T型丁坝坝翼与坝身夹角及坝轴线中心角对90°弯道水流的影响

张挺，巨淑君，陈虹

(福州大学土木工程学院，福建福州 350116)

T型丁坝多用于码头建筑，具有可以有效减小水流对岸边冲刷破坏、避免水流对直线型丁坝坝头的局部水毁、对河床形成的冲刷域面积及冲坑深度较小等优势．近年来，有学者对T型丁坝在弯道水流中的影响进行了研究，Majid［1］研究了T型丁坝在90°弯道时，弗劳德数Fr和坝翼坝长之比等参数对水流的影响及丁坝引起的水流对河床的冲刷;Masjedi等［2－4］在前者工作的基础上，研究了T型丁坝及L型丁坝位于180°的弯道水槽中时，不同弗劳德数Fr下，冲坑随冲刷时间的变化规律;Safarzadeh等［5］做了关于丁坝坝头的形状对切应力分布的影响实验，得到实验结果:T型丁坝产生的切应力远小于直线型单丁坝产生的切应力，并且切应力强度顺河道向下游衰退的速率更快．目前，对T型丁坝的研究主要考虑弗劳德数、T型丁坝坝翼与坝身长度及其长度比等参数对河床冲刷形态和冲刷深度及河床切应力的影响．关于坝翼与坝身夹角θ和丁坝在弯道中所处的位置(坝轴线中心角α)对弯道水流水力特性影响的研究至今还未涉及到，为此，本研究利用三维数值模型重点研究了T型丁坝坝翼与坝身的夹角θ以及坝轴线中心角α对90°弯道水流水力特性的影响，为T型丁坝在工程中的设计应用提供一定的参考．

1 研究对象及方案设置

图1为研究对象示意图．如图1(a)所示，研究对象包括上游直线段(5 m)、90°弯道段、下游直线段(6 m)，渠道宽B=0．6 m，弯道内径R1=2．1 m，外径R2=2．7 m．T型丁坝坝身长L=0．1 m，坝翼l=0．1 m，高H=0．2 m，宽b=0．01 m．水流边界条件见表1．为研究T型丁坝坝翼与坝身夹角θ和T型丁坝所处截面中心角α对弯道水流水力特性的影响，分别设置了四组不同方案，见图1(b)．坝翼与坝身的夹角为θ时，则丁坝相应位置的过流宽度B'为:

在T型丁坝附近取了6个与弯道中心线相垂直的截面f1～f6，分别以T型丁坝坝轴线为中心，向上游旋转0．5°、1．75°、15°，向下游旋转0．5°、2．5°、15°，见图2．坐标原点见图1(a)．

图1 研究对象及方案设置Fig．1 Research object and project set

图2 横截面示意图Fig．2 Cross－ section view

表1水流边界条件Tab．1 Flow boundary condition

2 θ和α对弯道水流水力特性的影响

2．1 对回流区宽度的影响

图3 θ、Fr对回流宽度的影响Fig．3 Effects ofθand Fr on backflow width

一般情况下，直线型丁坝的回流宽度受挑角的影响不大，但对于T型丁坝坝翼的旋转角度的改变却对回流宽度有较为明显的影响，回流越宽，正、负向水流引起的紊动流越靠近弯道中心，不利于安全通航．图3给出了回流宽度与过流宽度之比b'/B'随坝翼旋转角度θ的变化情况．可见，随着θ的减小，回流宽度b'逐渐增加，且回流宽度b'在本研究工况下受弗劳德数Fr的影响不大．当θ=90°时，坝翼与丁坝坝身垂直，回流区宽度略大于T型丁坝下游侧坝翼边缘到凹岸岸边的距离，b'/B'约为0．25;当θ=75°时，由于上游侧坝翼与坝身夹角θ减小，下游侧坝翼向主河槽倾斜，与坝身夹角增大，加剧了丁坝对水流的束窄作用，并且将水流挑向河道中心，主流宽度变窄，b'/B'约为0．28;而当θ=60°时，坝翼下游段的挑流作用明显，水流顺坝翼走向流向河道中心，回流宽度增加明显，b'/B'约为0．37;当θ=45°时，回流宽度b'增大到河道宽度B的1/3，b'/B'约为0．42．

同时，研究结果表明，T型丁坝所处截面中心角α对回流宽度的影响不明显，坝后回流宽度b'大约为坝翼长的1．2倍．

2．2 对回流区长度的影响

图4给出了不同弗劳德数Fr条件下回流区长度l'随T型丁坝坝翼与坝身夹角θ和坝轴线中心角α的变化情况．图4(a)中，当坝翼旋转15°，θ=75°时，在具有挑流作用的同时，更加合理地控制顺应水流流向，使水流平缓转向，进入下游，此时形成的回流长度l'相对最短，随着Fr的增加略微加长．若θ继续减小，坝翼旋转角度过大，坝翼从平行于水流方向转为与水流相交，水流被挑离凹岸的程度越大，主流逐渐被挑向凸岸，就会适得其反，形成大面积回流．当θ=45°时，回流长度约为过流宽度的1．2～1．5倍，因夹角过小，水流方向转变较大，导致下游回流区形态不稳定，回流区长度随Fr的变化产生非规律性的变化．研究表明，T型丁坝的回流长度l'约为坝长L的3～7倍，T型丁坝坝翼与坝身交角θ为75°时，回流区长度最短．

从图4(b)中可知，受到弯道水流的影响，T型丁坝所处的位置距离弯道入口越近，产生的回流长度l'越小．凹岸的弯曲度直接制约着水流的流动方向，阻碍了回流的发展，丁坝离弯段入口越近，坝后凹岸的水流流线弯曲程度越大，对回流长度l'的影响程度越大．回流正流区水流遇到弯道凹岸，在边界层和主流的影响下，提前转向进入负流区，使得回流长度减小．同时，回流长度还会受到流速影响，随着Fr的增加呈增大趋势．

图4 T型丁坝对回流长度的影响Fig．4 Effects of spur dike on backflow length

2．3 对丁坝附近横断面流速的影响

图5给出了当α=75°时，T型丁坝上游横截面f3和下游横截面f4上垂向平均流速随坝身与坝翼夹角θ的变化情况，图中v0为上游来流平均流速．从图中可以看出，θ为90°、75°、60°的T型丁坝对应横截面主流区的流速随θ的减小而减小，且 θ=60°时的主流区流速分布较为均匀，而当θ=45°时主流区靠凸岸的流速反而增大．丁坝的束窄作用使得流速沿着河宽从凸岸向凹岸呈递增趋势，到坝翼前流速增至最大，并且横截面f3上坝翼前端流速的涨幅要大于横截面f4的涨幅．这是因为水流绕过丁坝行至下游横截面f4时，过流宽度恢复至河道宽，流速减小;随着θ减小，坝翼上游段偏向凹岸，减缓对上游来水的绕流，坝翼下游段偏向凸岸，整个坝翼对水流的纵向阻挡逐渐转为横向阻挡，使得横截面f3上坝翼上游段前端的流速一直呈下降趋势．当θ减小到一定值之后，坝翼失去原来纵向阻水的作用，相当于坝身延长，过流面积大幅减小，主流区流速大幅增大．研究表明，当θ减小到一定程度时，T型丁坝会失去自身优势，近似于对直线型丁坝的加长，对水流的影响也与普通直线型丁坝无太大差异．

T型丁坝所处截面中心角α对上下游流速整体变化趋势的影响不明显．随着水流流向下游，丁坝的束窄作用明显增强．因为丁坝对凹岸侧的水流形成阻挡，一部分水流受到T型丁坝的坝身和坝翼的双重阻挡，上游侧坝后区流速降至弯道平均流速的32%，形成滞留区．另一部分水流绕过坝翼流入主流区，流速继续增加．但是，T型丁坝所处截面的位置越靠近弯道进水口，丁坝上下游各截面的流速越低，位于截面中心角α=30°的丁坝上下游各个横截面上的纵向垂线平均流速是最低的．

图5 弯道纵向垂线平均流速分布Fig．5 Average velocity distribution in longitudinal vertical

2．4 对横向环流的影响

图6给出了坝翼与坝身夹角θ=90°时的T型丁坝附近横截面流速矢量图．当θ=90°时，坝翼垂直于坝身，对上游水流形成纵向阻挡，绕过坝翼时，部分水流由于惯性作用，流向凸岸，另一部分形成一股下潜水流顺着坝翼流向河床底部，再转向凸岸方向，形成竖状漩涡，见图6(a)．随着θ减小，坝翼对水流的纵向阻挡逐渐转为横向阻挡，使得上游较大部分水流直接冲击在坝翼上，受到反作用力，水流开始转向，不再是平行于弯道横截面方向，从凹岸流向凸岸，而是与横截面方向成一定角度，坝翼侧的下潜水位也逐渐上壅，环流横向分速度vz减小，环流强度vz/vr降低，其中vr为径向流速，见表2．且随着θ的减小，横截面上的立状漩涡越往凸岸方向偏移．当θ=45°时，横截面f3和f4上水流x方向速度几乎为零，横向环状漩涡几乎消失．

图6 横截面速度矢量图(θ=90°)Fig．6 Typical velocity vectors at cross－ sections(θ=90°)

各个截面的环流强度随着α的减小而减小，见表2．一般情况下，环流强度在弯顶稍后的位置达到最大后逐渐递减，但直至弯道出口处仍有一定旋度［6］．但若在弯道中设置丁坝，会在坝后形成较大的回流，回流方向为逆时针旋转，而弯道水流形成的横向环流方向为顺时针，两者方向相反，两者的相互作用结果使得弯道横向环流提前消失，见图6(b)．T型丁坝所在弯道截面的中心角α不同，水流受下游弯道边界影响不同，故相撞位置也有所差异，但大致都位于坝翼所在位置的下游．

表2 横截面f3和f4上的横向环流旋度vz/vrTab．2 Lateral circulation intensity vz/vr at cross－sections f3 and f4

3 θ和α对河床切应力的影响

图7为河床相对最大切应力τmax/τ0的变化曲线．图7(a)给出了T型丁坝坝翼与坝身夹角θ对河床最大切应力τmax的影响，其中河床面平均切应力τ0为:

其中:ρ为水的密度;g为当地重力加速度;v0为上游来流平均流速;n为糙率;R为过水断面水力半径．τmax随着Fr的增大而增大．图中τmax/τ0所表达的物理意义为T型丁坝引起的切应力对河床的影响力．τmax/τ0越大，表明此种工况对河床的相对作用力越大，对河床的冲刷越严重．当Fr从0．23增加到0．34时，τmax/τ0呈递减趋势，说明Fr越大，T型丁坝对河床的相对作用力越小，并且随着θ的减小呈现先递减再反向增加的趋势．当θ=75°时，τmax/τ0的相对值最小，即此时的T型丁坝对河床的作用力是相对最小的，对河床的冲刷破坏也就最小;而当θ=45°时，τmax/τ0的值最大，最不利于河床的稳定．

图7(b)表明，α越小，即T型丁坝所处的位置越靠近弯道进水口，τmax/τ0越小，水流对河床的相对作用力越小，冲刷破坏也就越轻;相反，α越大，即T型丁坝所处的位置越靠近弯道出水口，τmax/τ0越大，说明水流对河床的相对作用力越大，冲刷破坏也就越严重．

图7 河床相对最大切应力τmax/τ0Fig．7 Relative maximum shearing stress τmax/τ0 of riverbed

4 结语

1)回流宽度受坝翼与坝身夹角θ的影响明显，随θ的减小而逐渐递增，当减小到45°时，回流宽度约为弯道宽度的1/3，回流长度在θ=75°时相对最短;而回流长度受T型丁坝坝轴线中心角α的影响较明显，α越小，其长度越小;

2)随着θ的减小，坝翼纵向阻挡转为横向阻挡，坝前上游流速会逐渐减小，但是当θ减小到一定值，约为60°之后，T型丁坝附近主流区流速呈现增长趋势;坝轴线夹角对流速影响不显著，α减小，丁坝上下游各截面的流速会略微减小;

3)环流强度随坝翼与坝身的夹角θ和T型丁坝坝轴线中心角α的减小而减小，在T型丁坝的影响下弯道水流的横向环流会提前消失;

4)河床切应力最大值τmax/τ0随Fr的增大呈递减趋势，随θ的减小呈现先递减再反向增加的趋势，并且切应力向下游扩散减小的梯度也是呈现先增大后减小的变化趋势;当θ=75°时，τmax/τ0的相对值最小，对河床的冲刷破坏最低;τmax/τ0随T型丁坝坝轴线中心角α的减小而减小，水流对河床的相对作用力越小，冲刷破坏也就越轻，因此T型丁坝放在坝轴线中心角α=30°时较好;

5)综合研究成果可得，T型丁坝坝翼与坝身夹角θ=75°时，体型较优;并且将T型丁坝放置在靠近弯道入口处，坝轴线中心角α约为30°时，可以更好地发挥T型丁坝的体型优势．