插板透水丁坝分流分沙影响因素数值模拟

2021-10-18毛亮李玉建周正平申帅辉耿义鑫

人民长江 2021年9期

毛亮李玉建周正平申帅辉耿义鑫

摘要：为了探究不同因素对插板透水丁坝分流分沙的作用规律，通过CCHE2D水沙模拟软件对塔里木河新其满河段河槽模型进行数值模拟，分析不同流量、粒径和坝长下插板透水丁坝周围断面总单宽流量、泥沙浓度、流速及切应力变化规律。结果表明：当其它条件一定时，来流量越大，坝前单宽流量增大，分流比增大，坝后切应力减小，主流区流速、切应力增大，有利于河道输水输沙;粒径越大，坝前比坝后单宽流量、泥沙浓度大，分流分沙比增大，起到促淤作用;坝长越长，坝前壅水面积增大，坝后流速减缓区越大，河流束窄宽度越窄，分流分沙比增大，但分沙比变化幅度大于分流比。因此，插板透水丁坝具有分流分沙作用，可稳固河岸，使河床断面水沙重新分配，达到新的平衡，起到保护河岸和调水调沙作用。

关键词：插板透水丁坝;数值模拟;分流分沙;塔里木河

中图法分类号：TV863

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0216-07

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.035

0 引言

插板透水丁坝是一种新型坝式透水护岸建筑物。前人通过试验研究得出相对于其它护岸结构具有优越性，整治效果明显，水流结构安全稳定，水流条件对河岸两边植物生长有益[1]。从20世纪中后期开始，国内外学者就开始对丁坝分流分沙作用进行研究。Law[2]和Gorgeous[3]从能量角度研究了丁坝分流比与分沙比。余文畴[4]和徐德龙等[5]根据河道实测资料，对不同流量级、展宽率和输沙率沿程随河宽变化的指数关系进行了分析研究，得到了分沙比变化特性、影响因素及分流分沙规律。余新明等[6]和韦立新等[7]利用分流口附近环流结构和含沙量沿垂线分布规律，对分流分沙影响因素进行初步研究，并建立支流分流比与分沙比计算公式。史红玲等在渠道分流水流流态研究成果基础上，推导出渠道分沙比与分流比呈0.9次幂关系式，并建立了渠道分流比关系式[8]。周济福等通过研究丁坝长度、潜堤方向对航道分流比、分沙比的影响，表明水工建筑物布置方式、尺寸对河道分流分沙有一定影响，潜堤方向改变对分流分沙影响比束水丁坝长度对分流分沙的影响要大[9]。张悦等通过水槽试验，研究了丁坝过水面积、流量、丁坝位置对分汊河道分流比的影响，并分析总结其影响规律[10]。综上所述，国内外对丁坝分流分沙已经做了部分研究，并取得了相应成果，但对插板透水丁坝分流分沙作用未进行研究。因此，笔者通过数值模拟研究插板透水丁坝分流分沙影响因素，得出不同因素对插板透水丁坝分流分沙作用的影响规律。研究结果可为利用插板透水丁坝开展河道整治工程的设计与工程布置提供科学参考依据。

1 试验概况

1.1 水槽模型试验

1.1.1 模型试验

数值模拟试验基于张凯[11]物理模型试验，见图1。通过对干旱区内陆河粉细沙河床河道治理研究和本课题组对塔里木河河道治理研究的相关资料分析，选定了塔里木河新其满三号口断面河段作为模拟河段。水槽模型比尺如下：流速比尺λV=5，流量比尺λQ=31 250，粒径比尺λd=0.775，糙率比尺λn=0.54，比降比尺λJ=0.1，几何变率比尺e=10，水平比尺λL=250，垂直比尺λH=25，时间比尺λt=50。根据塔里木河研究资料[12]，选取该河段20 a一遇洪水流量Q=0.016 03 m3/s作为典型试验流量。选取厚度为1.8 mm的PVC板作為模型材料，在长6 m、宽1.2 m、高0.45 m、厚度0.18 m，底坡坡降i=1/500的混凝土水槽中进行。试验测量仪器主要有LGY-Ⅱ型流速仪、水准仪、钢卷尺、刻度尺、秒表等。

1.1.2 模型试验设计

分流是由于插板透水丁坝缓流挑流作用和插板具有一定开孔率使水流分开，泥沙也随之分开输移。分流比与分沙比是研究插板透水丁坝对河道治理的重要参数之一，不同工况下插板透水丁坝分流分沙作用程度不同。有学者已经对其它型式丁坝分流分沙进行了研究，并取得了相应的研究成果。根据插板透水丁坝透水孔设计，当开孔率为30%，透水丁坝防冲促淤效果达到最佳，计算选取开孔率为30%[13]。试验设计方案如表1所示，插板透水丁坝采用单一正挑布置方式，插板均匀布置在水槽中。

1.2 插板透水丁坝数值模拟试验

1.2.1 模型网格划分

用CCHE-MESH结构化网格对模型网格进行划分。Imax、Jmax的设置对模拟试验至关重要，若网格数设置过少，则会导致计算结果不精确;网格数设置过多，则会加大模型的计算量，耗时过长。在保证计算可靠性的前提下，尽量使控制点连接的虚线与边界正交，控制网格I线和J线走向，满足网格正交性和光滑性。为了提高计算精度，插板透水丁坝周围网格局部加密，并使用RL正交网格（带光滑函数-1）来提高全区域网格光滑性、正交性，达到优化网格质量。在计算域网格节点单元的计算中，取纵向网格线数为Imax=100，横向网格线数为Jmax=300，网格数量共计30 000个（除去加密网格点）。

1.2.2 初始边界条件

设定初始条件，采用实测物理模型地形高程数据，再用三角形平面插值的方法，水槽模型设置一个进口边界和一个出口边界。根据实测值设置初始值，进口水面高程为0.841 m，出口水面高程为0.826 m。根据CCHE2D模型使用手册，通过对不同糙率值进行率定，最后选定糙率n=0.010。根据不同流量条件分别选择进口总流量。对于自由液面处理，CCHE2D软件默认为自由液面，不需设置。

1.3 模型验证

为了验证模拟的准确性，取来水流量为Q=0.016 03 m3/s，泥沙粒径d=0.050 mm，有效坝长d=25 cm的工况，对物理模型实测流速数据与数值模拟流速数据进行比较验证。如图2所示，两条曲线各点基本吻合，说明数值模拟具备本次试验能力。

1.4 分流比与分沙比

根据透水丁坝分水缓流研究[14]，本文插板透水丁坝分流比（γ）为插板透水丁坝作用区横断面单宽流量与其上游横断面总单宽流量比值，即：

式中：Q为丁坝上游总单宽流量，m2/s;Q1为透水丁坝作用区单宽流量，m2/s。

上文给出了分流比定义，在河道水流运动的过程中，包含了水流运动和泥沙运动。在插板透水丁坝作用下，既有分流作用又有分沙作用。本文分沙比（γ′）指是插板透水丁坝作用区泥沙浓度（Q1浓）与插板透水丁坝上游横断面总泥沙浓度（Q浓）比值，即：

式中：泥沙浓度单位为kg/m3。

2 模拟试验结果分析

2.1 不同流量下插板透水丁坝分流分沙作用

由表2可知，当其他因素一定，随着流量的增大，插板透水丁坝分流比逐渐增大，既流量越大，分流效果越明显，在流量0.010 28～0.013 07 m3/s变化幅度较大。流量也是影响插板透水丁坝分沙因素之一，不同流量分沙比不同，随着流量增大，分沙比逐渐减小。表明流量越小，分沙效果越明显。

2.1.1 不同流量下插板透水丁坝分流作用

由图3可知：同一流量下，从插板透水丁坝下游右岸往左岸观测过程中，插板透水丁坝下游总单宽流量从右岸往左岸逐渐增大，透水丁坝主流区，总单宽流量变化幅度较大;不同流量下，随着流量减小，丁坝下游总单宽流量逐渐减小，在插板透水丁坝6号横断面变化不明显，而主流区变化明显。对于插板透水丁坝6号横断面：在0～25 cm处，总单宽流量变化幅度为62.38%，总切应力减小，变化幅度53.96%;在25～48 cm处，总单宽流量增大，变化幅度22.05%，总切应力增大，变化幅度58.4%;在48～80 cm处，基本处在主流区，总单宽流量变化幅度46.96%，总切应力变化幅度67.3%;在80 cm后，基本到达左岸，插板透水丁坝在6号横断面起到缓流促淤作用，增大主流流量，减少河道主流区淤积。不同流量下，插板透水丁坝下游总单宽流量从右岸往左岸呈现逐渐增大趋势，且在主流区变化明显较大。因此，流量对插板透水丁坝分流有一定影响，且主流区增减幅度大。

2.1.2 不同流量下插板透水丁坝分沙作用

由图4可知，流量不仅影响插板透水丁坝分流作用，同时也影响着分沙作用。3条曲线总体变化趋势相似，不同流量，调节程度从右岸往左岸逐渐增大。同一流量，从插板透水丁坝下游右岸往左岸过程中，泥沙浓度数值趋于上升，而且增减幅度在不同的区域不同，主流区变化幅度大，丁坝6号横断面变化幅度较小。不同流量下，随着流量增大，6号横断面泥沙浓度从右岸往左岸逐渐增大。对于插板透水丁坝6号横断面：在0～25 cm处，流速从右岸往左岸逐渐增大，变化幅度85.01%，坝后流速减缓，起到阻水缓流作用，泥沙浓度变化幅度45.47%，流速从右岸往左岸逐渐增大;在25～48 cm处，流速逐渐增大，变化幅度47.91%，泥沙浓度增大，变化幅度53.68%;在48～80 cm处，基本处在束窄河床主流区，各指标变化趋于平缓，变化幅度较小;在80 cm后，基本到达左岸，部分泥沙淤积在河滩处。

2.2 不同粒径下插板透水丁坝分流分沙作用

由表3可知，泥沙粒径不同，插板透水丁坝分流比不同，即分流变化幅度不同。在流量一定时，随着粒径增大，插板透水丁坝附近单宽流量增大，分流比逐渐增大，分流比变化不明显，总的趋势分流比是增大。在流量一定时，随着粒径增大，插板透水丁壩泥沙浓度减小，分沙比逐渐增大。泥沙粒径不同，插板透水丁坝的分沙比不同，既分沙效果不同。

2.2.1 不同粒径下插板透水丁坝分流作用

由图5可知，粒径也是影响插板透水丁坝分流主要因素之一，插板透水丁坝作用区变化小，主流区变化明显。同一流量下粒径，粒径d=0.050 mm时，总单宽流量在坝头附近达到最大值;d=0.086 mm时，变化相对较小。3条曲线总体变化趋势大致走向相近，影响因素不同，变化程度不同，从右岸往左岸逐渐增大，不同的区域增减程度不同。插板透水丁坝6号横断面：在0～25 cm处，总单宽流量变化趋于平缓，变化幅度58.75%，总切应力变化幅度也比较小，变化幅度19.99%;在25～48 cm处，总单宽流量变化幅度为27.77%，总切应力变化66.13%;在48～80 cm处，总单宽流量变化幅度44.41%，总切应力变化70.97%;在80 cm后，到达左岸。粒径也是影响插板透水丁坝分流的因素，虽然影响幅度与粒径的大小有关，但在研究插板透水丁坝分流的影响因素时，粒径也是考虑因素之一。

2.2.2 不同粒径插板透水丁坝分沙作用

由图6可知，粒径大小不仅影响插板透水丁坝分流作用，也影响着分沙作用。3条曲线总体变化趋势大致相近，调节幅度不同，调节幅度从右岸往左岸逐渐增大。同一流量、粒径，从插板透水丁坝下游右岸往左岸过程中，泥沙浓度数值趋于上升，且增减幅度在不同的区域不同，在主流区变化幅度较大，在6号横断面处变化幅度较小。不同流量、不同粒径下，随着流量增大，6号横断面处泥沙浓度从右岸往左岸逐渐增大，主流区变化趋势显著。对于插板透水丁坝6号横断面：在0～25 cm处，泥沙浓度变化幅度39.15%，总流速变化也趋于平缓，变化幅度69.09%;在25～48 cm处，泥沙浓度变化幅度35.11%，总流速变化70.18%;在48～80 cm处，泥沙浓度变化幅度22.67%，总流速变化75.39%;在80 cm后，总流速、泥沙浓度增幅分别为36.4%、66.42%。

2.3 不同坝长下插板透水丁坝分流分沙作用

由表4可知，当其他因素都不变，随着坝长增大，插板透水丁坝分流比逐渐增大，即插板透水丁坝坝长越长，其阻水缓流作用越强，阻水面积增大，分流效果较明显。坝长也是影响插板透水丁坝分沙因素之一，不同坝长，插板透水丁坝分沙比不同，插板透水丁坝坝长越长，分沙比增大，数据表明坝长越大，分沙效果越明显。

2.3.1 不同坝长下插板透水丁坝分流作用

由图7可知，坝长也是影响插板透水丁坝分流分沙因素之一，不同坝长对水流影响效果不同。当插板透水丁坝坝长越长，坝后缓流效果越好，坝长越长，阻水面积越大，分流比增大。在插板透水丁坝6号横断面：在0～25 cm处，总单宽流量变化趋于小幅度变化，变化幅度53.15%，总切应力变化幅度较小，变化幅度19.99%;在25～80 cm处，总单宽流量变化幅度25.17%，总切应力变化幅度48.35%;在80 cm后，总单宽流量、总切应力变化幅度为37.28%，44.16%。由于插板透水丁坝坝长越长，河床束窄度提高，阻流和挑流能力越强，坝前阻水面积越大，坝后流速减缓越大，分流效果明显，从而通过分流分沙达到坝后缓流促淤效果。

2.3.2 不同坝长下插板透水丁坝分沙作用

由图8可知，不同坝长对插板透水丁坝分沙影响规律不同。从不同坝长对插板透水丁坝下游横断面泥沙浓度及流速影响变化曲线分析，曲线变化趋势相似。

同一坝长，插板透水丁坝6号横断面处，从插板透水丁坝右岸往左岸泥沙浓度缓慢增大;在坝头附近，水流在主流区流量增大，水流中挟沙量增大，泥沙浓度增大;在左岸附近，由于水流流速降低，水流中大量的泥沙淤積在河岸，导致浓度增大。对于插板透水丁坝6号横断面：在0～25 cm处，泥沙浓度变化77.13%，流速变化49.09%;在25～80 cm处，基本在坝头附近到主流区，由于丁坝引水分流作用，主流区流量增大，水流中携带泥沙增多，泥沙浓度变化79.43%，总流速变化50.18%;在80 cm后，基本到达左岸，水流流速降低，部分泥沙淤积河岸附近。

插板透水丁坝布置方式会影响其附近水流结构、切应力以及水沙重新分配调整，而不同参数下插板透水丁坝作用效果不同，计算典型方案Q=0.016 03 m3/s、d=0.086 mm、L=35 cm时，丁坝附近流速、切应力和含沙量分布如图9所示。

随着流量增大，流速、切应力增大，分流比与流量呈正相关，分沙比与其呈负相关;随着泥沙粒径与有效坝长增加，分流比、分沙比与泥沙粒径、有效坝长均呈正相关，且流速、切应力在坝头处达到最大，这也就是坝头冲刷严重的原因，并在插板开水孔处也有一定冲刷。

3 结论

（1）分流作用。随着流量增大，分流比逐渐增大，分流效果明显;随着泥沙粒径增大，分流比变化不明显，总的趋势增大;插板透水丁坝有效坝长越长，其阻水缓流作用越强，阻水面积增大，分流比增大，分流效果明显。

（2）分沙作用。流量越小，分沙效果明显;泥沙粒径增大，分沙比逐渐增大，达到坝后促淤目的;有效坝长增大，分沙比增大，分沙比变化大于分流比。

（3）证明了插板透水丁坝具有分流分沙作用。插板透水丁坝可改善河道水沙条件，坝身分流分沙作用达到了缓流促淤目的，可以稳固河岸，保护河岸安全稳定。插板透水丁坝是解决干旱区内陆河流水沙治理的一种有效水工建筑物。

参考文献：

[1] 刘国起.水力插板透水丁坝数值模拟初步研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2014.

[2] LAW S W，REYNOLDS A J.Diversion flow in an open channel[J].Journal of Hydraulics Engineering，1966（3）：207-221.

[3] GORGEOUS L A S，KABARADA D M T B.Diversion flow in an open channel[J].Journal of Hydraulics Engineering，1990（3）：450-455.

[4] 余文畴.长江分汊河道口门水流及输沙特性[J].长江水利水电科学研究院院报，1987（1）：14-25.

[5] 徐德龙，李彬彬.东荆河水文特性变化分析研究[J].人民长江，2018，49（4）：40-42，48.