空隙尺寸對(duì)透水丁壩局部沖刷的影響研究

王榮華,余君睿

(1.平陸運(yùn)河集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;2.重慶交通大學(xué),重慶 400074)

0 引言

丁壩是航道整治工程中最常見的建筑物,其能改變周圍水流的結(jié)構(gòu),擁有良好的束水沖沙、壅高上游水位及改善航道水流條件的作用。透水丁壩是實(shí)體丁壩的改良,但是其也存在被水流沖刷導(dǎo)致?lián)p壞的風(fēng)險(xiǎn),與實(shí)體丁壩水毀類似,透水丁壩出現(xiàn)水毀的區(qū)域也常發(fā)生在壩頭位置。為了緩解航道整治建筑物出現(xiàn)水毀的現(xiàn)狀,維護(hù)航道整治建筑物的穩(wěn)定性,找出透水丁壩對(duì)河床局部沖刷的影響以及透水特性對(duì)河床局部沖刷的規(guī)律很有必要。

本文將通過(guò)物理概化試驗(yàn)的方式探尋不同空隙尺寸對(duì)透水丁壩附近河床局部沖刷的影響。

1 透水丁壩沖刷的研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)開始,黃河水利委員會(huì)在整治河道的實(shí)踐中得出結(jié)論:混凝土透水丁壩比傳統(tǒng)的實(shí)體丁壩在河道整治中的應(yīng)用更加實(shí)用[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)透水丁壩的沖刷問(wèn)題研究較晚,最早由馮紅春等[2]通過(guò)水槽試驗(yàn)找到相同條件下透水丁壩沖刷深度要比實(shí)體丁壩小的原因,并通過(guò)量綱分析法推導(dǎo)出非淹沒透水丁壩壩頭最大沖刷深度與水深、流速、河寬、透水率、丁壩壩長(zhǎng)以及泥沙中值粒徑之間的關(guān)系式,這是首次將透水率作為考慮因素加入到研究丁壩壩頭沖刷深度的問(wèn)題中。周銀軍等[3]根據(jù)試驗(yàn)及樁式丁壩的壅水性建立了關(guān)于計(jì)算透水丁壩沖刷坑深度的公式。Mioduszewski T等[4]測(cè)量了沖淤后河床的地形并把透水丁壩與實(shí)體丁壩的沖刷坑深度進(jìn)行了比較,然后在此基礎(chǔ)上得出透水丁壩的沖刷深度小于實(shí)體丁壩。Nasrollahi[5]通過(guò)物理模型試驗(yàn)得到了流速和時(shí)間對(duì)透水丁壩壩后沖刷坑最大深度發(fā)展的影響規(guī)律。高先剛等[6]同樣通過(guò)物理試驗(yàn)手段得到了應(yīng)用于寬淺型河流中計(jì)算透水丁壩壩頭沖刷坑深度的公式。周正平等[7]利用CCHE 2D軟件分析了不同流量下透水丁壩壩后淤積情況,發(fā)現(xiàn)壩后泥沙淤積長(zhǎng)度、寬度以及面積在一定范圍內(nèi)都會(huì)隨著流量的增大呈先增大后減小的走勢(shì)。

2 物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 概化模型設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)是在國(guó)家內(nèi)河航道工程技術(shù)研究中心航道工程試驗(yàn)廳內(nèi),規(guī)格尺寸為30 m(長(zhǎng))×2 m(寬)×1 m(高)的長(zhǎng)方形的玻璃水槽試驗(yàn)系統(tǒng)中完成的。

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江上游航道工程已修建的實(shí)體丁壩進(jìn)行統(tǒng)計(jì),決定采用1∶40的正挑丁壩作為模型丁壩。丁壩橫斷面為梯形斷面,壩頭為圓弧形壩頭,具體參數(shù)見表1。

表1 丁壩模型參數(shù)表

2.2 動(dòng)床試驗(yàn)方案

為了研究不同流量下透水丁壩壩頭附近河床的沖淤情況,流量分別采用Q=65 L/s、95 L/s和135 L/s三級(jí)流量,對(duì)應(yīng)三種淹沒狀態(tài)水深H分別為11 cm、14 cm和17 cm。試驗(yàn)工況見表2。

表2 試驗(yàn)工況表

動(dòng)床試驗(yàn)擬在玻璃水槽中段布置8 m長(zhǎng)的動(dòng)床段,動(dòng)床段位置從距離消能柵處13 m開始,根據(jù)長(zhǎng)江上游相關(guān)實(shí)測(cè)資料可以得到最大沖刷坑深度一般為6 m,沖刷坑平均深度為4 m,由相似理論推導(dǎo)出,靠近丁壩的區(qū)域鋪模型沙厚度為0.22 m,其他動(dòng)床區(qū)域鋪沙厚度為0.1 m。丁壩放置在距離動(dòng)床段開始處1 m;動(dòng)床段開始處到布設(shè)丁壩處鋪沙0.1 m,動(dòng)床段尾部1.5 m處鋪沙0.1 m(見圖2、圖3)。

圖2 動(dòng)床模型沙范圍示意圖(m)

圖3 丁壩布置示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 空隙尺寸對(duì)沖刷坑深度的影響

為研究透水丁壩壩頭區(qū)域沖刷坑深度與不同空隙尺寸之間的變化關(guān)系,分別控制透水丁壩的空隙率P=6.8%、P=14.1%、P=22.5%與流量Q=95 L/s并選取相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)工況,同時(shí)選取實(shí)體丁壩的工況來(lái)分析不同空隙尺寸對(duì)透水丁壩壩頭周圍河床面沖刷坑深度的影響,同時(shí)選取相同流量下實(shí)體丁壩的工況進(jìn)行對(duì)比分析。具體見表3。

表3 試驗(yàn)分析工況匯總表

繪制沖刷坑深度隨時(shí)間變化的曲線圖進(jìn)行比較分析,見圖4。

(a)P=6.8%

通過(guò)圖4對(duì)比可知,在控制一定空隙率的情況下,3組試驗(yàn)的沖刷坑深度的變化規(guī)律大致相似:試驗(yàn)的初始階段,空隙尺寸越小,透水丁壩壩頭附近河床面沖刷坑的深度越深。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,沖刷坑深度與空隙尺寸呈負(fù)相關(guān)性,即透水丁壩空隙尺寸越大,透水丁壩壩頭附近區(qū)域所形成的沖刷坑深度越深,并且當(dāng)空隙尺寸為D=32 mm時(shí)產(chǎn)生的沖刷坑深度明顯比其他兩個(gè)尺寸條件下所形成的沖刷坑深度淺。

分析具體原因?yàn)?透水丁壩自身的透水性會(huì)分流行進(jìn)水流,而在其他條件相同的情況下,空隙尺寸的大小決定了主流區(qū)的水流流量與流速。在相同的來(lái)水流量和空隙率的情況下,空隙尺寸越大,就有越多的水流通過(guò)透水丁壩空隙流向下游,進(jìn)而減少了主流區(qū)水流繞壩后對(duì)壩后區(qū)域水流的補(bǔ)充,主流區(qū)水流流速的減小和水流補(bǔ)充分流的減弱,會(huì)使沖刷坑深度隨著空隙尺寸的增大而有所減弱。

3.2 空隙尺寸對(duì)沖刷坑體積的影響

為研究透水丁壩壩頭區(qū)域沖刷坑體積與不同空隙尺寸之間的關(guān)系,分別控制透水丁壩的空隙率P=6.8%、P=14.1%、P=22.5%與流量Q=65 L/s并選取相對(duì)應(yīng)工況,同時(shí)選取相同流量下實(shí)體丁壩的工況來(lái)分析不同空隙尺寸對(duì)透水丁壩壩頭周圍河床面沖刷坑體積的影響。具體工況見表4。

表4 試驗(yàn)分析工況匯總表

繪制沖刷坑體積隨空隙尺寸變化的情況進(jìn)行比較分析,見圖5。

(a)P=6.8%

由圖5可以得知,在相同的流量和相同的空隙率下,3組試驗(yàn)的沖刷坑深度的變化規(guī)律基本類似:在試驗(yàn)的初始階段,沖刷坑內(nèi)的泥沙受到水流作用被上游來(lái)水裹挾沖向下游,在這一階段泥沙被沖刷走的速率非?？?。在空隙尺寸最小的條件下,沖刷坑內(nèi)泥沙最終被沖刷走的量最少,隨著透水丁壩空隙尺寸的不斷增加,越來(lái)越多的泥沙被沖向下游,當(dāng)空隙尺寸增大到D=32 mm時(shí),形成的沖刷坑的體積是3組工況里最小的。3組工況之間的沖刷坑變化量比較明顯,并且都小于同一流量條件下的實(shí)體丁壩,從這點(diǎn)來(lái)看,改變透水丁壩的空隙尺寸可以較為有效地降低水流對(duì)壩頭區(qū)域河床的沖刷。

分析這一現(xiàn)象的原因?yàn)?由于實(shí)體丁壩的不透水性,水流會(huì)在丁壩壩頭形成漩渦,且主流區(qū)的流速相較透水丁壩的條件下要更大一些,水流流態(tài)最復(fù)雜,所形成的沖刷坑體積也是最大的。但是當(dāng)水流行進(jìn)至透水丁壩時(shí),由于其自身的透水性,一部分水流通過(guò)壩體間的空隙流向下游,在一定程度上減小了主流區(qū)的水流流速,當(dāng)透水丁壩的空隙尺寸進(jìn)一步增大,穿過(guò)壩體的水流流量也隨之增多,對(duì)主流區(qū)水流的分流效果也更顯著,進(jìn)一步減少了主流區(qū)水流繞壩后和越壩水流對(duì)河床的沖刷。

3.3 空隙尺寸對(duì)壩后淤積的影響

為研究透水丁壩壩后淤積效果與不同空隙尺寸之間的關(guān)系,現(xiàn)分別控制透水丁壩的空隙率P=6.8%、P=14.1%、P=22.5%與流量Q=95 L/s,并選取相對(duì)應(yīng)工況來(lái)分析不同空隙尺寸對(duì)透水丁壩壩后泥沙淤積的影響,同時(shí)選取相同流量下的實(shí)體丁壩作為對(duì)比。具體工況見表5。

表5 試驗(yàn)分析工況匯總表

3.3.1 空隙尺寸與橫向淤積寬度的關(guān)系

控制相同的流量與空隙率,將透水丁壩的空隙尺寸從D=0 mm逐步增加到D=32 mm,繪制橫向淤積寬度隨空隙尺寸變化的曲線來(lái)進(jìn)行比較分析,見圖6。

(a)P=6.8%

通過(guò)圖6對(duì)比可知,在相同的流量與空隙率下,丁壩壩后泥沙橫向淤積寬度與空隙尺寸呈負(fù)相關(guān)性,但變化的數(shù)值較小。當(dāng)空隙尺寸D=16 mm時(shí),壩后橫向淤積寬度減小,進(jìn)一步增加時(shí),壩后泥沙的橫向淤積寬度以較小的斜率降低,直到空隙尺寸D=32 mm時(shí)達(dá)到最低。

3.3.2 空隙尺寸與縱向淤積寬度的關(guān)系

同理,控制相同的流量與空隙率,將透水丁壩的空隙尺寸D從0 mm逐步增加到32 mm,繪制壩后泥沙縱向淤積寬度隨空隙尺寸變化的曲線來(lái)進(jìn)行比較分析,見圖7。

(a)P=6.8%

通過(guò)圖7對(duì)比可知,在相同的流量與空隙率下,壩后泥沙的縱向淤積長(zhǎng)度與空隙尺寸呈負(fù)相關(guān)性。當(dāng)丁壩透水時(shí),空隙尺寸D=16 mm,此時(shí)壩后泥沙縱向淤積長(zhǎng)度最長(zhǎng),隨著空隙尺寸開始增大,壩后泥沙縱向淤積長(zhǎng)度逐漸減少;當(dāng)D=32 mm時(shí),壩后泥沙縱向淤積最短,均小于實(shí)體丁壩。

綜上所述,根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象分析產(chǎn)生的具體原因:實(shí)體丁壩時(shí),水流的紊動(dòng)最為劇烈,加大了壩頭和壩后的泥沙運(yùn)動(dòng)。在小空隙的情況下,有較大一部分水流在壩頭形成漩渦,水流流態(tài)紊亂,使泥沙運(yùn)動(dòng)劇烈,此時(shí)透水丁壩壩后泥沙淤積的寬度與長(zhǎng)度較小,當(dāng)空隙尺寸增大時(shí),越來(lái)越多的水流穿過(guò)壩體,主流區(qū)水流流速相對(duì)減小,壩頭處水流紊動(dòng)降低,壩后泥沙淤積的橫向?qū)挾扰c縱向長(zhǎng)度減小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用控制變量法,運(yùn)用物理概化模型試驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)象分析等手段,得到以下結(jié)論:

(1)透水丁壩壩后沖刷坑深度與體積隨空隙尺寸的增加而減小,實(shí)體丁壩時(shí)兩者皆為最大。

(2)透水丁壩壩后橫向淤積寬度與縱向淤積長(zhǎng)度隨著空隙尺寸的增大而不斷減小。

綜上所述,改變透水丁壩的空隙尺寸能夠較好地改善水流對(duì)丁壩的沖刷,但應(yīng)注意的是本文采用的水流條件是恒定流,而天然河流為非恒定流,需要進(jìn)一步探討。