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。