鐘 亮,姜 利,姜 彤,李國(guó)際,陳鏡元
(1.重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,重慶 400074; 2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074)
丁壩是常見(jiàn)的航道整治建筑物,具有束水攻沙和改善流態(tài)等作用。航道整治中,丁壩縱剖面多采用單一斷面型式(簡(jiǎn)稱“單式斷面丁壩”);但對(duì)某些汛期泥沙淤積嚴(yán)重、退水期沖刷不及的礙航淺灘河段,為增加航槽沖刷和減小防洪影響,丁壩縱剖面常采用2級(jí)整治水位相結(jié)合的型式,并設(shè)計(jì)成階梯形(簡(jiǎn)稱“階梯形丁壩”)[1],目前階梯形丁壩在航道整治中應(yīng)用廣泛[2-3]。
丁壩周?chē)臎_刷可分為局部沖刷和普通沖刷,其中局部沖刷是壩體水毀的主要原因[4],因而受到廣泛關(guān)注。單式斷面丁壩方面,潘軍峰等[5]、Bey等[6]、Zhang等[7]、Kuhnle等[8]采用水槽試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法,分析了丁壩周?chē)乃鹘Y(jié)構(gòu)特征,認(rèn)為丁壩周?chē)纬傻鸟R蹄渦、尾渦和下潛流等水流結(jié)構(gòu),是造成局部沖刷的主要原因;彭靜等[9]根據(jù)最大沖深將沖刷過(guò)程分為初始階段、發(fā)展階段和平衡階段,其中初始階段的丁壩局部沖刷最為明顯;Pandey等[10]、張立等[11]的丁壩清水沖刷試驗(yàn)研究顯示,最大沖深與上游來(lái)流強(qiáng)度、沖坑平面展寬速率和泥沙粒徑等有關(guān);寧健等[12]應(yīng)用水流泥沙數(shù)學(xué)模型,探討了河寬束窄率對(duì)最大沖深的影響;喻濤等[13]基于概化水槽試驗(yàn),研究了非恒定流作用下的丁壩局部沖刷問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)隨著壩后沖坑下游沙壟的形成與消亡,沖坑范圍會(huì)出現(xiàn)短時(shí)減小的現(xiàn)象。階梯形丁壩方面,鐘亮等[1,14]基于水槽試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法,探討了階梯形丁壩的水流流速分布特征及下游回流規(guī)律,為沖刷特性研究奠定了基礎(chǔ);丁晶晶等[15]探討了臺(tái)階尺度、級(jí)數(shù)等對(duì)臺(tái)階式丁壩局部沖坑的影響。
綜上所述,國(guó)內(nèi)外丁壩局部沖刷問(wèn)題研究主要針對(duì)單式斷面丁壩,且多為恒定流條件,非恒定流作用下的階梯形丁壩局部沖刷特性問(wèn)題研究還較薄弱,相關(guān)認(rèn)識(shí)仍需加強(qiáng)。為此,本文以階梯形丁壩為例,通過(guò)自回歸馬爾柯夫模型概化天然非恒定來(lái)流過(guò)程,基于平面二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型,探討非恒定流作用下的階梯形丁壩局部沖刷特性。
采用平面二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究,模型控制方程和相關(guān)計(jì)算公式如式(1)—式(6)所示。
水流連續(xù)方程為
(1)
水流運(yùn)動(dòng)方程為
(2)
(3)
泥沙輸運(yùn)模型主要采用Engelund-Hansen輸沙理論,總輸沙率Stl表示為
(4)
泥沙連續(xù)方程為
(5)
河床變形方程為
(6)
采用喻濤[16]的水槽試驗(yàn)資料進(jìn)行模型率定與驗(yàn)證,試驗(yàn)流量為非恒定流,試驗(yàn)水槽為矩形玻璃水槽,長(zhǎng)30 m、寬2 m、高1 m,水槽中部鋪設(shè)了長(zhǎng)8 m的動(dòng)床段,丁壩周?chē)鄣卒伾澈?2 cm,其余區(qū)域鋪沙厚10 cm,床沙粒徑d50=1.0 mm,重度γs=26.5 kN/m3;丁壩位于水槽左岸,距進(jìn)口12.75 m,丁壩高10 cm、底長(zhǎng)75 cm、底寬42.5 cm,迎水坡坡比1∶1.5、背水坡坡比1∶2、壩頭坡比1∶2.5,壩頭為圓弧形直頭。
計(jì)算區(qū)域采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分,網(wǎng)格邊長(zhǎng)約8 cm,丁壩區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理,邊長(zhǎng)約2 cm,求解格式精度采用一階精度方法。在水流運(yùn)動(dòng)模塊中,設(shè)定水槽左右兩岸均為陸邊界,水流的法向分量恒為0,Vn(x,y,z,t)=0,無(wú)熱、鹽交換,不考慮風(fēng)、柯氏力影響;主時(shí)間步長(zhǎng)與最大時(shí)間步長(zhǎng)取值為0.2 s,最小時(shí)間步長(zhǎng)取值為0.001 s,臨界克朗數(shù)取為0.8;不考慮密度梯度流,選擇Barotropic正壓模型,即溫度和鹽度為常數(shù),密度則保持不變;設(shè)定濕水深hwet=0.05 m,干水深hdry=0.005 m,淹沒(méi)水深hflood=0.05 m;水平渦粘系數(shù)采用Smagorinsky公式,Cs取為0.28;曼寧系數(shù)為70,即設(shè)定糙率n為0.014 3。在泥沙輸移模塊中,設(shè)定泥沙輸移僅受單一水流條件作用,進(jìn)口與出口邊界均為0梯度,即無(wú)泥沙輸入與輸出。
2.2.1 水位驗(yàn)證
選取最大洪峰流量時(shí)的水位進(jìn)行驗(yàn)證,限于篇幅,這里僅給出左岸、中軸和右岸3條縱向水面線的驗(yàn)證結(jié)果(圖1),對(duì)比顯示,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的符合程度較高,水面線走勢(shì)吻合較好,水位偏差基本在0.1 cm以內(nèi)。
圖1 水位驗(yàn)證Fig.1 Verification of water level
2.2.2 流速驗(yàn)證
圖2給出了縱向時(shí)均流速的驗(yàn)證結(jié)果,圖中實(shí)測(cè)值為最大洪峰流量時(shí)的流速;以壩軸線(CS2)為基準(zhǔn),上游測(cè)流斷面CS1距壩軸線26.25 cm,下游測(cè)流斷面CS3、CS4分別距壩軸線73.75 cm和173.75 cm。驗(yàn)證表明,計(jì)算流速與實(shí)測(cè)流速在大小、分布上均較吻合,流速偏差基本在0.05 m/s以內(nèi)。
圖2 流速驗(yàn)證Fig.2 Verification of flow velocity
2.2.3 沖淤變形驗(yàn)證
圖3給出了典型斷面的河床沖淤變形驗(yàn)證,圖中沖淤深度正值表示淤積,負(fù)值表示沖刷,零值表示不沖不淤;斷面CS1位于丁壩上游26 cm,斷面CS2、CS3、CS4分別位于丁壩下游26、76、176 cm。結(jié)果顯示,計(jì)算和實(shí)測(cè)的泥沙沖淤部位基本一致,沖淤偏差基本在0.5 cm以內(nèi),符合程度良好。
圖3 沖淤變形驗(yàn)證Fig.3 Verification of erosion and deposition deformation
綜上所述,水位、流速、河床沖淤變形的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好,本文模型可用于后續(xù)研究。
參考《航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 181—2016),并考慮水槽和丁壩對(duì)水流泥沙運(yùn)動(dòng)的影響,數(shù)值模擬時(shí),采用正挑階梯形丁壩,迎水坡坡比為1∶1.5,背水坡坡比為1∶1.5,壩頭坡比為1∶1,壩頭采用圓弧形直頭。
本文研究主要針對(duì)非淹沒(méi)丁壩,丁壩總高H=0.1 m,壩頂寬b=0.1 m,一級(jí)壩高Hd1=0.05 m,一級(jí)壩長(zhǎng)Ld1=0.8 m,二級(jí)壩長(zhǎng)Ld2=0.55 m,床沙中值粒徑d50=0.8 mm,丁壩尺度及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖4。為與恒定流條件下的局部沖刷特性進(jìn)行對(duì)比,設(shè)置了1組恒定流計(jì)算工況,流量Q=80 L/s,尾門(mén)斷面水深h=0.08 m,丁壩縱剖面、床沙條件均與非恒定流條件保持一致。研究表明[9,17],該恒定流條件下沖刷6 h床面沖刷即可達(dá)到平衡。數(shù)值模擬時(shí),其余參數(shù)設(shè)置均與模型率定與驗(yàn)證時(shí)保持一致。
圖4 丁壩縱剖面及網(wǎng)格劃分Fig.4 Longitudinal profile and grid division of spur dike
為模擬天然河流的典型非恒定來(lái)流過(guò)程,選用長(zhǎng)江上游寸灘水文站1955—2012年的實(shí)測(cè)日均流量資料,并統(tǒng)計(jì)獲得年徑流序列過(guò)程;然后根據(jù)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法,確定年徑流序列中的14個(gè)突變點(diǎn),并將其剔除;最后采用自回歸馬爾柯夫模型[13],結(jié)合正弦變化流量特征曲線,得到相應(yīng)的模擬流量過(guò)程[17]見(jiàn)圖5(a)。為使非恒定來(lái)流總量與恒定來(lái)流時(shí)保持一致,將得到的模擬流量過(guò)程,按比例重新分配到平均流量為80 L/s、周期為6 h的流量過(guò)程內(nèi),該時(shí)段內(nèi)的總來(lái)水量為1 728 m3;尾水位則采用明渠均勻流公式計(jì)算得到。數(shù)值模擬采用了周期相同、起始流量不同的2種概化來(lái)流過(guò)程,即波谷起沖與波峰起沖,見(jiàn)圖5(b);隨沖刷歷時(shí)的增加,波谷起沖來(lái)流過(guò)程依次經(jīng)歷漲水期和落水期,波峰起沖來(lái)流過(guò)程依次經(jīng)歷落水期和漲水期。
圖5 典型來(lái)流過(guò)程概化Fig.5 Generalization of typical inflow process
圖6給出波谷起沖和波峰起沖條件下不同時(shí)刻的丁壩區(qū)平面流場(chǎng)分布,其中水流正向由左至右,流速為0的區(qū)域?yàn)榇裁嬗俜e處。與恒定流時(shí)相似,受丁壩阻水和挑流等作用的影響,非恒定流作用下的丁壩水流可分為主流區(qū)、上游滯流區(qū)和下游回流區(qū)[18]。
圖6 平面流場(chǎng)分布Fig.6 Distribution of plane flow field
波谷起沖來(lái)流過(guò)程下,在漲水期(t≤3.75 h),隨著上游來(lái)流量的逐漸增大,水流靠近丁壩時(shí)產(chǎn)生繞流,使得壩頭局部流速增大,壩后主流區(qū)流速增大,主流高速區(qū)逐漸向丁壩岸側(cè)、丁壩斷面處移動(dòng);受水槽左邊界的影響,偏移的主流區(qū)使下游回流區(qū)的范圍被逐漸壓縮,回流長(zhǎng)度與寬度逐漸減小,回流區(qū)流速逐漸增大。在落水期(t>3.75 h),隨著上游來(lái)流量的逐漸減小,主流區(qū)流速也隨之減小,下游床面落淤逐漸出現(xiàn),且淤積量逐漸增多;受淤積區(qū)的影響,主流區(qū)被逐漸分離成2個(gè)區(qū)域,回流區(qū)的長(zhǎng)度與寬度緩慢減小,回流區(qū)流速也逐漸減小。
波峰起沖來(lái)流過(guò)程下,在落水期前期(t≤1.43 h),由于初始流量為最大流量,下游河床開(kāi)始產(chǎn)生了較大的沖淤變形,隨著上游來(lái)流量的逐漸減小,背離丁壩岸側(cè)的主流區(qū)流速也隨之減小,下游床面淤積逐漸增多;受淤積區(qū)和水槽左邊界的影響,主流區(qū)開(kāi)始被分離成2個(gè)區(qū)域,其中靠近丁壩岸側(cè)的主流區(qū)流速逐漸增大,回流區(qū)的長(zhǎng)度、寬度和流速逐漸減小。在落水期后期和漲水期前期(1.43 h 總體而言,6 h沖刷歷時(shí)中,當(dāng)上游來(lái)流量相同時(shí),波谷起沖條件下,漲水期的主流區(qū)流速、回流區(qū)尺度均較落水期大,但落水期的下游床面淤積較漲水期明顯;波峰起沖條件下,受下游淤積區(qū)及水槽左邊界的影響,小流量時(shí)的漲水期主流區(qū)流速、回流區(qū)尺度較落水期無(wú)明顯變化,大流量時(shí)的漲水期主流區(qū)流速、回流區(qū)尺度較落水期小,但其中靠近丁壩岸側(cè)的部分主流區(qū)流速較落水期大。 3.2.1 沖坑形態(tài)發(fā)展過(guò)程 圖7給出了波谷起沖和波峰起沖時(shí)的床面沖淤形態(tài)變化,圖中hb表示床面沖淤高度。波谷起沖來(lái)流過(guò)程下,漲水期(t≤3.75 h),壩頭附近的沖刷隨上游來(lái)流量的增加迅速發(fā)展,沖刷深度逐漸增大,沖坑沿橫向和縱向均明顯延長(zhǎng),上游邊界逐漸由上凸形發(fā)展為下凹形;壩后主流高速區(qū)向丁壩側(cè)移動(dòng),回流區(qū)寬度減小、流速增大,使得靠近壩頭的沖坑下游邊界逐漸向強(qiáng)沖深區(qū)收縮;與此同時(shí),較高流速水流的持續(xù)沖刷,使沖坑后方淤積區(qū)有被分成2個(gè)區(qū)域的趨勢(shì)。落水期(t>3.75 h),隨上游來(lái)流量的逐漸減小,沖坑下游邊界沿縱向繼續(xù)延長(zhǎng),而上游邊界變化極小;由于落水期前期的上游來(lái)流量較大,受主流區(qū)較高流速水流的持續(xù)沖刷,沖坑后方淤積區(qū)被沖刷成了2個(gè)區(qū)域;受下游淤積區(qū)的阻水影響,沖坑下游邊界向下游凸出后回縮,接近回流區(qū)的沖坑下邊界逐漸變得平緩。 圖7 床面沖淤形態(tài)Fig.7 Erosion and deposition patterns of bed surface 波峰起沖來(lái)流過(guò)程下,落水期前期(t≤1.43 h),沖坑上、下游邊界沿橫向和縱向的變化與波谷起沖落水期的沖坑邊界發(fā)展相似,但由于2種條件下的壩后淤積區(qū)位置不同,下游邊界向下游凸起后未回縮;受初始流量大小的影響,波峰起沖條件下的下游河床,開(kāi)始便出現(xiàn)了較大的沖淤變形,而壩后淤積區(qū)受主流區(qū)較高流速水流的擠壓,逐漸在靠近丁壩岸側(cè)處,形成一條狹長(zhǎng)的淤積帶;受淤積帶的阻流作用,靠近淤積區(qū)的沖坑下游邊界逐漸向強(qiáng)沖深區(qū)收縮。在落水期后期與漲水期前期(1.43 h 3.2.2 壩頭最大沖深發(fā)展過(guò)程 圖8給出了最大沖深hs隨沖刷歷時(shí)的變化。波谷起沖來(lái)流過(guò)程下,沖刷大約在t=1.75 h(漲水期Q=43.2 L/s)時(shí)開(kāi)始,隨著上游來(lái)流量的增大,沖坑迅速發(fā)展,沖深隨時(shí)間呈線性增長(zhǎng);達(dá)到最大流量后,由于主流區(qū)流速較大,沖刷仍將高速發(fā)展,直到t=4.5 h(落水期Q=140.0 L/s)時(shí),沖深才達(dá)到最大值;隨著主流區(qū)流速的逐漸減小,水流沖刷能力顯著減弱,此時(shí)沖坑邊壁由于不穩(wěn)定而坍塌,沖深有所減小,到t=4.92 h(落水期Q=100.6 L/s)時(shí),最大沖深趨于穩(wěn)定。 圖8 最大沖深隨沖刷歷時(shí)的變化Fig.8 Variation of maximum scour depth withscouring duration 波峰起沖來(lái)流過(guò)程下,由于初始流量為最大流量,沖刷在t=0 h時(shí)便開(kāi)始,沖深隨著時(shí)間呈線性增長(zhǎng);當(dāng)t=1.75 h(落水期Q=60.1 L/s)時(shí),沖刷發(fā)展到一定的深度,由于落水期過(guò)渡到漲水期的一段時(shí)間內(nèi),上游來(lái)流量始終較小,此時(shí)的水流挾沙能力較弱,局部沖刷不再發(fā)展,沖深保持在一個(gè)穩(wěn)定值;直到t=4.58 h(漲水期Q=62.8 L/s)時(shí),流速增至可繼續(xù)沖刷,沖深隨時(shí)間再次呈線性增長(zhǎng),增長(zhǎng)速率與t≤1.75 h(落水期)時(shí)基本一致。 與恒定流條件對(duì)比,恒定流的沖深發(fā)展速率隨沖刷歷時(shí)逐漸降低,非恒定流的沖深發(fā)展速率隨沖刷歷時(shí)幾乎不變。6 h沖刷歷時(shí)中,恒定流條件下的最大沖深可達(dá)7.77 cm;非恒定流波谷起沖、波峰起沖條件下的最大沖深分別可達(dá)9.75 cm和11.99 cm(t=6 h),較恒定流時(shí)增加25.5%~54.3%。 3.3.1 波谷起沖條件下的發(fā)展規(guī)律 圖9給出了波谷起沖條件下的沖坑尺度隨時(shí)間變化,其中A為沖坑面積,a/Ld1、b/Ld1分別為無(wú)量綱化后的沖坑長(zhǎng)度和沖坑寬度。 圖9 波谷起沖條件下的沖坑尺度隨時(shí)間變化Fig.9 Scale variation of scour pit with time underthe condition of trough inflow process 對(duì)于沖坑面積隨時(shí)間變化,壩頭局部沖刷開(kāi)始后(t=1.75),隨上游行近流速的逐漸增大,主流高速區(qū)向丁壩岸側(cè)偏移,使沖刷坑面積在漲水期迅速增長(zhǎng);因非恒定流的流量、流速等各水力參數(shù)之間存在著不同步的現(xiàn)象,當(dāng)流速達(dá)到最大時(shí),流量還未達(dá)到最大[16],因而在最大流量到達(dá)前,沖坑面積增長(zhǎng)速率開(kāi)始變緩;落水期的沖坑面積增長(zhǎng)也基本保持著這一增率,直到t=5.3 h(落水期Q=67.9 L/s),沖坑面積才達(dá)到穩(wěn)定。 對(duì)于沖坑長(zhǎng)度和寬度隨時(shí)間變化,沖坑長(zhǎng)度隨沖刷歷時(shí)的增長(zhǎng)速率與沖坑面積基本一致,漲水期增長(zhǎng)速率較快;在t=2.83 h(漲水期Q=122.2 L/s)之后,受水力參數(shù)不同步性與統(tǒng)計(jì)范圍限制,增長(zhǎng)速率變緩,直到t=5.42 h(漲水期Q=62.3 L/s)后達(dá)到穩(wěn)定,約為9.2Ld1。沖坑寬度在漲水期t=(1.75~2.17)h呈線性的急速增長(zhǎng),隨后呈臺(tái)階狀緩慢增長(zhǎng),這是由于沖坑的整體發(fā)展與變化是由上下游兩側(cè)邊界共同決定的;到t=3.83 h(落水期Q=181.2 L/s)時(shí),沖刷坑的寬度達(dá)到最大值,約為2Ld1,并且在之后的流量過(guò)程中不再變化。 3.3.2 波峰起沖條件下的發(fā)展規(guī)律 圖10給出了波峰起沖條件下的沖坑尺度隨時(shí)間變化。對(duì)于沖坑面積隨時(shí)間變化,沖坑在開(kāi)始的5 min內(nèi)高速發(fā)展,其面積在t=1.5 h(落水期Q=77.4 L/s)前呈先增長(zhǎng)后穩(wěn)定再增長(zhǎng)的變化趨勢(shì);隨著上游來(lái)流量的減小,沖坑面積逐漸不再變化,直到t=4.75 h(漲水期Q=75.0 L/s),沖坑面積隨流量的增大又呈線性快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。 圖10 波峰起沖條件下的沖坑尺度隨時(shí)間變化Fig.10 Scale variation of scour pit with time underthe condition of peak inflow process 對(duì)于沖坑長(zhǎng)度和寬度隨時(shí)間變化,在t=(0~4.75)h時(shí),沖坑長(zhǎng)度變化與面積變化具有相同的趨勢(shì);在t=4.75 h后,沖坑長(zhǎng)度隨流量的增大而增大,增長(zhǎng)速率呈兩段式,結(jié)合圖7(b)可見(jiàn),這與沖坑邊壁坍塌及壩后狹長(zhǎng)淤積帶有關(guān);當(dāng)沖刷結(jié)束時(shí)(t=6 h),沖坑長(zhǎng)度可達(dá)11.3Ld1,由于此時(shí)流量達(dá)到最大,沖刷并未達(dá)到穩(wěn)定,沖刷坑長(zhǎng)度有繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。沖刷坑寬度的增長(zhǎng)與波谷起沖條件下具有相似性,均為在線性高速增長(zhǎng)后呈臺(tái)階狀緩慢增長(zhǎng),其成因與波谷起沖也基本相同;不同之處在于,當(dāng)t=0.83 h(落水期Q=136.6 L/s)時(shí),由于上游來(lái)流量在一段時(shí)間內(nèi)均較小,沖坑發(fā)展極為緩慢,沖坑最大寬度暫時(shí)保持穩(wěn)定;直到t=5.75 h(漲水期Q=175.4 L/s)時(shí),流量的持續(xù)增大導(dǎo)致床面受到較高流速水流的持續(xù)沖刷,沖坑最大寬度才有所加寬,可達(dá)2.1Ld1。 (1)不同流量過(guò)程下,壩后主流區(qū)和回流區(qū)的流速均隨上游來(lái)流量的變化而變化,波谷起沖時(shí)主流區(qū)隨沖刷歷時(shí)的增加逐漸分為2個(gè)區(qū)域,而波峰起沖時(shí)主流區(qū)在初期便被分為2個(gè)區(qū)域;波谷起沖時(shí)漲水期的回流區(qū)尺度較落水期大,而波峰起沖大流量時(shí)漲水期的回流區(qū)尺度較落水期小。 (2)受主流區(qū)變化和沖坑后方淤積區(qū)的共同影響,波谷起沖時(shí)的沖坑下游邊界向下游凸起后回縮,波峰起沖時(shí)的沖坑邊界向坑內(nèi)收縮后擴(kuò)散到下游;6 h沖刷歷時(shí)中,波谷起沖、波峰起沖時(shí)最大沖深分別可達(dá)9.75 cm和11.99 cm,較恒定流時(shí)增加25.5%~54.3%。 (3)非恒定流條件下的沖坑平面尺度呈臺(tái)階式線性增長(zhǎng),若以一級(jí)丁壩長(zhǎng)度Ld1來(lái)表征沖坑尺度,單個(gè)沖刷周期中(6 h),波谷起沖時(shí)沖坑長(zhǎng)度、寬度最大值分別可達(dá)9.2Ld1和2Ld1,波峰起沖時(shí)則分別可達(dá)11.3Ld1和2.1Ld1。3.2 壩頭沖坑發(fā)展過(guò)程
3.3 沖坑平面尺度的發(fā)展規(guī)律
4 結(jié) 論