樁密度和布置對(duì)樁群堤壩周圍流動(dòng)特性的影響

柯春光

(新疆水利水電科學(xué)研究院,烏魯木齊 830000)

0 引 言

為了控制侵蝕,在河流中設(shè)置丁壩來控制水流方向和流速[1]。根據(jù)水流的滲透程度,丁壩可分為不透水型和透水型。不同類型丁壩在構(gòu)筑物周圍和主流內(nèi)產(chǎn)生不同的水流形態(tài)[2]。透水堤壩是為了在不使主流過度加速的情況下保護(hù)明渠的河岸[3]。許百?gòu)?qiáng)[4]通過水槽概化模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),相比實(shí)體丁壩,在一定的空隙率和空隙尺寸條件下,透水丁壩對(duì)其上游的壅水效果更佳,同時(shí)還可增加其下游水深,降低縱橫向水面比降,對(duì)改善丁壩右側(cè)束窄段水流形態(tài)具有更積極的作用。游立新[5]基于正交曲線貼體坐標(biāo)系下平面二維水流數(shù)學(xué)模型,引入通度系數(shù)的概念,模擬透水丁壩作用后的流場(chǎng)和水位場(chǎng),結(jié)果表明計(jì)算和實(shí)測(cè)符合較好。周銀軍[6]結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),透水丁壩壩后出現(xiàn)了一個(gè)流速減小區(qū),并通過量綱分析給出了該流速減小區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算公式。

基于上述研究,本文采用試驗(yàn)和數(shù)值分析,通過群樁密度和群樁布置方式,對(duì)透水群樁堤壩周圍流動(dòng)特性的影響進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)是在一個(gè)長(zhǎng)7.5m、寬0.3m、高0.4m的矩形水槽中進(jìn)行。水槽的坡度i設(shè)置為0.001。樁組由直徑0.5cm的丙烯酸圓柱體制成,高度hd為5cm。堤壩垂直安裝在距離渠道下游入口3.0m處,見圖1。

圖1 試驗(yàn)水槽示意圖和樁組布局圖

試驗(yàn)條件見表1。

表1 試驗(yàn)條件

本研究采用兩種類型的樁排列,即直線排列和交錯(cuò)排列,堤壩的長(zhǎng)度Ld和寬度Wd保持在0.75m,所有工況都具有相同的群樁面積。但采用不同的群樁密度進(jìn)行試驗(yàn),每排樁數(shù)n從4根樁增加至8根樁,從低群樁密度變?yōu)楦呷簶睹芏?群樁詳情見表2。

表2 群樁工況詳情表

對(duì)于每種工況,每行和每列的樁數(shù)相同(n=m),因此X和Y方向上的樁面間距相同(Sx=Sy)。群樁密度λ定義如下:

(1)

式中:dp為樁直徑;Sx、Sy為樁間距。

根據(jù)群樁密度和布置情況,每個(gè)群樁安裝完成后,將面臨結(jié)構(gòu)周圍的變化。在工況8S下,堤壩上游水深最大上升1.5mm。采用PIV進(jìn)行速度矢量的測(cè)量,并進(jìn)行分析。為了可視化流動(dòng),使用直徑80微米、相對(duì)密度1.02的尼龍樹脂顆粒作為示蹤粒子。對(duì)于每種工況,從水槽底部到水表面共測(cè)量7層,增量為5mm。視覺圖像由高速攝像機(jī)在1s內(nèi)拍攝200幀,通過在16s內(nèi)處理3 200幅連續(xù)圖像獲得時(shí)間平均速度矢量。

2 結(jié)果和討論

2.1 受保護(hù)河岸附近和主流中的平均速度

將群樁后的區(qū)域劃分為河岸附近(A1)、群樁下游區(qū)域(A2)和主流(A3)3個(gè)部分,見圖2。

圖2 群樁后區(qū)域劃分示意圖

圖2中, A1是橫向8cm≤x≤24cm、縱向y=2cm所形成的區(qū)域;A2是橫向8cm≤x≤24cm、縱向0.5cm≤y≤7.5cm所形成的區(qū)域;A3是橫向8cm≤x≤24cm、縱向8cm≤y≤30cm所形成的區(qū)域。

圖3為不同樁組密度下的不同區(qū)域平均流速與河流整體平均流速之比。圖3(a)為每種工況下群樁下游河岸附近區(qū)域(A1)的平均流速與河流平均流速之比(Ub/U0)。由圖3(a)可知,受保護(hù)河岸附近的速度降低速率與群樁密度成正比。此外,在同一群樁密度下交錯(cuò)排列的樁組速度降低速率明顯大于直線排列的。隨著群樁密度的增加,直線排列和交錯(cuò)排列工況下的速度差距增大。換言之,通過增加群樁密度,樁組布置方式所產(chǎn)生的效果變得更加顯著。

圖3 群樁密度對(duì)平均流速比的影響

圖3(b)為每種情況下群樁下游區(qū)域的平均流速與河流平均流速之比(Ub/U0)。圖3(b)與圖3(a)呈現(xiàn)相同的趨勢(shì),但在群樁密度相同的情況下,直線排列和交錯(cuò)排列工況下的數(shù)值差距減小。這是由于直線排列工況下在河岸附近的流速高,而在群樁右端附近的流速低,因此整個(gè)區(qū)域的平均值小于河岸附近的平均值;而交錯(cuò)情況則相反。因此,在同一群樁密度下,直線排列工況下Ub/U0減小,交錯(cuò)排列工況下Ub/U0增大,從而使得兩者之間的差距減小。

圖3(c)為不同群樁密度下主流區(qū)域平均流速與河流平均流速比(Um/U0)。由圖3(c)可以看出,主流速度增加速率直接與群樁密度成比例。在高密度情況下,群樁密度對(duì)主流速度的影響將不再變化。如在群樁密度大于0.365時(shí),群樁密度的變化對(duì)主流速度的影響很小。此外,在交錯(cuò)排列的工況下,主流速度比直線排列工況下的主流速度大。

從以上分析可知,為了在河岸附近獲得一定的速度,將排列方式從成列改為交錯(cuò)排列,可顯著減少所需的樁數(shù)。此外,通過減少樁數(shù),可以減小對(duì)主流的影響。圖3(a)中,在工況5S (群樁密度0.163)時(shí),河岸附近平均流速比(Ub/U0)為0.55;在工況7L(群樁密度0.365)時(shí),河岸附近平均流速比(Ub/U0)為0.59;在河岸流速比相差不大時(shí),交錯(cuò)排列的群樁密度要比直線排列時(shí)的群樁密度小。同樣,在圖3(c)中,主流流速比(Um/U0)在工況5S下為1.44,在工況7L下為1.47。綜上所述,樁組交錯(cuò)排列較直線排列更經(jīng)濟(jì),對(duì)河岸的保護(hù)效果更佳,對(duì)主流的影響更小。

2.2 固定床流速的數(shù)值計(jì)算

2.2.1 數(shù)值計(jì)算公式

為保證群樁對(duì)結(jié)構(gòu)周圍流動(dòng)特性的影響,采用低雷諾數(shù)湍流模型進(jìn)行二維平均深度數(shù)值計(jì)算。動(dòng)量和連續(xù)性方程如下:

(1)

(2)

(3)

式中:u、v分別為X和Y方向的深度平均縱向速度,m/s;h為水深,m;ρ為水的密度,kg/m3;τbx、τby分別為X和Y方向的河床剪應(yīng)力;τxx、τxy、τyy為深度平均雷諾應(yīng)力。

床層剪應(yīng)力采用Manning公式表示,深度平均雷諾應(yīng)力采用渦動(dòng)黏度模型表示。在Launder-Sharma的低雷諾數(shù)模型中,渦動(dòng)黏度的表達(dá)式為:

(4)

(5)

(6)

式中:Cμ為模型常數(shù),在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中取0.09;k為深度平均湍流動(dòng)能;ε為深度平均黏性耗散率。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

分別對(duì)8L和8S兩種工況的測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行研究和比較。深度平均縱向速度見圖4。由圖4可知,群樁后的實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合較好。在8L工況下,實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果均存在河岸附近的流速較高和群樁右端下游的小范圍回流。此外,河岸附近的最小流速出現(xiàn)在工況8S中。但圖4計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相比,y/L=1.5附近的峰值存在差異,需通過改進(jìn)數(shù)值模型來減小這種差異。

圖4 縱向流速的實(shí)測(cè)與計(jì)算值

深度平均橫向速度見圖5。由圖5可知,計(jì)算結(jié)果與群樁周圍的實(shí)測(cè)結(jié)果具有較高的相似性;數(shù)值計(jì)算速度的等值線與群樁上游和下游測(cè)得的速度具有相似的形狀,但在遠(yuǎn)下游顯示出一些差異。圖5是數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果中橫向速度的類似趨勢(shì)。橫向速度在x/L=1.3顯示了一些波動(dòng),這些波動(dòng)可能是樁體存在的局部效應(yīng),PIV可能無法檢測(cè)到這些波動(dòng),因?yàn)閿?shù)值較小。

圖5 橫向流速的實(shí)測(cè)與計(jì)算值

3 結(jié) 論

1)對(duì)于所有直線排列和交錯(cuò)排列的情況,滲透到樁組的水流和從結(jié)構(gòu)物排出的滲透水流速度都降低。群樁的這一功能降低了下游護(hù)岸的流速。

2)無論是直線排列和交錯(cuò)排列工況下,隨著群樁密度的增加,主流速度逐漸增加,而群樁下游的速度逐漸減小。對(duì)于交錯(cuò)排列的情況,在群樁下游河岸附近的速度最小,然后向主流逐漸增加,而對(duì)于直線排列則相反。

3)群樁周圍的二維數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。從計(jì)算結(jié)果可得到直線和交錯(cuò)排列工況下游的不同流動(dòng)結(jié)構(gòu)和湍流特性。直線排列的群樁下游出現(xiàn)了高紊流區(qū)域,而交錯(cuò)排列工況下未在河道中產(chǎn)生強(qiáng)的紊流。