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        透水丁壩縱向流速分布試驗(yàn)研究

        2021-02-01 09:23:22贠寶革
        廣東水利水電 2021年1期
        關(guān)鍵詞:丁壩水區(qū)空隙

        贠寶革

        (重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074)

        丁壩自應(yīng)用于實(shí)際工程以來,對(duì)其水力特性的研究就從未停止過。潘海靜[1]等通過斷面流速分布相似和大尺度渦疊加的方法,研究了丁壩水流恢復(fù)區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算;鄭宇華[2]等通過超聲水位和PIV流速測(cè)量技術(shù),對(duì)不同水力坡度下非淹沒丁壩紊動(dòng)強(qiáng)度在主流區(qū)的變化規(guī)律、壩后回流區(qū)范圍和近壁流速變化進(jìn)行了研究;歐陽澍[3]等通過三維數(shù)值水槽的方法對(duì)梯形透空式潛壩透水率和淹沒程度對(duì)壩后回區(qū)流速變化影響進(jìn)行了研究;張婧[4]等通過水槽概化模型研究了不同繞流結(jié)構(gòu)體對(duì)三維時(shí)均流速的影響;鐘亮[5-6]等通過室內(nèi)水槽試驗(yàn)開展了非淹沒復(fù)試斷面丁壩流速分布,通過數(shù)值模擬的方法研究了階梯形丁壩對(duì)來流和回流的影響;孫志林[7]等通過水槽實(shí)驗(yàn)研究了丁壩周圍流動(dòng)和局部沖刷;韓晗[8]等通過水槽試驗(yàn)對(duì)回流區(qū)流速分布和泥沙輸移進(jìn)行了研究;顧杰等[9]通過超聲水位和PIV流速測(cè)量技術(shù),對(duì)U形水槽中不同水力坡度淹沒丁壩斷面流速進(jìn)行了研究;黃小利等[10]通過ADV測(cè)量研究了水槽堆積體附近流速變化規(guī)律;張玉等[11]通過水槽試驗(yàn)對(duì)挑流石作用下丁壩周圍流速變化進(jìn)行了研究;楊蘭[12]等通過數(shù)值模擬的方法研究了非淹沒丁壩周圍流場(chǎng)變化和局部沖刷;楊靜等[13]通過丁壩水流紊動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì)主流區(qū)、回流區(qū)和回流負(fù)流區(qū)進(jìn)行了流速與切應(yīng)力的研究。學(xué)者多是基于實(shí)體丁壩進(jìn)行研究,而實(shí)際工程中采用散拋石丁壩,具有一定的透水特性,模型試驗(yàn)中實(shí)體丁壩不能準(zhǔn)確反應(yīng)拋石丁壩水力特性,本文為進(jìn)一步還原實(shí)際河道中丁壩附近水力特性,采用透水丁壩的形式,通過改變丁壩淹沒程度、空隙率和空隙尺寸條件,對(duì)丁壩上游回水區(qū)、下游回水區(qū)和主流區(qū)的縱向流速在垂向分布進(jìn)行研究。以便更好服務(wù)于實(shí)際工程中丁壩的維修加固提。

        1 模型設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)在重慶交通大學(xué)航道試驗(yàn)廳長(zhǎng)為30 m、寬為2 m、高為1 m的矩形玻璃水槽中進(jìn)行。通過對(duì)長(zhǎng)江上游已建丁壩的統(tǒng)計(jì)分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況,決定應(yīng)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,迎水坡坡比m1=1:1.5,背水坡坡比m2=1:2,壩頂寬b=7.5 cm,壩高d=10 cm,壩長(zhǎng)L=50 cm;控制水深分別采用剛淹沒丁壩H1=11 cm,淹沒水深H2=14 cm和H3=17 cm;控制流量分別采用Q1=65 L/s,Q2=95 L/s,Q3=135 L/s;空隙率分別采用P1=6.8%,P2=14.1%,P3=22.5%;空隙尺寸分別采用R1=16 mm,R2=20 mm,R3=32 mm,模型丁壩實(shí)例見圖1;相應(yīng)試驗(yàn)工況見表1。在丁壩附近布置13個(gè)觀測(cè)斷面,每個(gè)斷面上布置7個(gè)觀測(cè)點(diǎn),每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)采用3點(diǎn)法(0.2H,0.6H,0.8H)采樣流速數(shù)據(jù)。丁壩及觀測(cè)斷面布置示意如圖2。

        圖1 模型丁壩實(shí)例示意

        表1 實(shí)驗(yàn)工況

        圖2 丁壩及觀測(cè)斷面布置示意

        2 研究方法

        采用控制單一變量法,通過控制不同淹沒程度,不同空隙率,不同空隙尺寸以達(dá)到研究縱向流速在水深方向的分布規(guī)律。首先以丁壩為基點(diǎn)從左到右,從下到上的方向,其坐標(biāo)值均采用相對(duì)坐標(biāo)值表示:平面以X/L和Y/L表示;垂向以相對(duì)水深(H-h)/H表示,其中h是從水面向下的水深;平面速度以V與上游控制邊界處平均速度V0的比值V/V0表示;淹沒程度以Z/H表示,其中Z=H-d表示淹沒水深。以此研究丁壩上游回水區(qū)A、下游回水區(qū)B和主流區(qū)C的縱向流速分布規(guī)律。平面上的流速分區(qū)如圖3所示。

        圖3 平面流速分區(qū)示意

        3 縱向流速在垂線上的分布

        3.1 不同淹沒條件下縱向流速分布

        以透水丁壩R1=16 mm,P1=6.8%為例。研究不同淹沒程度條件下,上游回流區(qū)A,下游回流區(qū)B,主流區(qū)C各選取兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行流速分析。

        3.1.1上游回流區(qū)(A區(qū))

        由圖4可知,上游回流區(qū)在相同空隙條件下,流速大小跟淹沒程度呈正相關(guān)。在回水區(qū)范圍內(nèi)無論是底層流速還是表層流速都小于控制斷面的平均流速。淹沒程度為0.1倍水深時(shí),丁壩上游0.38倍壩長(zhǎng)處0.2倍水深對(duì)應(yīng)0.31倍控制平均流速;0.4倍水深對(duì)應(yīng)0.42倍控制平均流速;0.8倍水深對(duì)應(yīng)0.35倍控制平均流速;流速呈現(xiàn)從底層到表層先增大后減小的現(xiàn)象,1.88倍壩長(zhǎng)處服從相同的變化規(guī)律。淹沒程度為0.7倍水深時(shí),丁壩上游0.38倍壩長(zhǎng)處0.2倍水深對(duì)應(yīng)0.5倍控制平均流速;0.4倍水深對(duì)應(yīng)0.7倍控制平均流速;0.8倍水深對(duì)應(yīng)0.81倍控制平均流速;流速從底層到表層逐漸增大,1.88倍壩長(zhǎng)處服從相同的變化規(guī)律。這是由于在淹沒系數(shù)較小的條件下,丁壩的阻水作用比較突出,翻壩水流較小,中層水流受到丁壩迎水坡的阻擋產(chǎn)生上反水流減小表層流速;當(dāng)淹沒系數(shù)較大的條件下,丁壩的阻水作用減弱,翻壩水流較大,液體的粘滯性起主要作用帶動(dòng)表層水體流動(dòng)而沒有形成明顯的表層流速減小現(xiàn)象。

        圖4 透水丁壩在不同淹沒條件下上游回流區(qū)測(cè)點(diǎn)V/V0的垂向分布示意

        3.1.2下游回流區(qū)(B區(qū))

        由圖5可知,下游回水區(qū)在不同淹沒條件下,表層流速大小跟淹沒程度呈正相關(guān)。在下游1.68倍壩長(zhǎng)處,不同淹沒條件下,無論是底層流速還是表層流速都小于控制平均流速。淹沒程度為0.4倍水深時(shí),流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì),1.68倍壩長(zhǎng)處服從相同的變化規(guī)律。淹沒程度為0.7倍水深服從相同的變化規(guī)律。在壩下游0.48倍壩長(zhǎng)處,距左岸0.5倍位置,淹沒程度為0.1倍水深出現(xiàn)0.2倍水深流速最大,0.4倍水深和0.8倍水深流速相對(duì)偏小且大小相近。這是因?yàn)樵谘蜎]系數(shù)較小的條件下,距離背水坡坡腳較近處,翻壩水流較小,壩后水深小,壩頂和壩后水位差大,水流從壩頂下泄后,由于背水坡的存在產(chǎn)生急速向下的水流直接楔進(jìn)水底致使底層流速大于表層流速,而較遠(yuǎn)處因水流的摻混作用而消失;淹沒系數(shù)相對(duì)較大條件下,翻壩水流較大,壩頂和壩后水位差較小,沒有產(chǎn)生明顯的下潛水流,流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象。

        圖5 透水丁壩在相同空隙條件下下游回流區(qū)測(cè)點(diǎn)V/V0的垂向分布示意

        3.1.3主流區(qū)(C區(qū))

        由圖6可知,主流區(qū)在相同空隙條件下,流速與淹沒程度呈負(fù)相關(guān)。在不同淹沒條件下,丁壩下游0.48倍壩長(zhǎng)處,無論是底層流速還是表層流速都大于控制平均流速。淹沒程度為0.7倍水深時(shí),流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象,1.68倍壩長(zhǎng)處服從相同的變化現(xiàn)象。淹沒程度為0.1倍水深和淹沒程度為0.4倍水深服從相同的變化規(guī)律。淹沒程度為0.1倍水深時(shí),最大流速出現(xiàn)在1.68倍壩長(zhǎng)處;淹沒程度為0.7倍水深時(shí),最大流速出現(xiàn)在0.48倍壩長(zhǎng)處;說明隨著淹沒程度的增大,最小收縮斷面明顯上移。這也符合壩上回流區(qū)和壩下回流區(qū)隨淹沒程度變化的流速分布規(guī)律。隨著淹沒程度的增大丁壩挑流作用和束水能力減弱。

        圖6 透水丁壩在不同淹沒條件下主流區(qū)測(cè)點(diǎn)V/V0的垂向分布示意

        3.2 不同空隙率下縱向流速分布

        以透水丁壩R1=16 mm,H2=14 cm為例,研究不同空隙率條件下,上游回流區(qū)A,下游回流區(qū)B,主流區(qū)C各選取兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行流速分析。

        3.2.1上游回水區(qū)(A區(qū))

        由圖7可知,上游回水區(qū)在相同空隙尺寸條件下,底層流速與空隙率呈正相關(guān)。在不同空隙率條件下,無論是底層流速還是表層流速都小于控制平均流速??障堵蔖1=6.8%時(shí),流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象??障堵蔖2=14.1%和P3=22.5%服從相同的變化規(guī)律。上游1.88倍壩長(zhǎng)處對(duì)應(yīng)水深條件下的流速都大于0.38倍壩長(zhǎng)處相應(yīng)流速值。空隙率P1=6.8%時(shí),1.88倍壩長(zhǎng)處沿豎直方向流速呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象;空隙率P3=22.5%時(shí),1.88倍壩長(zhǎng)處沿垂線方向流速呈現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象。這是由于0.38倍壩長(zhǎng)處,距離丁壩較近,丁壩空隙的淹沒出流作用強(qiáng),流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象;1.88倍壩長(zhǎng)處,距離丁壩較遠(yuǎn),當(dāng)空隙率較小時(shí),迎水坡產(chǎn)生上反水流折減了一部分表面流速所致;空隙率較大時(shí),折減作用消失,且出現(xiàn)0.4倍水深對(duì)應(yīng)控制平均流速減小現(xiàn)象。

        圖7 透水丁壩在不同空隙率條件下上游回流區(qū)測(cè)點(diǎn)V/V0的垂向分布示意

        3.2.2下游回水區(qū)(B區(qū))

        由圖8可知,表層流速隨空隙率的增大呈現(xiàn)逐漸增加的現(xiàn)象。當(dāng)空隙率P1=6.8%時(shí),丁壩下游0.48倍壩長(zhǎng)處0.2倍水深對(duì)應(yīng)0.1倍控制平均流速;0.4倍水深對(duì)應(yīng)0.2倍控制平均流速;0.8倍水深對(duì)應(yīng)0.95倍控制平均流速;流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象,1.88倍壩長(zhǎng)處服從相同的分布規(guī)律??障堵蔖2=14.1%和P3=22.5%時(shí)服從相同的變化現(xiàn)象。因?yàn)殡S著空隙尺寸的增加水越作用減弱,表層旋滾作用逐漸消失。

        圖8 透水丁壩在不同空隙率條件下下游回流區(qū)測(cè)點(diǎn)V/V0的垂向分布示意

        3.2.3主流區(qū)(C區(qū))

        由圖9可知,主流區(qū)在相同空隙尺寸條件下,表層流速與空隙率呈負(fù)相關(guān),在丁壩下游1.68倍壩長(zhǎng)處,從底層到表層流速與空隙率呈嚴(yán)格負(fù)相關(guān)??障堵蔖1=6.8%時(shí),流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象。1.68倍壩長(zhǎng)處符合相同的變化規(guī)律??障堵蔖2=14.1%、P3=22.5%和P1=6.8%變化規(guī)律一致。空隙率P1=6.8%和P2=14.1%之間流速差值較小,P1=6.8%和P3=22.5%之間流速差值較大。空隙率越大對(duì)主流區(qū)的分流作用越強(qiáng)。

        圖9 透水丁壩在不同空隙率條件下主流區(qū)測(cè)點(diǎn)V/V0的垂向分布示意

        3.3 不同空隙尺寸下縱向流速分布

        以透水丁壩P2=14.1%,H2=14 cm為例,研究不同空隙尺寸條件下,上游回流區(qū)A,下游回流區(qū)B,主流區(qū)C各選取兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行流速分析

        3.3.1上游回水區(qū)(A區(qū))

        由圖10可知,上游回水區(qū)在相同空隙率條件下,表層流速與空隙尺寸呈正相關(guān),底層流速與空隙尺寸呈負(fù)相關(guān)??障冻叽鏡1=16 mm時(shí),丁壩上游0.38倍壩長(zhǎng)處,流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象。1.68倍壩長(zhǎng)處符合相同的變化規(guī)律??障冻叽鏡2=20 mm、R3=32 mm和R1=16 mm的變化規(guī)律一致??障堵室欢〞r(shí),空隙尺寸越小則空隙數(shù)目越多,空隙在丁壩上的分布越均勻,不同水深對(duì)應(yīng)的流速梯度越小,這是造成表層流速和底層流速隨空隙尺寸變化相反的原因。

        圖10 透水丁壩在不同空隙尺寸條件下上游回流區(qū)測(cè)點(diǎn)V/V0的垂向分布示意

        3.3.2下游回水區(qū)(B區(qū))

        由圖11可知,空隙尺寸R2=20 mm時(shí),丁壩下游0.48倍壩長(zhǎng)處0.2倍水深對(duì)應(yīng)0.18倍控制平均流速;0.4倍水深對(duì)應(yīng)0.42倍控制平均流速;0.8倍水深對(duì)應(yīng)0.92倍控制平均流速;流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象,1.68倍的壩長(zhǎng)處符合相同的變化規(guī)律。空隙尺寸R3=16 mm的變化規(guī)律與R2=32 mm服從相同的現(xiàn)象,且其速度均小于控制平均流速。在丁壩下游1.68倍壩長(zhǎng),距左岸0.5倍壩長(zhǎng)位置,0.8倍水深處R3=16 mm流速偏小,可能是流速儀懸槳被纏繞所致。相同空隙率條件下空隙尺寸相對(duì)較大不同相對(duì)水深流速變化越小,空隙尺寸越大對(duì)水越的折減作用越明顯。

        圖11 透水丁壩在不同空隙尺寸條件下下游回流區(qū)測(cè)點(diǎn)V/V0的垂向分布示意

        3.3.3主流帶區(qū)(C區(qū))

        由圖12可知,主流區(qū)在相同空隙率條件下,整體流速均大于控制平均流速;空隙尺寸R1=16 mm的表層流速最小,R3=32 mm的表層流速其次,R2=20 mm的表層流速最大;丁壩下游0.48倍壩長(zhǎng)處底層流速R1=16 mm最大,R2=20 mm其次,R3=32 mm最小,即底層流速與空隙尺寸呈負(fù)相關(guān)??障冻叽鏡1=16 mm時(shí),流速從底層到表層呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象。1.68倍壩長(zhǎng)處符合相同的變化規(guī)律??障冻叽鏡2=20 mm、R3=32 mm和R1=16 mm的變化規(guī)律一致。空隙尺寸R3=32 mm時(shí),丁壩下游0.48倍壩長(zhǎng)處0.2倍水深對(duì)應(yīng)控制流速小于1.68倍壩長(zhǎng)處0.2倍水深對(duì)應(yīng)的流速;R2=20 mm時(shí),丁壩下游0.48倍壩長(zhǎng)處0.2倍水深對(duì)應(yīng)控制流速大于1.68倍壩長(zhǎng)處0.2倍水深對(duì)應(yīng)的流速。主流區(qū)在相同空隙率下,空隙尺寸越大則最大流速距離丁壩下游越遠(yuǎn)。

        圖12 透水丁壩在不同空隙尺寸條件下主流區(qū)測(cè)點(diǎn)V/V0的垂向分布示意

        4 結(jié)論與展望

        通過水槽模型概化試驗(yàn),針對(duì)不同淹沒程度、不同空隙尺寸和不同空隙率因素分析,得出丁壩上游回水區(qū)、下游回水區(qū)和主流區(qū)縱向流速在垂線的變化規(guī)律如下:

        1)在相同空隙率、相同空隙尺寸條件下,上游回流區(qū)流速均小于控制平均流速且流速大小與淹沒程度呈正相關(guān)。下游回流區(qū)僅表層流速與淹沒程度呈正相關(guān);主流區(qū)流速均大于控制平均流速且流速大小與淹沒程度呈負(fù)相關(guān);流速從底層到表層呈逐漸增大的現(xiàn)象。

        2)在相同淹沒程度、相同空隙尺寸條件下,上游回流區(qū)流速均小于控制平均流速且底層流速與空隙率呈正相關(guān)。下游回流區(qū)1.68倍壩長(zhǎng)處流速均小于控制平均流速;空隙率P1=6.8%時(shí),流速從底層到表層呈逐漸增大的現(xiàn)象。主流區(qū)流速均大于控制平均流速且表層流速與空隙率呈負(fù)相關(guān),下游1.68倍壩長(zhǎng)處從底層到表層流速與空隙率呈負(fù)相關(guān)。

        3)在相同淹沒程度、相同空隙率條件下,上游回水區(qū)流速均小于控制平均流速且表層流速與空隙尺寸呈正相關(guān),底層流速與空隙尺寸呈負(fù)相關(guān);流速從底層到表層呈逐漸增大的現(xiàn)象;主流區(qū)流速均大于控制平均流速;流速從底層到表層呈逐漸增大的現(xiàn)象。

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