王榮華,余君睿

(1.平陸運(yùn)河集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;2.重慶交通大學(xué),重慶 400074)

0 引言

丁壩是航道整治工程中最常見的建筑物,其能改變周圍水流的結(jié)構(gòu),擁有良好的束水沖沙、壅高上游水位及改善航道水流條件的作用。透水丁壩是實(shí)體丁壩的改良,但是其也存在被水流沖刷導(dǎo)致?lián)p壞的風(fēng)險(xiǎn),與實(shí)體丁壩水毀類似,透水丁壩出現(xiàn)水毀的區(qū)域也常發(fā)生在壩頭位置。為了緩解航道整治建筑物出現(xiàn)水毀的現(xiàn)狀,維護(hù)航道整治建筑物的穩(wěn)定性,找出透水丁壩對(duì)河床局部沖刷的影響以及透水特性對(duì)河床局部沖刷的規(guī)律很有必要。

本文將通過物理概化試驗(yàn)的方式探尋不同空隙尺寸對(duì)透水丁壩附近河床局部沖刷的影響。

1 透水丁壩沖刷的研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)開始,黃河水利委員會(huì)在整治河道的實(shí)踐中得出結(jié)論:混凝土透水丁壩比傳統(tǒng)的實(shí)體丁壩在河道整治中的應(yīng)用更加實(shí)用[1]。國內(nèi)對(duì)透水丁壩的沖刷問題研究較晚,最早由馮紅春等[2]通過水槽試驗(yàn)找到相同條件下透水丁壩沖刷深度要比實(shí)體丁壩小的原因,并通過量綱分析法推導(dǎo)出非淹沒透水丁壩壩頭最大沖刷深度與水深、流速、河寬、透水率、丁壩壩長(zhǎng)以及泥沙中值粒徑之間的關(guān)系式,這是首次將透水率作為考慮因素加入到研究丁壩壩頭沖刷深度的問題中。周銀軍等[3]根據(jù)試驗(yàn)及樁式丁壩的壅水性建立了關(guān)于計(jì)算透水丁壩沖刷坑深度的公式。Mioduszewski T等[4]測(cè)量了沖淤后河床的地形并把透水丁壩與實(shí)體丁壩的沖刷坑深度進(jìn)行了比較,然后在此基礎(chǔ)上得出透水丁壩的沖刷深度小于實(shí)體丁壩。Nasrollahi[5]通過物理模型試驗(yàn)得到了流速和時(shí)間對(duì)透水丁壩壩后沖刷坑最大深度發(fā)展的影響規(guī)律。高先剛等[6]同樣通過物理試驗(yàn)手段得到了應(yīng)用于寬淺型河流中計(jì)算透水丁壩壩頭沖刷坑深度的公式。周正平等[7]利用CCHE 2D軟件分析了不同流量下透水丁壩壩后淤積情況,發(fā)現(xiàn)壩后泥沙淤積長(zhǎng)度、寬度以及面積在一定范圍內(nèi)都會(huì)隨著流量的增大呈先增大后減小的走勢(shì)。

2 物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 概化模型設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)是在國家內(nèi)河航道工程技術(shù)研究中心航道工程試驗(yàn)廳內(nèi),規(guī)格尺寸為30 m(長(zhǎng))×2 m(寬)×1 m(高)的長(zhǎng)方形的玻璃水槽試驗(yàn)系統(tǒng)中完成的。

通過對(duì)長(zhǎng)江上游航道工程已修建的實(shí)體丁壩進(jìn)行統(tǒng)計(jì),決定采用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,具體參數(shù)見表1。

表1 丁壩模型參數(shù)表

2.2 動(dòng)床試驗(yàn)方案

為了研究不同流量下透水丁壩壩頭附近河床的沖淤情況,流量分別采用Q=65 L/s、95 L/s和135 L/s三級(jí)流量,對(duì)應(yīng)三種淹沒狀態(tài)水深H分別為11 cm、14 cm和17 cm。試驗(yàn)工況見表2。

表2 試驗(yàn)工況表

動(dòng)床試驗(yàn)擬在玻璃水槽中段布置8 m長(zhǎng)的動(dòng)床段,動(dòng)床段位置從距離消能柵處13 m開始,根據(jù)長(zhǎng)江上游相關(guān)實(shí)測(cè)資料可以得到最大沖刷坑深度一般為6 m,沖刷坑平均深度為4 m,由相似理論推導(dǎo)出,靠近丁壩的區(qū)域鋪模型沙厚度為0.22 m,其他動(dòng)床區(qū)域鋪沙厚度為0.1 m。丁壩放置在距離動(dòng)床段開始處1 m;動(dòng)床段開始處到布設(shè)丁壩處鋪沙0.1 m,動(dòng)床段尾部1.5 m處鋪沙0.1 m(見圖2、圖3)。

圖2 動(dòng)床模型沙范圍示意圖(m)

圖3 丁壩布置示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 空隙尺寸對(duì)沖刷坑深度的影響

為研究透水丁壩壩頭區(qū)域沖刷坑深度與不同空隙尺寸之間的變化關(guān)系,分別控制透水丁壩的空隙率P=6.8%、P=14.1%、P=22.5%與流量Q=95 L/s并選取相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)工況,同時(shí)選取實(shí)體丁壩的工況來分析不同空隙尺寸對(duì)透水丁壩壩頭周圍河床面沖刷坑深度的影響,同時(shí)選取相同流量下實(shí)體丁壩的工況進(jìn)行對(duì)比分析。具體見表3。

表3 試驗(yàn)分析工況匯總表

繪制沖刷坑深度隨時(shí)間變化的曲線圖進(jìn)行比較分析,見圖4。

(a)P=6.8%

通過圖4對(duì)比可知,在控制一定空隙率的情況下,3組試驗(yàn)的沖刷坑深度的變化規(guī)律大致相似:試驗(yàn)的初始階段,空隙尺寸越小,透水丁壩壩頭附近河床面沖刷坑的深度越深。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,沖刷坑深度與空隙尺寸呈負(fù)相關(guān)性,即透水丁壩空隙尺寸越大,透水丁壩壩頭附近區(qū)域所形成的沖刷坑深度越深,并且當(dāng)空隙尺寸為D=32 mm時(shí)產(chǎn)生的沖刷坑深度明顯比其他兩個(gè)尺寸條件下所形成的沖刷坑深度淺。

分析具體原因?yàn)?透水丁壩自身的透水性會(huì)分流行進(jìn)水流,而在其他條件相同的情況下,空隙尺寸的大小決定了主流區(qū)的水流流量與流速。在相同的來水流量和空隙率的情況下,空隙尺寸越大,就有越多的水流通過透水丁壩空隙流向下游,進(jìn)而減少了主流區(qū)水流繞壩后對(duì)壩后區(qū)域水流的補(bǔ)充,主流區(qū)水流流速的減小和水流補(bǔ)充分流的減弱,會(huì)使沖刷坑深度隨著空隙尺寸的增大而有所減弱。

3.2 空隙尺寸對(duì)沖刷坑體積的影響

為研究透水丁壩壩頭區(qū)域沖刷坑體積與不同空隙尺寸之間的關(guān)系,分別控制透水丁壩的空隙率P=6.8%、P=14.1%、P=22.5%與流量Q=65 L/s并選取相對(duì)應(yīng)工況,同時(shí)選取相同流量下實(shí)體丁壩的工況來分析不同空隙尺寸對(duì)透水丁壩壩頭周圍河床面沖刷坑體積的影響。具體工況見表4。

表4 試驗(yàn)分析工況匯總表

繪制沖刷坑體積隨空隙尺寸變化的情況進(jìn)行比較分析,見圖5。

(a)P=6.8%

由圖5可以得知,在相同的流量和相同的空隙率下,3組試驗(yàn)的沖刷坑深度的變化規(guī)律基本類似:在試驗(yàn)的初始階段,沖刷坑內(nèi)的泥沙受到水流作用被上游來水裹挾沖向下游,在這一階段泥沙被沖刷走的速率非常快。在空隙尺寸最小的條件下,沖刷坑內(nèi)泥沙最終被沖刷走的量最少,隨著透水丁壩空隙尺寸的不斷增加,越來越多的泥沙被沖向下游,當(dāng)空隙尺寸增大到D=32 mm時(shí),形成的沖刷坑的體積是3組工況里最小的。3組工況之間的沖刷坑變化量比較明顯,并且都小于同一流量條件下的實(shí)體丁壩,從這點(diǎn)來看,改變透水丁壩的空隙尺寸可以較為有效地降低水流對(duì)壩頭區(qū)域河床的沖刷。

分析這一現(xiàn)象的原因?yàn)?由于實(shí)體丁壩的不透水性,水流會(huì)在丁壩壩頭形成漩渦,且主流區(qū)的流速相較透水丁壩的條件下要更大一些,水流流態(tài)最復(fù)雜,所形成的沖刷坑體積也是最大的。但是當(dāng)水流行進(jìn)至透水丁壩時(shí),由于其自身的透水性,一部分水流通過壩體間的空隙流向下游,在一定程度上減小了主流區(qū)的水流流速,當(dāng)透水丁壩的空隙尺寸進(jìn)一步增大,穿過壩體的水流流量也隨之增多,對(duì)主流區(qū)水流的分流效果也更顯著,進(jìn)一步減少了主流區(qū)水流繞壩后和越壩水流對(duì)河床的沖刷。

3.3 空隙尺寸對(duì)壩后淤積的影響

為研究透水丁壩壩后淤積效果與不同空隙尺寸之間的關(guān)系,現(xiàn)分別控制透水丁壩的空隙率P=6.8%、P=14.1%、P=22.5%與流量Q=95 L/s,并選取相對(duì)應(yīng)工況來分析不同空隙尺寸對(duì)透水丁壩壩后泥沙淤積的影響,同時(shí)選取相同流量下的實(shí)體丁壩作為對(duì)比。具體工況見表5。

表5 試驗(yàn)分析工況匯總表

3.3.1 空隙尺寸與橫向淤積寬度的關(guān)系

控制相同的流量與空隙率,將透水丁壩的空隙尺寸從D=0 mm逐步增加到D=32 mm,繪制橫向淤積寬度隨空隙尺寸變化的曲線來進(jìn)行比較分析,見圖6。

(a)P=6.8%

通過圖6對(duì)比可知,在相同的流量與空隙率下,丁壩壩后泥沙橫向淤積寬度與空隙尺寸呈負(fù)相關(guān)性,但變化的數(shù)值較小。當(dāng)空隙尺寸D=16 mm時(shí),壩后橫向淤積寬度減小,進(jìn)一步增加時(shí),壩后泥沙的橫向淤積寬度以較小的斜率降低,直到空隙尺寸D=32 mm時(shí)達(dá)到最低。

3.3.2 空隙尺寸與縱向淤積寬度的關(guān)系

同理,控制相同的流量與空隙率,將透水丁壩的空隙尺寸D從0 mm逐步增加到32 mm,繪制壩后泥沙縱向淤積寬度隨空隙尺寸變化的曲線來進(jìn)行比較分析,見圖7。

(a)P=6.8%

通過圖7對(duì)比可知,在相同的流量與空隙率下,壩后泥沙的縱向淤積長(zhǎng)度與空隙尺寸呈負(fù)相關(guān)性。當(dāng)丁壩透水時(shí),空隙尺寸D=16 mm,此時(shí)壩后泥沙縱向淤積長(zhǎng)度最長(zhǎng),隨著空隙尺寸開始增大,壩后泥沙縱向淤積長(zhǎng)度逐漸減少;當(dāng)D=32 mm時(shí),壩后泥沙縱向淤積最短,均小于實(shí)體丁壩。

綜上所述,根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象分析產(chǎn)生的具體原因:實(shí)體丁壩時(shí),水流的紊動(dòng)最為劇烈,加大了壩頭和壩后的泥沙運(yùn)動(dòng)。在小空隙的情況下,有較大一部分水流在壩頭形成漩渦,水流流態(tài)紊亂,使泥沙運(yùn)動(dòng)劇烈,此時(shí)透水丁壩壩后泥沙淤積的寬度與長(zhǎng)度較小,當(dāng)空隙尺寸增大時(shí),越來越多的水流穿過壩體,主流區(qū)水流流速相對(duì)減小,壩頭處水流紊動(dòng)降低,壩后泥沙淤積的橫向?qū)挾扰c縱向長(zhǎng)度減小。

4 結(jié)語

本文采用控制變量法,運(yùn)用物理概化模型試驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)象分析等手段,得到以下結(jié)論:

(1)透水丁壩壩后沖刷坑深度與體積隨空隙尺寸的增加而減小,實(shí)體丁壩時(shí)兩者皆為最大。

(2)透水丁壩壩后橫向淤積寬度與縱向淤積長(zhǎng)度隨著空隙尺寸的增大而不斷減小。

綜上所述,改變透水丁壩的空隙尺寸能夠較好地改善水流對(duì)丁壩的沖刷,但應(yīng)注意的是本文采用的水流條件是恒定流,而天然河流為非恒定流,需要進(jìn)一步探討。