空隙尺寸对透水丁坝局部冲刷的影响研究

王荣华,余君睿

(1.平陆运河集团有限公司,广西 南宁 530029;2.重庆交通大学,重庆 400074)

0 引言

丁坝是航道整治工程中最常见的建筑物,其能改变周围水流的结构,拥有良好的束水冲沙、壅高上游水位及改善航道水流条件的作用。透水丁坝是实体丁坝的改良,但是其也存在被水流冲刷导致损坏的风险,与实体丁坝水毁类似,透水丁坝出现水毁的区域也常发生在坝头位置。为了缓解航道整治建筑物出现水毁的现状,维护航道整治建筑物的稳定性,找出透水丁坝对河床局部冲刷的影响以及透水特性对河床局部冲刷的规律很有必要。

本文将通过物理概化试验的方式探寻不同空隙尺寸对透水丁坝附近河床局部冲刷的影响。

1 透水丁坝冲刷的研究现状

从20世纪开始,黄河水利委员会在整治河道的实践中得出结论:混凝土透水丁坝比传统的实体丁坝在河道整治中的应用更加实用[1]。国内对透水丁坝的冲刷问题研究较晚,最早由冯红春等[2]通过水槽试验找到相同条件下透水丁坝冲刷深度要比实体丁坝小的原因,并通过量纲分析法推导出非淹没透水丁坝坝头最大冲刷深度与水深、流速、河宽、透水率、丁坝坝长以及泥沙中值粒径之间的关系式,这是首次将透水率作为考虑因素加入到研究丁坝坝头冲刷深度的问题中。周银军等[3]根据试验及桩式丁坝的壅水性建立了关于计算透水丁坝冲刷坑深度的公式。Mioduszewski T等[4]测量了冲淤后河床的地形并把透水丁坝与实体丁坝的冲刷坑深度进行了比较,然后在此基础上得出透水丁坝的冲刷深度小于实体丁坝。Nasrollahi[5]通过物理模型试验得到了流速和时间对透水丁坝坝后冲刷坑最大深度发展的影响规律。高先刚等[6]同样通过物理试验手段得到了应用于宽浅型河流中计算透水丁坝坝头冲刷坑深度的公式。周正平等[7]利用CCHE 2D软件分析了不同流量下透水丁坝坝后淤积情况,发现坝后泥沙淤积长度、宽度以及面积在一定范围内都会随着流量的增大呈先增大后减小的走势。

2 物理模型试验设计

2.1 概化模型设计

本试验是在国家内河航道工程技术研究中心航道工程试验厅内,规格尺寸为30 m(长)×2 m(宽)×1 m(高)的长方形的玻璃水槽试验系统中完成的。

通过对长江上游航道工程已修建的实体丁坝进行统计,决定采用1∶40的正挑丁坝作为模型丁坝。丁坝横断面为梯形断面,坝头为圆弧形坝头,具体参数见表1。

表1 丁坝模型参数表

2.2 动床试验方案

为了研究不同流量下透水丁坝坝头附近河床的冲淤情况,流量分别采用Q=65 L/s、95 L/s和135 L/s三级流量,对应三种淹没状态水深H分别为11 cm、14 cm和17 cm。试验工况见表2。

表2 试验工况表

动床试验拟在玻璃水槽中段布置8 m长的动床段,动床段位置从距离消能栅处13 m开始,根据长江上游相关实测资料可以得到最大冲刷坑深度一般为6 m,冲刷坑平均深度为4 m,由相似理论推导出,靠近丁坝的区域铺模型沙厚度为0.22 m,其他动床区域铺沙厚度为0.1 m。丁坝放置在距离动床段开始处1 m;动床段开始处到布设丁坝处铺沙0.1 m,动床段尾部1.5 m处铺沙0.1 m(见图2、图3)。

图2 动床模型沙范围示意图(m)

图3 丁坝布置示意图

3 试验结果分析

3.1 空隙尺寸对冲刷坑深度的影响

为研究透水丁坝坝头区域冲刷坑深度与不同空隙尺寸之间的变化关系,分别控制透水丁坝的空隙率P=6.8%、P=14.1%、P=22.5%与流量Q=95 L/s并选取相对应的试验工况,同时选取实体丁坝的工况来分析不同空隙尺寸对透水丁坝坝头周围河床面冲刷坑深度的影响,同时选取相同流量下实体丁坝的工况进行对比分析。具体见表3。

表3 试验分析工况汇总表

绘制冲刷坑深度随时间变化的曲线图进行比较分析,见图4。

(a)P=6.8%

通过图4对比可知,在控制一定空隙率的情况下,3组试验的冲刷坑深度的变化规律大致相似:试验的初始阶段,空隙尺寸越小,透水丁坝坝头附近河床面冲刷坑的深度越深。随着试验的进行,冲刷坑深度与空隙尺寸呈负相关性,即透水丁坝空隙尺寸越大,透水丁坝坝头附近区域所形成的冲刷坑深度越深,并且当空隙尺寸为D=32 mm时产生的冲刷坑深度明显比其他两个尺寸条件下所形成的冲刷坑深度浅。

分析具体原因为:透水丁坝自身的透水性会分流行进水流,而在其他条件相同的情况下,空隙尺寸的大小决定了主流区的水流流量与流速。在相同的来水流量和空隙率的情况下,空隙尺寸越大,就有越多的水流通过透水丁坝空隙流向下游,进而减少了主流区水流绕坝后对坝后区域水流的补充,主流区水流流速的减小和水流补充分流的减弱,会使冲刷坑深度随着空隙尺寸的增大而有所减弱。

3.2 空隙尺寸对冲刷坑体积的影响

为研究透水丁坝坝头区域冲刷坑体积与不同空隙尺寸之间的关系,分别控制透水丁坝的空隙率P=6.8%、P=14.1%、P=22.5%与流量Q=65 L/s并选取相对应工况,同时选取相同流量下实体丁坝的工况来分析不同空隙尺寸对透水丁坝坝头周围河床面冲刷坑体积的影响。具体工况见表4。

表4 试验分析工况汇总表

绘制冲刷坑体积随空隙尺寸变化的情况进行比较分析,见图5。

(a)P=6.8%

由图5可以得知,在相同的流量和相同的空隙率下,3组试验的冲刷坑深度的变化规律基本类似:在试验的初始阶段,冲刷坑内的泥沙受到水流作用被上游来水裹挟冲向下游,在这一阶段泥沙被冲刷走的速率非常快。在空隙尺寸最小的条件下,冲刷坑内泥沙最终被冲刷走的量最少,随着透水丁坝空隙尺寸的不断增加,越来越多的泥沙被冲向下游,当空隙尺寸增大到D=32 mm时,形成的冲刷坑的体积是3组工况里最小的。3组工况之间的冲刷坑变化量比较明显,并且都小于同一流量条件下的实体丁坝,从这点来看,改变透水丁坝的空隙尺寸可以较为有效地降低水流对坝头区域河床的冲刷。

分析这一现象的原因为:由于实体丁坝的不透水性,水流会在丁坝坝头形成漩涡,且主流区的流速相较透水丁坝的条件下要更大一些,水流流态最复杂,所形成的冲刷坑体积也是最大的。但是当水流行进至透水丁坝时,由于其自身的透水性,一部分水流通过坝体间的空隙流向下游,在一定程度上减小了主流区的水流流速,当透水丁坝的空隙尺寸进一步增大,穿过坝体的水流流量也随之增多,对主流区水流的分流效果也更显著,进一步减少了主流区水流绕坝后和越坝水流对河床的冲刷。

3.3 空隙尺寸对坝后淤积的影响

为研究透水丁坝坝后淤积效果与不同空隙尺寸之间的关系,现分别控制透水丁坝的空隙率P=6.8%、P=14.1%、P=22.5%与流量Q=95 L/s,并选取相对应工况来分析不同空隙尺寸对透水丁坝坝后泥沙淤积的影响,同时选取相同流量下的实体丁坝作为对比。具体工况见表5。

表5 试验分析工况汇总表

3.3.1 空隙尺寸与横向淤积宽度的关系

控制相同的流量与空隙率,将透水丁坝的空隙尺寸从D=0 mm逐步增加到D=32 mm,绘制横向淤积宽度随空隙尺寸变化的曲线来进行比较分析,见图6。

(a)P=6.8%

通过图6对比可知,在相同的流量与空隙率下,丁坝坝后泥沙横向淤积宽度与空隙尺寸呈负相关性,但变化的数值较小。当空隙尺寸D=16 mm时,坝后横向淤积宽度减小,进一步增加时,坝后泥沙的横向淤积宽度以较小的斜率降低,直到空隙尺寸D=32 mm时达到最低。

3.3.2 空隙尺寸与纵向淤积宽度的关系

同理,控制相同的流量与空隙率,将透水丁坝的空隙尺寸D从0 mm逐步增加到32 mm,绘制坝后泥沙纵向淤积宽度随空隙尺寸变化的曲线来进行比较分析,见图7。

(a)P=6.8%

通过图7对比可知,在相同的流量与空隙率下,坝后泥沙的纵向淤积长度与空隙尺寸呈负相关性。当丁坝透水时,空隙尺寸D=16 mm,此时坝后泥沙纵向淤积长度最长,随着空隙尺寸开始增大,坝后泥沙纵向淤积长度逐渐减少;当D=32 mm时,坝后泥沙纵向淤积最短,均小于实体丁坝。

综上所述,根据试验现象分析产生的具体原因:实体丁坝时,水流的紊动最为剧烈,加大了坝头和坝后的泥沙运动。在小空隙的情况下,有较大一部分水流在坝头形成漩涡,水流流态紊乱,使泥沙运动剧烈,此时透水丁坝坝后泥沙淤积的宽度与长度较小,当空隙尺寸增大时,越来越多的水流穿过坝体,主流区水流流速相对减小,坝头处水流紊动降低,坝后泥沙淤积的横向宽度与纵向长度减小。

4 结语

本文采用控制变量法,运用物理概化模型试验、数据处理、现象分析等手段,得到以下结论:

(1)透水丁坝坝后冲刷坑深度与体积随空隙尺寸的增加而减小,实体丁坝时两者皆为最大。

(2)透水丁坝坝后横向淤积宽度与纵向淤积长度随着空隙尺寸的增大而不断减小。

综上所述,改变透水丁坝的空隙尺寸能够较好地改善水流对丁坝的冲刷,但应注意的是本文采用的水流条件是恒定流,而天然河流为非恒定流,需要进一步探讨。