李玉仲，王科新

(1.濟(jì)南市平陰縣水務(wù)局，山東 濟(jì)南 250400；2.濟(jì)南市平陰黃河河務(wù)局，山東 濟(jì)南 250400)

丁壩是具有防止河岸侵蝕和通過(guò)改變水流方向維持水位功能的水工建筑物。丁壩的修建，用以控制水流，確保航行安全，改善航道線(xiàn)形，并阻止沿岸漂移或減緩海岸侵蝕。最近，防波丁壩再次引起人們的注意，因?yàn)榉啦ǘ蔚男藿▽?duì)自然河岸形狀和河流生態(tài)系統(tǒng)起著非常有益的作用[1]。防波丁壩可以根據(jù)其功能、對(duì)象、形式和材料進(jìn)行分類(lèi)。按其形狀可分為T(mén)型丁壩、L型丁壩、透水丁壩和不透水丁壩。不透水丁壩通常使用當(dāng)?shù)貛r石、礫石或石籠建造，其中透水丁壩由成排的樁、竹子或木材組成[2]。此外，根據(jù)水流條件將丁壩分為溢流丁壩和非溢流丁壩。丁壩附近和主河道的水流特征和流型因丁壩類(lèi)型而異。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行分析，以便在現(xiàn)場(chǎng)選擇合適的丁壩類(lèi)型。通過(guò)透水丁壩的水流部分穿透結(jié)構(gòu)物，從而降低下游流速。透水丁壩的水流阻力小于不透水丁壩。盡管如此，透水丁壩具有極好的穩(wěn)定性和相對(duì)容易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)[3]。河漫灘丁壩在高洪水衰減和防護(hù)工作中發(fā)揮著重要作用；尤其是在有大片漫灘的河流中[4]。不透水丁壩、橫向堤壩和橋梁路堤被視為流向上的收縮。漫灘上丁壩周?chē)乃鹘Y(jié)構(gòu)可能不同于單一主河道中的水流結(jié)構(gòu)[5-6]。本研究將對(duì)復(fù)合明渠中不同設(shè)計(jì)參數(shù)下丁壩周?chē)乃鹘Y(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)驗(yàn)研究，研究它們對(duì)丁壩區(qū)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響。本文使用PIV對(duì)主河道和漫灘丁壩場(chǎng)之間溶解示蹤劑的質(zhì)量交換進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究了理想化的丁壩，其長(zhǎng)寬比和相對(duì)于水流方向的傾角可變；測(cè)量了在漫灘上設(shè)置不同長(zhǎng)度丁壩的復(fù)合明渠中的流速；通過(guò)綜合水平面和垂直面上的速度分量，闡明了二次流結(jié)構(gòu)。

1 材料和試驗(yàn)方法

1.1 材料

試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室的水循環(huán)水槽中進(jìn)行的。水槽深度和寬度均為0.30m，長(zhǎng)度為13.5m，其中包括10.00m長(zhǎng)的透明試驗(yàn)段，如圖1(a)所示。在水槽的下游，安裝了一個(gè)尾門(mén)，尾門(mén)由一塊鉸接在底部的黃銅板組成，頂部高度可通過(guò)螺釘調(diào)節(jié)，尾門(mén)提供了控制尾水高程的方法。水槽的縱坡調(diào)整為0.0025，矩形水槽段被轉(zhuǎn)換為有機(jī)玻璃-丙烯酸不對(duì)稱(chēng)復(fù)合渠道段，主渠道寬度為0.15m，一側(cè)漫灘寬度為“bf=0.15m”，其中漫灘相對(duì)寬度bf/B=0.5。主河道和漫灘的糙率系數(shù)均保持恒定且相等，穩(wěn)定排流量Q調(diào)節(jié)為0.0175m3/s，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)測(cè)量。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在河道漫灘的水流水深h=0.08m(漫灘相對(duì)水深h/H=0.34)下進(jìn)行，其中弗勞德數(shù)等于0.34。雷諾數(shù)始終足夠高，以保證完全湍流。在距離漫灘河床0.25h深度處的水平面“HP”上的14個(gè)點(diǎn)處分別測(cè)量了縱向、橫向和垂直流速分量u、v和w。此外，在主河道中心線(xiàn)垂直面“VP”的六個(gè)點(diǎn)處，距離主河道河床“0.3、5.5、10.5、15.5、16.7和18cm”。如圖1(b)所示，用黑色圓圈標(biāo)記的點(diǎn)。在丁壩上游和下游的幾個(gè)位置，分別測(cè)量了水平面和垂直面上的流速分量HP和VP，速度由聲學(xué)多普勒測(cè)量，采樣頻率為20Hz。在每個(gè)點(diǎn)上，通過(guò)平均速度分別獲得流向和橫向的平均速度U和V。在丁壩上游和下游的多個(gè)位置，使用安裝在可移動(dòng)滑架上的精度為0.1mm的點(diǎn)規(guī)測(cè)量水面高程。實(shí)驗(yàn)使用具有不同丁壩滲透率值(0%、40%、60%和80%)的模型進(jìn)行。透水丁壩由橫截面直徑為0.5cm的玻璃樁制成，如圖2所示。

圖1 (a)渠道布局，(b)橫截面圖(A-A)，帶有丁壩的水平和垂直剖面的速度測(cè)量點(diǎn)圖

圖2 3種不同滲透率值且Lr=1.0的丁壩模型

對(duì)于丁壩滲透性的每種情況，使用3種丁壩模型，相對(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)r(Lr=丁壩長(zhǎng)度“Lg/漫灘寬度“bf”)0.5、0.75和1.0。所有丁壩均保持垂直于主河道中心線(xiàn)和縱向水流方向。

2 結(jié)果和討論

本節(jié)介紹了為闡明漫灘單丁壩對(duì)復(fù)合河道水流結(jié)構(gòu)、流速和水深的影響而進(jìn)行的試驗(yàn)計(jì)劃的結(jié)果和分析。在水平HP和垂直VP平面的速度剖面圖中提到的符號(hào)如下：G01表示水平速度剖面位于穿過(guò)丁壩模型中心線(xiàn)的截面，U25表示水平速度剖面位于丁壩上游0.25m處，D21表示水平速度剖面位于丁壩下游0.21m處。中心線(xiàn)(G01)被視為零點(diǎn)(X=0.0)，下游G01的距離為正，上游G01的距離為負(fù)。

2.1 水平面內(nèi)的速度剖面和流型變化(HP)

對(duì)于圖3(a)所示的不透水丁壩，丁壩尖端的水流轉(zhuǎn)向主河道，并強(qiáng)烈影響其水流。丁壩下游形成了一個(gè)較大的回流渦，這些渦的大小隨著丁壩相對(duì)長(zhǎng)度的增加而增大。因此，丁壩引起的收縮提高了主河道的流速，在丁壩頂部，由于主河道和漫灘之間的流速差，產(chǎn)生了較大的剪切層。

在透水丁壩的情況下：圖3(b)和圖4(a)和(b)，隨著滲透性的增加，丁壩上游的縱向速度受到相對(duì)長(zhǎng)度的輕微影響，速度降低的位置向下游移動(dòng)，并更靠近丁壩。滲透率為40%、60%和80%時(shí)，該速度降低的相對(duì)距離分別約為-2.67、-1.33和-0.33。在丁壩下游，漩渦和漩渦消失，漫灘區(qū)域的縱向速度降低，而主河道的縱向速度增加。對(duì)于具有相同滲透性的情況，隨著相對(duì)長(zhǎng)度的增加，漫灘區(qū)的流速降低在丁壩下游和主河道的兩個(gè)方向上延伸。從具有不同丁壩滲透率的情況的等高線(xiàn)圖中可以明顯看出，隨著滲透率的增加，漫灘流速降低。隨著相對(duì)長(zhǎng)度的減小和滲透率的增加，主河道的流速增加面積減小。

為了計(jì)算速度增加和減少的百分比，在水平面上估算/計(jì)算每個(gè)橫截面速度剖面的最大值和最小值(Umax和Umin)，并將進(jìn)近速度Uo計(jì)算為橫截面U100處的平均速度。對(duì)于不透水的情況，丁壩對(duì)水流結(jié)構(gòu)的巨大影響是在-2到14的相對(duì)長(zhǎng)度范圍內(nèi)，而超過(guò)這些值的丁壩裝置對(duì)水流的影響較小。隨著丁壩相對(duì)長(zhǎng)度的增加，最大相對(duì)流速值增加，但對(duì)于相對(duì)最小流速值，丁壩相對(duì)長(zhǎng)度的影響不大。隨著Lr分別為1.0、0.75和0.5，最大相對(duì)速度(Umax/Uo)分別為1.85、1.7和1.5。在相同的水力條件下，Lr分別為1.0、0.75和0.5時(shí)，(Umax/Uo)取2.75、2.4和1.8。最大流速值的這些變化可能是由于漫灘布置的差異，漫灘兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，寬度為主河道寬度的兩倍。此外，在所有情況下，相對(duì)最小流速(Umin/Uo)的變化率相同，最小值為-0.5。對(duì)于不透水丁壩，逆流發(fā)生在河岸附近的左漫灘上，但隨著相對(duì)距離(X/bf)的增加，逆流消失。結(jié)果表明，對(duì)于滲透率為40%、60%和80%的透水性丁壩，隨著滲透率的增加，最大相對(duì)速度值(Umax/Uo)減小，丁壩相對(duì)長(zhǎng)度的影響小于不透水丁壩。而最小相對(duì)速度的值隨著丁壩滲透性的增加而增加，與丁壩相對(duì)長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。

圖3 相對(duì)長(zhǎng)度分別為“Lr=1.0、0.75和0.5”的HP處水流縱向速度u的單漫灘丁壩等高線(xiàn)圖

(a)滲透率為60%且Lr分別為1.0、0.75和0.5的丁壩，(b)滲透率為80%且Lr分別為1.0和0.5的丁壩。圖4 HP下水流縱向速度u的單漫灘丁壩等高線(xiàn)圖

圖5(a)顯示了最終最大相對(duì)速度值和丁壩滲透率與丁壩3個(gè)相對(duì)長(zhǎng)度值之間的關(guān)系。可以建議(表1)所示的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)描述最終最大和最小相對(duì)速度與8號(hào)丁壩滲透率(P)和相對(duì)長(zhǎng)度(Lr)之間的關(guān)系。圖5(b)顯示了漫灘河岸附近的HP最小相對(duì)速度值隨丁壩滲透性的變化，很明顯，丁壩相對(duì)長(zhǎng)度對(duì)最小相對(duì)速度沒(méi)有明顯影響。滲透率為0、40%、60%和80%時(shí)，相對(duì)最小速度的平均值分別為-0.5、0.4、0.6和0.8。考慮到滲透性對(duì)漫灘區(qū)流態(tài)的影響，可將其分為兩個(gè)區(qū)域，第一個(gè)區(qū)域?yàn)?20%。在第一種情況下，在漫灘丁壩下游形成小渦旋，而在第二種情況下，渦旋消失。

圖5 滲透率與(a)相對(duì)最大速度的極限值(b)Lr=1.0、0.75和0.5時(shí)相對(duì)最小速度的最小值的關(guān)系

表1 最大和最小相對(duì)速度經(jīng)驗(yàn)公式

2.2 壩區(qū)周?chē)乃嫫拭?/h3>

由于漫灘丁壩的安裝，丁壩投影區(qū)堵塞(限制)的水流區(qū)域會(huì)導(dǎo)致丁壩區(qū)域內(nèi)的水面振蕩，并在丁壩上游出現(xiàn)向上的情況。圖6(a和b)顯示了兩個(gè)縱斷面的水深變化(變化%=(有丁壩的深度-沒(méi)有丁壩的深度)/沒(méi)有丁壩的深度)*100)，第一個(gè)位于漫灘中心線(xiàn)(FP)，另一個(gè)位于主航道中心線(xiàn)(MC)。使用滲透率P=0.0、0.60、相對(duì)長(zhǎng)度為1.0、0.75和0.5的丁壩。

圖6 相對(duì)長(zhǎng)度Lr=1.0、0.75和0.5的丁壩漫灘和主河道中心線(xiàn)的水深變化(a)不透水丁壩(b)透水丁壩(P=60%)

如圖6(a和b)所示，在透水丁壩的情況下，在丁壩上游和下游的漫灘中心線(xiàn)處，漫灘丁壩對(duì)水流深度的影響大于主河道中心線(xiàn)處，而漫灘不透水丁壩對(duì)漫灘和主河道流面都有影響。對(duì)于Lr=1.0的不透水丁壩，由于丁壩的體積面積阻礙了漫灘水流，因此對(duì)水流水面有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著丁壩相對(duì)長(zhǎng)度的增加，漫灘水深的變化增加，向上的最大值出現(xiàn)在丁壩的上游和下游。

圖7(a和b)顯示了兩個(gè)橫向斷面的水深變化，對(duì)于不透水丁壩和透水丁壩(P=60%)，第一個(gè)斷面在丁壩上游2cm(U02)，第二個(gè)斷面在丁壩下游2cm(D02)，兩個(gè)斷面都有3個(gè)相對(duì)長(zhǎng)度值(Lr=1.0、0.75和0.5)。漫灘位于15到30之間(水槽左側(cè))。在漫灘上，對(duì)于透水丁壩和不透水丁壩，丁壩上游水深的變化隨著丁壩相對(duì)長(zhǎng)度的增加而增加，并向丁壩內(nèi)邊緣移動(dòng)。在丁壩下游，水流水面降低，并隨著丁壩相對(duì)長(zhǎng)度的增加而略微減小。在不透水丁壩的情況下，丁壩相對(duì)長(zhǎng)度Lr分別等于1.0、0.75和0.5時(shí)，上游水深的最大上升量可估計(jì)為8%、4.5%和3.5%。隨著滲透性的增加，水深受到的影響較小，因此對(duì)于P=60%的滲透丁壩，Lr1.0、0.75和0.5的漫灘水深變化僅為2.5%、2%和1.5%。對(duì)于滲透性和長(zhǎng)度比的所有值，丁壩下游水深的變化平均值為-4.5%。

圖7 Lr=1.0、0.75和0.5時(shí)水槽橫截面的水深變化(a)不透水漫灘丁壩，(b)透水丁壩(P=60%)

3 結(jié)論與建議

本研究旨在確定丁壩類(lèi)型、長(zhǎng)度和滲透性等丁壩因素和參數(shù)對(duì)安裝在復(fù)合河道漫灘上的單個(gè)丁壩流場(chǎng)的影響程度。實(shí)驗(yàn)顯示了關(guān)于河道水流特性的詳細(xì)研究。主要結(jié)論如下：

對(duì)于不同滲透性和長(zhǎng)度的單一漫灘丁壩，其對(duì)流態(tài)的影響主要發(fā)生在丁壩上游2倍丁壩長(zhǎng)度到下游14倍丁壩長(zhǎng)度的區(qū)域；對(duì)于漫灘透水丁壩，與不透水丁壩相比，丁壩相對(duì)長(zhǎng)度對(duì)流量的影響較小，影響較大的是滲透率。丁壩最大速度和尖端速度與滲透率成反比。最后，經(jīng)過(guò)丁壩類(lèi)型的水流特性研究，建議將透水漫灘丁壩用于防洪和防沖目的，這種丁壩可以有效降低丁壩下游的流速，進(jìn)而避免丁壩周?chē)臎_刷問(wèn)題。