复式河道漫滩不同渗透性单丁坝水流特性试验研究

李玉仲，王科新

(1.济南市平阴县水务局，山东 济南 250400；2.济南市平阴黄河河务局，山东 济南 250400)

丁坝是具有防止河岸侵蚀和通过改变水流方向维持水位功能的水工建筑物。丁坝的修建，用以控制水流，确保航行安全，改善航道线形，并阻止沿岸漂移或减缓海岸侵蚀。最近，防波丁坝再次引起人们的注意，因为防波丁坝的修建对自然河岸形状和河流生态系统起着非常有益的作用[1]。防波丁坝可以根据其功能、对象、形式和材料进行分类。按其形状可分为T型丁坝、L型丁坝、透水丁坝和不透水丁坝。不透水丁坝通常使用当地岩石、砾石或石笼建造，其中透水丁坝由成排的桩、竹子或木材组成[2]。此外，根据水流条件将丁坝分为溢流丁坝和非溢流丁坝。丁坝附近和主河道的水流特征和流型因丁坝类型而异。因此，有必要对其进行分析，以便在现场选择合适的丁坝类型。通过透水丁坝的水流部分穿透结构物，从而降低下游流速。透水丁坝的水流阻力小于不透水丁坝。尽管如此，透水丁坝具有极好的稳定性和相对容易维护的优点[3]。河漫滩丁坝在高洪水衰减和防护工作中发挥着重要作用；尤其是在有大片漫滩的河流中[4]。不透水丁坝、横向堤坝和桥梁路堤被视为流向上的收缩。漫滩上丁坝周围的水流结构可能不同于单一主河道中的水流结构[5-6]。本研究将对复合明渠中不同设计参数下丁坝周围的水流结构进行三维实验研究，研究它们对丁坝区流动结构的影响。本文使用PIV对主河道和漫滩丁坝场之间溶解示踪剂的质量交换进行了实验研究，研究了理想化的丁坝，其长宽比和相对于水流方向的倾角可变；测量了在漫滩上设置不同长度丁坝的复合明渠中的流速；通过综合水平面和垂直面上的速度分量，阐明了二次流结构。

1 材料和试验方法

1.1 材料

试验在实验室的水循环水槽中进行的。水槽深度和宽度均为0.30m，长度为13.5m，其中包括10.00m长的透明试验段，如图1(a)所示。在水槽的下游，安装了一个尾门，尾门由一块铰接在底部的黄铜板组成，顶部高度可通过螺钉调节，尾门提供了控制尾水高程的方法。水槽的纵坡调整为0.0025，矩形水槽段被转换为有机玻璃-丙烯酸不对称复合渠道段，主渠道宽度为0.15m，一侧漫滩宽度为“bf=0.15m”，其中漫滩相对宽度bf/B=0.5。主河道和漫滩的糙率系数均保持恒定且相等，稳定排流量Q调节为0.0175m3/s，并通过标准喷嘴流量计测量。

1.2 试验方法

试验在河道漫滩的水流水深h=0.08m(漫滩相对水深h/H=0.34)下进行，其中弗劳德数等于0.34。雷诺数始终足够高，以保证完全湍流。在距离漫滩河床0.25h深度处的水平面“HP”上的14个点处分别测量了纵向、横向和垂直流速分量u、v和w。此外，在主河道中心线垂直面“VP”的六个点处，距离主河道河床“0.3、5.5、10.5、15.5、16.7和18cm”。如图1(b)所示，用黑色圆圈标记的点。在丁坝上游和下游的几个位置，分别测量了水平面和垂直面上的流速分量HP和VP，速度由声学多普勒测量，采样频率为20Hz。在每个点上，通过平均速度分别获得流向和横向的平均速度U和V。在丁坝上游和下游的多个位置，使用安装在可移动滑架上的精度为0.1mm的点规测量水面高程。实验使用具有不同丁坝渗透率值(0%、40%、60%和80%)的模型进行。透水丁坝由横截面直径为0.5cm的玻璃桩制成，如图2所示。

图1 (a)渠道布局，(b)横截面图(A-A)，带有丁坝的水平和垂直剖面的速度测量点图

图2 3种不同渗透率值且Lr=1.0的丁坝模型

对于丁坝渗透性的每种情况，使用3种丁坝模型，相对长度为Lr(Lr=丁坝长度“Lg/漫滩宽度“bf”)0.5、0.75和1.0。所有丁坝均保持垂直于主河道中心线和纵向水流方向。

2 结果和讨论

本节介绍了为阐明漫滩单丁坝对复合河道水流结构、流速和水深的影响而进行的试验计划的结果和分析。在水平HP和垂直VP平面的速度剖面图中提到的符号如下：G01表示水平速度剖面位于穿过丁坝模型中心线的截面，U25表示水平速度剖面位于丁坝上游0.25m处，D21表示水平速度剖面位于丁坝下游0.21m处。中心线(G01)被视为零点(X=0.0)，下游G01的距离为正，上游G01的距离为负。

2.1 水平面内的速度剖面和流型变化(HP)

对于图3(a)所示的不透水丁坝，丁坝尖端的水流转向主河道，并强烈影响其水流。丁坝下游形成了一个较大的回流涡，这些涡的大小随着丁坝相对长度的增加而增大。因此，丁坝引起的收缩提高了主河道的流速，在丁坝顶部，由于主河道和漫滩之间的流速差，产生了较大的剪切层。

在透水丁坝的情况下：图3(b)和图4(a)和(b)，随着渗透性的增加，丁坝上游的纵向速度受到相对长度的轻微影响，速度降低的位置向下游移动，并更靠近丁坝。渗透率为40%、60%和80%时，该速度降低的相对距离分别约为-2.67、-1.33和-0.33。在丁坝下游，漩涡和漩涡消失，漫滩区域的纵向速度降低，而主河道的纵向速度增加。对于具有相同渗透性的情况，随着相对长度的增加，漫滩区的流速降低在丁坝下游和主河道的两个方向上延伸。从具有不同丁坝渗透率的情况的等高线图中可以明显看出，随着渗透率的增加，漫滩流速降低。随着相对长度的减小和渗透率的增加，主河道的流速增加面积减小。

为了计算速度增加和减少的百分比，在水平面上估算/计算每个横截面速度剖面的最大值和最小值(Umax和Umin)，并将进近速度Uo计算为横截面U100处的平均速度。对于不透水的情况，丁坝对水流结构的巨大影响是在-2到14的相对长度范围内，而超过这些值的丁坝装置对水流的影响较小。随着丁坝相对长度的增加，最大相对流速值增加，但对于相对最小流速值，丁坝相对长度的影响不大。随着Lr分别为1.0、0.75和0.5，最大相对速度(Umax/Uo)分别为1.85、1.7和1.5。在相同的水力条件下，Lr分别为1.0、0.75和0.5时，(Umax/Uo)取2.75、2.4和1.8。最大流速值的这些变化可能是由于漫滩布置的差异，漫滩两侧对称，宽度为主河道宽度的两倍。此外，在所有情况下，相对最小流速(Umin/Uo)的变化率相同，最小值为-0.5。对于不透水丁坝，逆流发生在河岸附近的左漫滩上，但随着相对距离(X/bf)的增加，逆流消失。结果表明，对于渗透率为40%、60%和80%的透水性丁坝，随着渗透率的增加，最大相对速度值(Umax/Uo)减小，丁坝相对长度的影响小于不透水丁坝。而最小相对速度的值随着丁坝渗透性的增加而增加，与丁坝相对长度无关。

图3 相对长度分别为“Lr=1.0、0.75和0.5”的HP处水流纵向速度u的单漫滩丁坝等高线图

(a)渗透率为60%且Lr分别为1.0、0.75和0.5的丁坝，(b)渗透率为80%且Lr分别为1.0和0.5的丁坝。图4 HP下水流纵向速度u的单漫滩丁坝等高线图

图5(a)显示了最终最大相对速度值和丁坝渗透率与丁坝3个相对长度值之间的关系。可以建议(表1)所示的经验公式来描述最终最大和最小相对速度与8号丁坝渗透率(P)和相对长度(Lr)之间的关系。图5(b)显示了漫滩河岸附近的HP最小相对速度值随丁坝渗透性的变化，很明显，丁坝相对长度对最小相对速度没有明显影响。渗透率为0、40%、60%和80%时，相对最小速度的平均值分别为-0.5、0.4、0.6和0.8。考虑到渗透性对漫滩区流态的影响，可将其分为两个区域，第一个区域为020%。在第一种情况下，在漫滩丁坝下游形成小涡旋，而在第二种情况下，涡旋消失。

图5 渗透率与(a)相对最大速度的极限值(b)Lr=1.0、0.75和0.5时相对最小速度的最小值的关系

表1 最大和最小相对速度经验公式

2.2 坝区周围的水面剖面

由于漫滩丁坝的安装，丁坝投影区堵塞(限制)的水流区域会导致丁坝区域内的水面振荡，并在丁坝上游出现向上的情况。图6(a和b)显示了两个纵断面的水深变化(变化%=(有丁坝的深度-没有丁坝的深度)/没有丁坝的深度)*100)，第一个位于漫滩中心线(FP)，另一个位于主航道中心线(MC)。使用渗透率P=0.0、0.60、相对长度为1.0、0.75和0.5的丁坝。

图6 相对长度Lr=1.0、0.75和0.5的丁坝漫滩和主河道中心线的水深变化(a)不透水丁坝(b)透水丁坝(P=60%)

如图6(a和b)所示，在透水丁坝的情况下，在丁坝上游和下游的漫滩中心线处，漫滩丁坝对水流深度的影响大于主河道中心线处，而漫滩不透水丁坝对漫滩和主河道流面都有影响。对于Lr=1.0的不透水丁坝，由于丁坝的体积面积阻碍了漫滩水流，因此对水流水面有显著影响。研究发现，随着丁坝相对长度的增加，漫滩水深的变化增加，向上的最大值出现在丁坝的上游和下游。

图7(a和b)显示了两个横向断面的水深变化，对于不透水丁坝和透水丁坝(P=60%)，第一个断面在丁坝上游2cm(U02)，第二个断面在丁坝下游2cm(D02)，两个断面都有3个相对长度值(Lr=1.0、0.75和0.5)。漫滩位于15到30之间(水槽左侧)。在漫滩上，对于透水丁坝和不透水丁坝，丁坝上游水深的变化随着丁坝相对长度的增加而增加，并向丁坝内边缘移动。在丁坝下游，水流水面降低，并随着丁坝相对长度的增加而略微减小。在不透水丁坝的情况下，丁坝相对长度Lr分别等于1.0、0.75和0.5时，上游水深的最大上升量可估计为8%、4.5%和3.5%。随着渗透性的增加，水深受到的影响较小，因此对于P=60%的渗透丁坝，Lr1.0、0.75和0.5的漫滩水深变化仅为2.5%、2%和1.5%。对于渗透性和长度比的所有值，丁坝下游水深的变化平均值为-4.5%。

图7 Lr=1.0、0.75和0.5时水槽横截面的水深变化(a)不透水漫滩丁坝，(b)透水丁坝(P=60%)

3 结论与建议

本研究旨在确定丁坝类型、长度和渗透性等丁坝因素和参数对安装在复合河道漫滩上的单个丁坝流场的影响程度。实验显示了关于河道水流特性的详细研究。主要结论如下：

对于不同渗透性和长度的单一漫滩丁坝，其对流态的影响主要发生在丁坝上游2倍丁坝长度到下游14倍丁坝长度的区域；对于漫滩透水丁坝，与不透水丁坝相比，丁坝相对长度对流量的影响较小，影响较大的是渗透率。丁坝最大速度和尖端速度与渗透率成反比。最后，经过丁坝类型的水流特性研究，建议将透水漫滩丁坝用于防洪和防冲目的，这种丁坝可以有效降低丁坝下游的流速，进而避免丁坝周围的冲刷问题。