丁壩結(jié)構(gòu)對水流流態(tài)及床面變形的影響研究

吳建軍

(新疆塔里木河流域和田管理局，新疆 和田 848000)

0 引言

丁壩結(jié)構(gòu)研究是流域治理的重要研究課題。從水力學(xué)角度看，丁壩是為了保持河道穩(wěn)定而修建的，用于通航、灌溉、供水和保護(hù)河岸免受沖蝕磨損[1]。由于丁壩周圍的多樣化流動創(chuàng)造了適合河岸植被和水生生物群落的條件，因此，丁壩也被修建在河道中，用于生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的滲透性可將丁壩分為兩類：不透水丁壩和透水丁壩[2]。第一類一般使用當(dāng)?shù)氐膸r石、碎石或石籠建造，第二類由一排排樁、竹子或木材組成。2類丁壩以不同的方式影響流場和泥沙輸移，導(dǎo)致不同的流態(tài)和床面形態(tài)。然而，丁壩對周圍水力形態(tài)的影響尚不完全清楚[3]。在很多情況下，主航道的深化是一個(gè)可取的結(jié)果，而丁壩趾附近的局部沖刷和主航道的泥沙沉積對丁壩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可用性是不需要的[4]。為了更好地理解丁壩區(qū)域的流動和床面變形，許多研究都是在單個(gè)丁壩的情況下進(jìn)行的[5]。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于丁壩通常被組織在一個(gè)群體中，因此仍需要進(jìn)行大量的研究。

本研究擬對2個(gè)不透水或透水丁壩周圍的水流和局部沖刷進(jìn)行研究。采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谔囟ê褪芸氐臈l件下提供可靠的信息。流動分離和渦的形成等過程的相似性將為驗(yàn)證建模工具提供更通用的應(yīng)用。鑒于此，開發(fā)了基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的三維數(shù)值模型。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。

1 材料與方法

1.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)所用水槽長10m，寬0.80m，深0.28m。對于所有實(shí)驗(yàn)，通道的床面坡度調(diào)整為1/800。實(shí)驗(yàn)裝置的詳細(xì)示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(單位：cm)

x軸從動床始端開始，y軸從水槽右壁開始，z軸從初始平床面開始。上游入口處有一張固定床，由木板制成，高出床底10cm。木板的作用是平滑水流。在試驗(yàn)小區(qū)的水槽左側(cè)垂直于槽岸布置2個(gè)丁壩。在案例1中，使用了由木質(zhì)長方體制成的不透水的丁壩。案例2中，透水丁壩為一系列圓棒，設(shè)計(jì)透水率為50%。所用沉積物為煤，平均粒徑為0.83mm，比重為1.41。

試驗(yàn)在均勻流條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)所采用的水力參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)條件說明

通過調(diào)節(jié)量水槽的尾門高度，建立均勻流條件。恒定的泥沙速率從水槽上游邊界源源不斷地供給，以維持動態(tài)平衡狀態(tài)。干泥沙在補(bǔ)給前與水混合，以避免彌散效應(yīng)。輸沙率采用推移質(zhì)輸沙率公式進(jìn)行計(jì)算，但輸沙量最終通過一些試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。每次實(shí)驗(yàn)持續(xù)5h足以達(dá)到動態(tài)平衡條件。

在下游邊界處，采用尾門控制水位。水槽完全排水后，用點(diǎn)式水位計(jì)測量水位，通過激光傳感器獲得床面變形。對于速度場的測量，采用膠結(jié)物來固定最終的床層變形。固定好床后，使用兩個(gè)電磁測速儀來測量施加相同流量丁壩周圍的流速?？紤]到床面粗糙度的影響，水泥和沉積物(煤)之間沒有差異，這可能會導(dǎo)致速度結(jié)果的變化。

1.2 數(shù)值模型

暫時(shí)采用數(shù)值模型對基于固定床條件下的流場進(jìn)行模擬。所提出的數(shù)值模型的控制方程基于定常的3D RANS(雷諾平均Navier-Stokes方程)和連續(xù)性方程，可在笛卡爾坐標(biāo)系下用張量表示如下：

(1)

(2)

湍流閉合采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。雷諾張量通過線性本構(gòu)方程獲得：

(3)

(4)

式中，k—湍流動能，m2/s2；δij—克羅內(nèi)克符號δ；vt—渦黏性，N/m2；Sij—應(yīng)變率張量，N/m2；Cμ—系數(shù)，設(shè)為常數(shù)=0.09；ε—湍流動能的耗散率，W/m3。分別用以下2種輸運(yùn)方程來估計(jì)k和ε：

(5)

(6)

式中，G—湍流動能k的產(chǎn)生速率，定義為：

(7)

在模擬中，入口邊界為狄利克雷邊界，所有的量都是規(guī)定的。出口邊界設(shè)置在遠(yuǎn)離丁壩的區(qū)域，假設(shè)為一個(gè)具有零梯度的Neumann邊界。在不透水邊界附近采用壁面函數(shù)法。在模擬中，可滲透的丁壩被表示為一簇不透水的丁壩，每個(gè)可滲透的丁壩用一些細(xì)密的網(wǎng)格表示。

模擬序列采用SIMPLE(壓力聯(lián)立方程的半隱式方法)程序。首先，對每個(gè)速度分量求解動量方程，其中壓力、渦黏性、湍動能及其耗散率是已知的。合成的速度場被用來計(jì)算通過控制體積面的質(zhì)量通量。壓力修正方程求解后，速度場得到改善。最后，求解湍流動能及其耗散率的輸運(yùn)方程并更新渦黏性。重復(fù)上述過程，直到殘差水平足夠小或覆蓋規(guī)定的最大迭代步數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

平衡條件下的床層變化如圖2所示。

圖2 平衡條件下案例1和案例2的床面輪廓(單位：cm)

可以看出案例1中上游丁壩周圍的侵蝕比案例2中更深。案例1和案例2中上游丁壩周圍沖刷坑最大深度分別達(dá)到15和2cm左右。情形1中的沉積區(qū)域集中在下游丁壩的下游區(qū)域，這是因?yàn)樵搮^(qū)域發(fā)生的速度和回流的減少。另一方面，在情形2中，沉積區(qū)分布在整個(gè)通道內(nèi)，在下游丁壩下游濃度較小。

案例1和案例2沿渠道(y=40cm和y=72cm)的水位和床面縱向剖面如圖3—4所示。

圖3 案例1和案例2的主河道(y=40cm)沿程水面和床面縱剖面(單位：cm)

圖4 案例1和案例2的主河道(y=72cm)沿程水面及床面縱剖面(單位：cm)

水平z=0cm表示初始床層高度?？v剖面y=40cm對應(yīng)于水槽中心線，y=72cm對應(yīng)于距渠道左壁8cm處的縱剖面。在這2種情況下，都可以看到丁壩附近水位的小幅上升，這可能是由于丁壩收縮水流寬度的影響。

2.2 數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

圖5—6分別給出了案例1在深度z=2.0cm時(shí)，不透水丁壩周圍速度分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果。

圖5 案例1在z=2.0cm時(shí)xy平面丁壩周圍的速度場(實(shí)驗(yàn))(單位：cm)

圖6 案例1在z=2.0cm處xy平面丁壩周圍速度場(模擬)(單位：cm)

模擬的速度大小與實(shí)驗(yàn)吻合較好。當(dāng)水流接近上游丁壩時(shí)，阻塞流的大部分轉(zhuǎn)向主槽，在丁壩壩頭前方形成摻混區(qū)。一部分水流向下游流動，在丁壩間形成回流。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在丁壩上游區(qū)域，流動結(jié)構(gòu)較為相似，而在下游區(qū)域，流動結(jié)構(gòu)存在一定的差異。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，模擬結(jié)果中觀察到明顯的回流流動。其中一個(gè)原因可能是測量網(wǎng)格過于粗糙，不利于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

對于案例2透水丁壩周圍速度場的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果分別如圖7—8所示。

圖7 案例2在z=2.0cm處xy平面內(nèi)切槽周圍速度場(實(shí)驗(yàn))(單位：cm)

圖8 案例2在z=2.0cm處xy平面丁壩周圍速度場(模擬)(單位：cm)

在這種情況下，流動方向變化不大?？梢钥闯?，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，剛經(jīng)過上游丁壩后，流動方向轉(zhuǎn)向右側(cè)壁面。在上游丁壩的下游，流速發(fā)生了減小，但水流經(jīng)過下游丁壩后，流速的減小變得更加顯著。在下游丁壩可觀測到的泥沙沉積，這可能是由這種流速降低引起的。與不透水丁壩相比，透水丁壩中的水流流態(tài)幾乎平行于丁壩頭部附近的河道。

實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果在靠近上游丁壩處的yz平面內(nèi)的速度矢量分別如圖9—10所示。

圖9 案例1在x=362cm處yz平面丁壩周圍速度場(實(shí)驗(yàn))(單位：cm)

圖10 案例1在x=362cm時(shí)yz平面丁壩周圍的速度場(模擬)(單位：cm)

該斷面縱向位置為x=362cm，正好位于上游丁壩上游2.25cm處，由下游向上游可見。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，上游丁壩附近的回流流動與計(jì)算結(jié)果非常相似。上游丁壩附近的床面沖刷可能是由于該回流的影響，在丁壩(從y=65cm到y(tǒng)=80cm)附近更為明顯。這意味著水流正在侵蝕河岸。因此，在利用這種丁壩時(shí)，需要采取保護(hù)措施。與不透水丁壩的情況相比，透水丁壩的情況沒有顯示在這里，因?yàn)榱鬟^樁的水流在丁壩上游引起了少量的回流，沒有造成明顯的侵蝕。

3 結(jié)論

本研究表明在相同水力條件下，不透水丁壩引起的侵蝕明顯比透水丁壩更為嚴(yán)重，這為丁壩的設(shè)計(jì)和施工提供了重要參考；通過數(shù)值模擬，能夠較為準(zhǔn)確地模擬固定床條件下丁壩周圍的流動結(jié)構(gòu)，這為類似工程的模擬和預(yù)測提供了可靠的工具；未來的工作將集中在進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模型在可動床和淹沒條件下的適用性，并將模擬結(jié)果與更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮不同的環(huán)境因素和工程要求，以制定更為科學(xué)和可行的丁壩管理措施。這些工作將有助于更好地理解和管理丁壩周圍的水動力環(huán)境，保護(hù)水利工程的可持續(xù)發(fā)展。