為了盡可能避免或降低前后段涌波差異的影響，將最外側(cè)的水壓感應(yīng)器設(shè)置在卵石箱5cm位置。感應(yīng)器數(shù)據(jù)采集和整個(gè)數(shù)據(jù)處理由微機(jī)系統(tǒng)控制實(shí)施。

2 淹水堆石體溢流速率的相關(guān)分析

2.1 基于高程差異的溢流速率分布

本研究將堆石體溢流速率劃分為兩層進(jìn)行分析，分別為i5層和i4層。在上游水深保持基本不變的情況下，取溢流速率為縱坐標(biāo)，取下游水位為橫坐標(biāo)，建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，探究究堆石體溢流速率與上下游水位差的關(guān)聯(lián)影響。實(shí)驗(yàn)所得上下層溢流速率關(guān)系曲線見圖5。

圖5溢流速率關(guān)系曲線揭示，上層平均溢流速率v5與下層平均溢流速率v4，隨著下游水深的增加，均呈逐漸降低趨勢(shì)，并且都在向0值逐漸逼近。但也有所差異：與下層相比，上層平均溢流速率降低速率相對(duì)慢些。上層平均溢流速率隨著水深的加增最終會(huì)高于下層。表明總壓力梯度隨著水深的加增而在不斷降低，即堆石體總體溢流能力隨著水深的加增而呈逐漸減弱態(tài)勢(shì)。當(dāng)然，堆石體內(nèi)部溢流速率不是始終均勻分布的，隨著水體高程增加，溢流高速率區(qū)也在隨之有所增加。

當(dāng)下游到達(dá)30cm水深時(shí)，下層平均溢流速率基本降低至0值附近，即當(dāng)下游水深超越堆石體高程10cm時(shí)，堆石體結(jié)構(gòu)的溢流功效會(huì)變得極其微弱。曲線也揭示，隨著卵石粒度從7.13mm加增到58.00mm，對(duì)應(yīng)的最大溢流速率也從0.016m/s增加至0.08m/s，可見堆石體粒度對(duì)溢流速率的關(guān)聯(lián)影響是明顯的。

圖5 上下層溢流速率關(guān)系曲線

通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻贸觯瑢?duì)堆石體溢流而言，下游水深加大，可有效降低其溢流速率，從而降低堆石體的透水性，提升堆石體穩(wěn)定性。相對(duì)越大的平均粒度，堆石體最大溢流速率也會(huì)相應(yīng)變得越大。可見，選擇良好的級(jí)配，可以提高堆石體的穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 堆石體上層溢流速率分布狀態(tài)分析

在堆石體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，不同水面高程處的溢流速率及演變規(guī)律亦有所不同，即使在同一水平面，溢流速率的分布依然有所不同。實(shí)驗(yàn)計(jì)算的高程14cm堆石體上層各部位的溢流速率見圖6。

因?yàn)楦袘?yīng)器測(cè)定的是各部位的綜合壓力值，因此各部位的平均溢流速率是考慮了垂向溢透后的綜合平均溢流速率。由圖6可以看到，所有的溢流速率隨著下游加大水深而呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)逐漸降低的態(tài)勢(shì)，其中上層的平均溢流速率v5至始至終處在各溢流速率曲線的居中部分，表明v5有效描述了同平面各段溢流平均速率，但不能有效描述堆石體中各部位的具體溢流速率。

由圖6也能看到，上層溢流速率在下游水位達(dá)到卵石箱高度所在的23cm時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一次相對(duì)劇烈的狀態(tài)變化，此緣于水槽內(nèi)此時(shí)整體流態(tài)是由溢流轉(zhuǎn)向堰流，溢流速率會(huì)在流態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)出現(xiàn)相對(duì)的急劇變動(dòng)，超越轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)，堰流狀態(tài)形成后，溢流速率又趨于平穩(wěn)。

圖6 堆石體上層溢流速率曲線

3 淹水堆石體溢流量占比分析

除了內(nèi)部溢流速率演變可能導(dǎo)致的形變研究外，堆石體研究的另一個(gè)重點(diǎn)是溢流量占比。本文主要利用平均溢流速率來計(jì)算溢流量占比。主要思路是，以埋設(shè)感應(yīng)器的部位將實(shí)驗(yàn)段堆石體劃分為上下兩個(gè)部分，對(duì)堆石體內(nèi)部過流量與總過流量進(jìn)行比例分析。以兩層感應(yīng)器的中軸線將溢流區(qū)劃分為上下兩部分，見圖7。

圖7 溢流區(qū)上下部分劃分

上下層溢流量計(jì)算公式為

Q=vBH

(1)

式中v——各溢流速率;

Q——各溢流量;

H——卵石箱各部分高程;

B——水槽寬度，取0.41m。

借助三角形尾水段量水堰和測(cè)針，可以獲得總流量，對(duì)溢流量和總流量做比例計(jì)算，即可得出堆石體溢流占比，計(jì)算公式為

(2)

式中Q總——總過流量;

Q溢——溢流量;

P——溢流占比。

在保持上游水位基本不變的條件下，取溢流量為縱坐標(biāo)，下游水位為橫坐標(biāo)，建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，借以觀察溢流量與上下游水位差的關(guān)聯(lián)影響狀態(tài)，基于粒度差異計(jì)算所得的各溢流量曲線見圖8。

圖8曲線揭示，在相同粒度情況下，溢流量的絕對(duì)值隨著下游水位的增高而呈現(xiàn)逐漸降低態(tài)勢(shì)，同樣溢流占比也在呈現(xiàn)逐漸降低態(tài)勢(shì)。在下游水位大于23cm后，堆石體過流由溢流為主轉(zhuǎn)為堰流為主，不過絕對(duì)溢流量還是相當(dāng)大的，不應(yīng)被隨意忽略。

圖8 基于粒度差異的溢流量

由于圖8對(duì)溢流量的絕對(duì)值表達(dá)得比較清楚，而對(duì)溢流比率的表達(dá)則不清晰，于是我們?nèi)∫缌髁勘嚷蕿榭v坐標(biāo)，下游水位為橫坐標(biāo)，繪制成折線圖(見圖9)。

圖9 基于粒度差異的溢流量比率

整個(gè)水槽內(nèi)的上下游水位差隨著下游水深的加增而在不斷降低，但整體過流量在逐漸加大。由圖9可見，溢流比率在下游水位超越20cm時(shí)開始逐漸降低。過流量整體提高，但曲線卻同時(shí)在降低，表明經(jīng)過堆石體的水流，在堆石體被完全淹沒的過流狀態(tài)中，是以堰流為主的。因?yàn)樗蹆?nèi)整體壓力階的減弱，致溢流功效連續(xù)減弱。

由圖9也能看到，基于7.13mm和12.75mm卵石粒度，在下游水位小于12cm時(shí)，溢流量占比較小。此主要緣于小粒度卵石的溢透性相對(duì)較差，水流在通過堆石體上表面時(shí)進(jìn)入卵石體內(nèi)的并不多，多是直接經(jīng)頂部跌落至堆石后的水槽中，當(dāng)加大卵石粒度后，隨著透水性的提高其溢流量相對(duì)加大，溢流比率也隨之相對(duì)加大。

各折線的平均值隨著卵石平均粒度的加大而有稍微的升高，表明卵石平均粒度的加增提高了溢流量比率。并且曲線斜率的增大，也揭示了卵石平均粒度的加大擴(kuò)大了壓力階的影響效果。

圖8揭示，所有曲線在下游23cm水深處，都發(fā)生了折轉(zhuǎn)現(xiàn)象，緣于20cm卵石箱高程，下游到達(dá)23cm水深左右時(shí)，卵石箱完全被淹沒，此時(shí)過流狀態(tài)變化較大，給溢流帶來較大影響，致使溢流比率忽然降低。這是因?yàn)閳D8中的上游水位沒有固定，因此圖中突出點(diǎn)位置出現(xiàn)較大的上下游水位差。

除7.13mm在末端曲線出現(xiàn)4.09%的最小值外，其他各線的最小值均大于9.58%，表明渠道內(nèi)上下游水位整體落差很小，本實(shí)驗(yàn)最大水頭差0.6cm，上下游水位差均在總水頭2%以內(nèi)(見表2)。

表2數(shù)據(jù)揭示，除7.13mm的溢流比率4.09%外，在低水頭差的情況下，其余5組數(shù)據(jù)中最大值是16.70%，最小值是9.58%，對(duì)常規(guī)河道的生態(tài)潛水壩而言，溢流量所占比率會(huì)相對(duì)更大，表明在孔隙率較大或者平均粒度較大的條件下，溢流量狀態(tài)要給予必要的重視，而不可以被忽略。

表2 基于低水頭差的過流量比率

4 結(jié) 語

本文通過實(shí)驗(yàn)室水槽實(shí)驗(yàn)，對(duì)淹水堆石體溢流特性進(jìn)行了專題實(shí)驗(yàn)分析探究。主要收獲及結(jié)論如下：水槽實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了溢流堆石體內(nèi)部各部位的溢流速率，隨著水槽內(nèi)整體水頭差的降低，也隨之降低，下層溢流速率差逐漸擴(kuò)大，并且下層溢流速率會(huì)先變?yōu)?值；當(dāng)下游水深加增時(shí)，隨下游水位增高，溢流比率逐漸降低；當(dāng)水位差不大于2%時(shí)，除7.13mm粒徑的溢流比率在4.09%外，在低水頭差作用下，其余堆石體依然存在著9.58%以上的溢流比率，表明在孔隙率較大或者平均粒度較大的條件下，溢流量狀態(tài)要給予必要的重視，而不可以被忽略。