桩密度和布置对桩群堤坝周围流动特性的影响

2023-08-23柯春光

水利科技与经济 2023年8期

柯春光

(新疆水利水电科学研究院,乌鲁木齐 830000)

0 引言

为了控制侵蚀,在河流中设置丁坝来控制水流方向和流速[1]。根据水流的渗透程度,丁坝可分为不透水型和透水型。不同类型丁坝在构筑物周围和主流内产生不同的水流形态[2]。透水堤坝是为了在不使主流过度加速的情况下保护明渠的河岸[3]。许百强[4]通过水槽概化模型试验发现,相比实体丁坝,在一定的空隙率和空隙尺寸条件下,透水丁坝对其上游的壅水效果更佳,同时还可增加其下游水深,降低纵横向水面比降,对改善丁坝右侧束窄段水流形态具有更积极的作用。游立新[5]基于正交曲线贴体坐标系下平面二维水流数学模型,引入通度系数的概念,模拟透水丁坝作用后的流场和水位场,结果表明计算和实测符合较好。周银军[6]结合室内试验发现,透水丁坝坝后出现了一个流速减小区,并通过量纲分析给出了该流速减小区长度的计算公式。

基于上述研究,本文采用试验和数值分析,通过群桩密度和群桩布置方式,对透水群桩堤坝周围流动特性的影响进行研究。

1 试验方法

试验是在一个长7.5m、宽0.3m、高0.4m的矩形水槽中进行。水槽的坡度i设置为0.001。桩组由直径0.5cm的丙烯酸圆柱体制成,高度hd为5cm。堤坝垂直安装在距离渠道下游入口3.0m处,见图1。

图1 试验水槽示意图和桩组布局图

试验条件见表1。

表1 试验条件

本研究采用两种类型的桩排列,即直线排列和交错排列,堤坝的长度Ld和宽度Wd保持在0.75m,所有工况都具有相同的群桩面积。但采用不同的群桩密度进行试验,每排桩数n从4根桩增加至8根桩,从低群桩密度变为高群桩密度,群桩详情见表2。

表2 群桩工况详情表

对于每种工况,每行和每列的桩数相同(n=m),因此X和Y方向上的桩面间距相同(Sx=Sy)。群桩密度λ定义如下:

(1)

式中:dp为桩直径;Sx、Sy为桩间距。

根据群桩密度和布置情况,每个群桩安装完成后,将面临结构周围的变化。在工况8S下,堤坝上游水深最大上升1.5mm。采用PIV进行速度矢量的测量,并进行分析。为了可视化流动,使用直径80微米、相对密度1.02的尼龙树脂颗粒作为示踪粒子。对于每种工况,从水槽底部到水表面共测量7层,增量为5mm。视觉图像由高速摄像机在1s内拍摄200帧,通过在16s内处理3 200幅连续图像获得时间平均速度矢量。

2 结果和讨论

2.1 受保护河岸附近和主流中的平均速度

将群桩后的区域划分为河岸附近(A1)、群桩下游区域(A2)和主流(A3)3个部分,见图2。

图2 群桩后区域划分示意图

图2中, A1是横向8cm≤x≤24cm、纵向y=2cm所形成的区域;A2是横向8cm≤x≤24cm、纵向0.5cm≤y≤7.5cm所形成的区域;A3是横向8cm≤x≤24cm、纵向8cm≤y≤30cm所形成的区域。

图3为不同桩组密度下的不同区域平均流速与河流整体平均流速之比。图3(a)为每种工况下群桩下游河岸附近区域(A1)的平均流速与河流平均流速之比(Ub/U0)。由图3(a)可知,受保护河岸附近的速度降低速率与群桩密度成正比。此外,在同一群桩密度下交错排列的桩组速度降低速率明显大于直线排列的。随着群桩密度的增加,直线排列和交错排列工况下的速度差距增大。换言之,通过增加群桩密度,桩组布置方式所产生的效果变得更加显著。

图3 群桩密度对平均流速比的影响

图3(b)为每种情况下群桩下游区域的平均流速与河流平均流速之比(Ub/U0)。图3(b)与图3(a)呈现相同的趋势,但在群桩密度相同的情况下,直线排列和交错排列工况下的数值差距减小。这是由于直线排列工况下在河岸附近的流速高,而在群桩右端附近的流速低,因此整个区域的平均值小于河岸附近的平均值;而交错情况则相反。因此,在同一群桩密度下,直线排列工况下Ub/U0减小,交错排列工况下Ub/U0增大,从而使得两者之间的差距减小。

图3(c)为不同群桩密度下主流区域平均流速与河流平均流速比(Um/U0)。由图3(c)可以看出,主流速度增加速率直接与群桩密度成比例。在高密度情况下,群桩密度对主流速度的影响将不再变化。如在群桩密度大于0.365时,群桩密度的变化对主流速度的影响很小。此外,在交错排列的工况下,主流速度比直线排列工况下的主流速度大。

从以上分析可知,为了在河岸附近获得一定的速度,将排列方式从成列改为交错排列,可显著减少所需的桩数。此外,通过减少桩数,可以减小对主流的影响。图3(a)中,在工况5S (群桩密度0.163)时,河岸附近平均流速比(Ub/U0)为0.55;在工况7L(群桩密度0.365)时,河岸附近平均流速比(Ub/U0)为0.59;在河岸流速比相差不大时,交错排列的群桩密度要比直线排列时的群桩密度小。同样,在图3(c)中,主流流速比(Um/U0)在工况5S下为1.44,在工况7L下为1.47。综上所述,桩组交错排列较直线排列更经济,对河岸的保护效果更佳,对主流的影响更小。

2.2 固定床流速的数值计算

2.2.1 数值计算公式

为保证群桩对结构周围流动特性的影响,采用低雷诺数湍流模型进行二维平均深度数值计算。动量和连续性方程如下:

(1)

(2)

(3)

式中:u、v分别为X和Y方向的深度平均纵向速度,m/s;h为水深,m;ρ为水的密度,kg/m3;τbx、τby分别为X和Y方向的河床剪应力;τxx、τxy、τyy为深度平均雷诺应力。

床层剪应力采用Manning公式表示,深度平均雷诺应力采用涡动黏度模型表示。在Launder-Sharma的低雷诺数模型中,涡动黏度的表达式为:

(4)

(5)

(6)

式中:Cμ为模型常数,在标准k-ε模型中取0.09;k为深度平均湍流动能;ε为深度平均黏性耗散率。

2.2.2 计算结果分析

分别对8L和8S两种工况的测量结果和计算结果进行研究和比较。深度平均纵向速度见图4。由图4可知,群桩后的实测结果与计算结果吻合较好。在8L工况下,实测和计算结果均存在河岸附近的流速较高和群桩右端下游的小范围回流。此外,河岸附近的最小流速出现在工况8S中。但图4计算结果与实测结果相比,y/L=1.5附近的峰值存在差异,需通过改进数值模型来减小这种差异。

图4 纵向流速的实测与计算值

深度平均横向速度见图5。由图5可知,计算结果与群桩周围的实测结果具有较高的相似性;数值计算速度的等值线与群桩上游和下游测得的速度具有相似的形状,但在远下游显示出一些差异。图5是数值计算结果和实测结果中横向速度的类似趋势。横向速度在x/L=1.3显示了一些波动,这些波动可能是桩体存在的局部效应,PIV可能无法检测到这些波动,因为数值较小。