余 勇

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830001)

溢洪道常布置于埡口或岸邊，需考慮水文地質(zhì)、巖體特性及地形結(jié)構(gòu)因素給泄洪帶來的不利影響[1]。布設(shè)溢洪道進(jìn)口段時(shí)部分工程地形曲折，地勢不理想，致使水體流動、來流偏轉(zhuǎn)形式復(fù)雜[2]。因此，綜合考慮開挖方量、地形地質(zhì)等特點(diǎn)，充分認(rèn)識溢洪道地質(zhì)形式，對建筑物的穩(wěn)定安全運(yùn)行有著重要的意義。丁壩被用于河灘圍墾和整治航道等工程中，具有保護(hù)河岸、控導(dǎo)主流的作用，但缺少在彎道急流中的應(yīng)用，現(xiàn)有河道的丁壩研究也不能直接應(yīng)用于溢洪道彎道工程中。蔣露[3]將丁壩前后的水流運(yùn)動劃分了多個(gè)區(qū)域，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析了水流結(jié)構(gòu)；杜明松等[4]對丁壩的水力特性進(jìn)行了研究，并推導(dǎo)出丁壩動水壓力公式，得出不同壓縮比及糙率下的壓強(qiáng)分布規(guī)律；李文峰[5]在位山溢洪道的研究中指出，泄槽轉(zhuǎn)彎處設(shè)丁壩對彎道流態(tài)的改善有顯著效果，得到了各運(yùn)行工況下脈動壓強(qiáng)規(guī)律及時(shí)均壓強(qiáng)分布。文章研究丁壩參數(shù)對溢洪道水力特性的影響及變化規(guī)律，以期為透水丁壩在溢洪道中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由出水渠道、模型實(shí)驗(yàn)區(qū)、進(jìn)水渠道、穩(wěn)流柵、閘閥、高位水池、地下水庫等部分組成[5- 6]。在實(shí)驗(yàn)區(qū)布置透水丁壩，進(jìn)行流速和水深的測量[7]。丁壩面積和透水性是影響彎道水流的調(diào)節(jié)效果主要因素，因此主要研究參數(shù)為丁壩的長度、高度以及透水率[8]。實(shí)驗(yàn)方案如下[9- 10]：設(shè)計(jì)單寬流量為100～300m2/h，丁壩長度分別為160、220、280mm，丁壩高度分別為50、75、100mm，丁壩透水率分別為15.5%、25.5%、35.5%。

1.2 評價(jià)指標(biāo)

彎道水面改善效果通過彎道水面均勻度和彎道最大水面橫比降進(jìn)行評價(jià)，彎道最大水面橫比降越小，表明改善效果越好[11]。計(jì)算公式如下[12- 13]：

(1)

式中，n—水深測點(diǎn)個(gè)數(shù)；Ci—第i個(gè)橫斷面的水面均勻度；hij—第i個(gè)橫斷面第j個(gè)測點(diǎn)的水深；mi—第i個(gè)橫斷面的水深平均值。

(2)

式中，B—彎道橫斷面的寬度；hit—第i個(gè)橫斷面的凸岸水深；hia—第i個(gè)橫斷面的凹岸水深；Jmax—彎道最大水面橫比降。

2 結(jié)果與分析

2.1 丁壩參數(shù)對彎道水面的影響

不同丁壩長度條件下彎道水面均勻度，見表 1。由此可以看出，相同單寬流量狀態(tài)下，無丁壩布置的彎道水面均勻度均小于有丁壩狀態(tài)。隨著丁壩長度L的增大(160～280mm)，彎道水面均勻度不斷增大。從整體來看，在各種單寬流量狀態(tài)下，無丁壩布置的彎道最大水面橫比降均小于有丁壩狀態(tài)，且隨著丁壩長度的增大，最大水面橫比降不斷減小。丁壩越長，彎道水面的改善狀況越好，彎道水面均勻度的提升程度越大，彎道最大水面橫比降的減小程度也越大。在透水率和丁壩高度一定的條件下，丁壩長度的增加對水面均勻度和彎道最大水面橫比降的改善效果越好。

表1 丁壩長度對彎道水面均勻度的影響 單位：%

丁壩高度對彎道水面均勻度的影響，見表 2。從整體來看，各種單寬流量狀態(tài)下，與無丁壩狀態(tài)相比，不同高度E丁壩布置的彎道水面均勻度均較大。而最大水面橫比降均小于無丁壩狀態(tài)，且隨著丁壩高度的增大而不斷減小。對比發(fā)現(xiàn)，除單寬流量100m2/h外，隨著丁壩高度的增大，彎道水面均勻度不斷增加。表明單寬流量較小時(shí)，丁壩高度與彎道水面改善效果的線性關(guān)系并不明顯。經(jīng)分析，這主要是流量較小時(shí)丁壩布置斷面并未完全淹沒，導(dǎo)致透水效果減弱。

表2 丁壩高度對彎道水面均勻度的影響 單位：%

不同高度丁壩的彎道水面均勻度提升率，如圖 1 所示，丁壩越高，彎道水面的改善狀況越好，水面均勻度提升程度越大，即彎道水面的改善狀況越好。其中，單寬流量為150m2/h時(shí)，三種丁壩高度的水面均勻度提升率分別為17.82%、24.67%、27.64%。

圖1 丁壩高度對彎道水面均勻度提升率的影響

透水率對彎道水面均勻度的影響，見表3。由此可以看出，無丁壩布置的彎道水面均勻度均小于不同透水率丁壩狀態(tài)。對比發(fā)現(xiàn)，隨著丁壩透水率的減小，彎道水面均勻度不斷增大。丁壩透水率越小，彎道水面的改善狀況越好，且丁壩透水率對彎道水面均勻度的改善程度相近。在工程設(shè)計(jì)中，P=15.5%和P=25.5%兩種透水率對水面均勻度的影響相對較小，同時(shí)考慮到實(shí)驗(yàn)誤差的因素，再減小透水率已經(jīng)沒有實(shí)際意義。

表3 丁壩透水率對彎道水面均勻度的影響 單位：%

丁壩透水率對彎道水面均勻度提升率的曲線，如圖 2 所示。當(dāng)丁壩高度和長度一定時(shí)，減小丁壩透水率對彎道水面均勻度的改善效果比較明顯，透水率越小，水面均勻度改善效果也越好。在各種單寬流量狀態(tài)下，無丁壩布置的最大水面橫比降均大于不同透水率丁壩狀態(tài)。在一定范圍內(nèi)，隨著丁壩透水率的減小，最大水面橫比降不斷減小。值得注意的是，丁壩透水率為25.5%和15.5%時(shí)，對彎道水面的改善狀況近似，彎道最大水面橫比降的減小程度相差較小。

圖2 丁壩透水率對彎道水面均勻度提升率的曲線

2.2 丁壩參數(shù)對彎道流速的影響

丁壩長度對縱斷面沿程流速分布的影響，見表4。與無丁壩狀態(tài)相比，布置丁壩后，左岸、中間各橫斷面流速均顯著降低。整體來看，0～4斷面流速沿程不斷降低，丁壩布置區(qū)出現(xiàn)明顯的波動，丁壩越長，丁壩布置區(qū)波動越劇烈，最后在6～8斷面上升。同時(shí)隨著丁壩長度的增大，0～5斷面流速在減小。在斷面丁壩布置區(qū)出現(xiàn)流速低點(diǎn)，且第一個(gè)流速最低點(diǎn)出現(xiàn)在5斷面。彎道離心力作用使無丁壩布置時(shí)右岸斷面處于無流速狀態(tài)。布置丁壩后，右岸各橫斷面流速沿程增加，且丁壩布置區(qū)波動不大。

表4 丁壩長度對縱斷面的沿程流速分布的影響 單位：cm/s

對于靠近丁壩的中間和左岸2個(gè)縱斷面，縱向流速沿程先降低，流速最低點(diǎn)出現(xiàn)在第1或第2個(gè)丁壩布置處；隨丁壩長度的增加，各斷面縱向流速不斷降低，丁壩布置區(qū)后縱向流速沿程上升。對于遠(yuǎn)離丁壩的右岸縱斷面，其縱向流速沿程上升。隨著丁壩長度的增大，丁壩布置區(qū)橫斷面縱向流速不斷減小，在布置丁壩后的斷面丁壩長度對流速的影響較小。

丁壩高度對縱斷面的沿程流速分布的影響，見表 5。無丁壩布置時(shí)，中間、左岸斷面縱向流速沿程增加，布置丁壩后，3個(gè)橫斷面流速均有所降低。整體來看，0～4斷面流速降低明顯，且在丁壩布置區(qū)出現(xiàn)明顯波動，最后6～8斷面沿程流速顯著上升。對比來看，丁壩布置區(qū)隨著丁壩高度增大其沿程流速不斷減小，流速最低點(diǎn)出現(xiàn)在第1個(gè)或第2個(gè)丁壩布置處。對于遠(yuǎn)離丁壩的右岸縱斷面，以第2個(gè)丁壩布置處為界，隨著丁壩高度的增加，丁壩前斷面的縱向流速不斷減小，丁壩后斷面的縱向流速不斷增大。

表5 丁壩高度對縱斷面的沿程流速分布的影響 單位：cm/s

丁壩透水率對縱斷面的沿程流速分布的影響，見表 6。可以看出，隨著丁壩透水率的減小，丁壩布置區(qū)橫斷面縱向流速不斷減小，流速最低點(diǎn)出現(xiàn)在第1或第2丁壩布置處。靠近丁壩的中間、左岸斷面的縱向流速沿程先降低，丁壩布置區(qū)出現(xiàn)了明顯的波動，丁壩布置區(qū)后縱向流速沿程不斷上升。而遠(yuǎn)離丁壩的右岸斷面縱向流速沿程不斷上升，其中丁壩透水率對右岸縱向流速影響較小。

表6 丁壩透水率對縱斷面的沿程流速分布的影響 單位：cm/s

選用q=300m2/h進(jìn)行橫向流速分析，j代表橫向流速測點(diǎn)距彎道底板的垂直距離，j<0表明該點(diǎn)流速方向由凹岸指向凸岸，j>0表明流速方向由凸岸指向凹岸。丁壩參數(shù)對彎道橫向流速的影響，見表 7。由此可以看出，橫向流速的絕對值隨著丁壩長度的增加不斷增大。丁壩高度為50mm時(shí)，橫向流速絕對值最大；隨著丁壩高度和丁壩透水率的增加，橫向流速的絕對值不斷減小。丁壩高度為75mm時(shí)，橫向流速絕對值最?。?.01m水平面上的流速均小于0，方向由凹岸指向凸岸，表明此處為底流區(qū)，0.03～0.05m水平面上的流速均大于0，流速方向由凸岸指向凹岸，認(rèn)為此處為表流邊界區(qū)?？傮w來看，橫向流速j<0時(shí)為底流區(qū)；橫向流速j>0時(shí)為表流區(qū)，隨著水深的增加，流速不斷減小。

表7 丁壩參數(shù)對彎道橫向流速的影響

3 結(jié)論

溢洪道承擔(dān)著維護(hù)工程穩(wěn)定、疏浚泄洪的作用。通過水工模型試驗(yàn)，對非對稱進(jìn)口來流溢洪道滑行水流阻力特性進(jìn)行了研究。布置丁壩后，彎道水面橫比降減小，水面均勻度提升。小流量時(shí)，不適合采用過高的丁壩，隨著透水率的減小及丁壩高度、長度的增加，最大水面橫比降減小，水面均勻度增加，丁壩前斷面縱向流速降低。丁壩長度和透水率的變化對丁壩后斷面流速的影響較小，但丁壩高度的增加會導(dǎo)致縱向流速的增大?？傮w來看，橫向流速小于0時(shí)為底流區(qū)；橫向流速大于0時(shí)為表流區(qū)，且隨著水深的增加流速不斷減小。最佳丁壩透水率為15.5%，長度為B/2，高度為4B/25。研究結(jié)果可為溢洪道工程應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供技術(shù)與理論支撐。