恒流条件下丁坝的水流特征和冲淤形态分析

张 猛

(安徽省阜阳水文水资源局,安徽 阜阳 236000)

1 概 述

作为河道常用的航道治理建筑物,丁坝能束窄河流,提高水流冲刷能力,防止水急流顶冲河床和堤岸。当丁坝出现水毁时,将严重破坏河道环境。

为此,许多学者进行了相关研究。陈雅飞等[1]对长江上游边滩作用下的河道最大冲刷深度进行了研究,结果表明,同一滩体的相同部位,当水深等水力因子相同时,冲刷深度随着试验流量的增大而增大;在水力条件相同时,滩体的临水面坡度越大,对应的冲刷深度越大。辛玮琰等[2]对长江中游界牌河段丁坝周围水流特性试验进行了研究,结果表明,坝体中部及下游侧是易损区域,随着坝头流速的增大,下潜水流、坝头涡漩系、单宽流量分别成为影响坝头损毁的主因。栗铭阳等[3]基于Flow-3D的东安工程桩坝冲刷数值模拟进行了研究,结果表明,60°、90°入流角度的冲刷深度与实测断面冲刷深度拟合较好,最大误差仅为9.4%,模拟结果与实测数据基本吻合。张睿等[4]对青草沙水库北堤丁坝群保滩工程冲刷特性试验进行了研究,结果表明,丁坝群护岸保滩作用效果良好,在丁坝坝头近区局部流速较大,极易造成坝头局部冲坑深度较大,不利于坝头稳定。杨旭亮等[5]对双丁坝间流场及局部冲刷的数值模拟进行了研究,结果表明,当双丁坝长度相差大于10m时,易形成不均匀的河道流场,不利于河势控制,当首、次丁坝长度协调时,冲刷坑尺寸较小,坝间河岸被双丁坝回流区掩护,近岸流速较小,河道流场均匀,对丁坝稳定、河道治理与河势控制效果较好。王任超等[6]对潮汐河口丁坝布置对河床冲刷的影响进行了研究,结果表明,当丁坝间距逐渐增大时,坝头冲刷深度也逐渐增加,主槽内的冲刷分布变得不均匀。

以上文献针对丁坝的冲刷深度以及丁坝周围水流特性进行了研究。本文参考上述研究成果,通过模拟河道丁坝水流冲刷试验,对丁坝的水流特征和冲淤形态进行分析。

2 研究区概况

某河河道整体呈S形,汛期时,河水顺河道而下,形成急速水流,冲击S形河道的河床和堤坝,导致河床低陷及堤坝局部坍塌。为了防止水流对河道冲刷侵蚀,避免对生态环境造成严重破坏,拟在S形河道上游多处修建丁坝,以减小水流对河床的冲刷,同时防止丁坝因水流的冲击造成水毁现象。根据河道现有情况设置丁坝,本文进行了丁坝水流冲刷模拟试验,对丁坝的水流特征和冲淤形态进行分析。

3 数值模型建立

3.1 模型验证

本次试验在河道治理试验大厅进行,模型丁坝的设计主要依据长江上游航道常见的丁坝结构,丁坝断面为梯形,选用天然石英砂模拟丁坝及其周围河床。采用流量控制系统对水流流量进行控制,系统包含流量控制模块和流量测量模块,可根据流量反馈来实现水槽流量的闭环控制。同时,在水槽里设置水位同步测量系统,可测量不同关键点的水位。

模型验证水槽长×宽×高分别为36m×2m×1.2m,在试验水槽中段铺设9m的动床段,在水槽左侧设置丁坝,丁坝距进口15.3m。丁坝坝底长1m、宽0.6m,丁坝高0.12m,迎水坡坡比1:1.8,背水坡坡比1:2.4,坝头为圆弧形,流水中泥砂粒径为d50=1.2mm,密度ρ=2.83t/m3,平均流量Q=58L/s。在试验水槽中,布置纵断面和横断面均为7个,纵断面和横断面的交点为本次试验的流速和水位测点。丁坝的验证模型及特征断面布置见图1。

3.2 水流特征分析

试验分别测试丁坝的左侧(B)、中部(C)和右侧(D)的3条水位线,其计算水位与实测水位对比见图2。

图2 丁坝水位特征曲线

由图2(a)可知,在相同水流流速条件下,经过实际测量,当距离丁坝中心轴线左侧1m时,水位为109.1mm;当距离丁坝轴线左侧0.25m时,水位为108.9mm;当距离丁坝轴线右侧0.25m时,水位为90.1mm;当距离丁坝轴线右侧2.75m时,水位为88mm。由此可知,由于丁坝的存在,增大了水流的阻力,当水流行至丁坝时,由于丁坝的阻挡,水位较高;当水流绕过丁坝后,水流失去了丁坝的阻挡,水位快速下降,然后逐渐趋于平稳。

由图2(b)可知,在相同水流流速条件下,经过实际测量,当距离丁坝中心轴线左侧1m时,水位为109.1mm;当距离丁坝轴线左侧0.25m时,水位为101.3mm;当距离丁坝轴线右侧0.25m时,水位为95.2mm;当距离丁坝轴线右侧2.75m时,水位为85.2mm。由此可知,该部位处于丁坝坝头位置,当水流从上游行至丁坝,受丁坝坝体的阻挡,从坝头绕过,水流流速呈线性变缓。由于水流的惯性作用,行进的水流与坝后静止的水流存在流速梯度,产生的切应力带动静止的水流流动形成副流,然后在主流的携带下往下流流动,此时水位略有上升。随着水流的持续流动,水位逐渐趋于平稳。

由图2(c)可知,在相同水流流速条件下,经过实际测量,当距离丁坝中心轴线左侧1m时,水位为105.3mm;当距离丁坝轴线左侧0.25m时,水位为99.8mm;当距离丁坝轴线右侧0.25m时,水位为97.2mm;当距离丁坝轴线右侧2.75m时,水位为86.6mm。由此可知,水流绕过坝体,水位下降,随着水流的持续流动,水位呈线性下降。当流速趋于稳定状态时,水位趋于平稳,变化较小。

由图2可知,试验测量了丁坝的3条水位线,分析了水流的形态特征。在相同水流流速条件下,丁坝的存在,增大了水流的阻力;当丁坝阻挡水流时,水位上升;当水流从坝头绕过,水流流速变缓,水位逐渐降低;当流速趋于稳定状态时,水位趋于平稳。根据测量数据,对比水位计算值,可得左侧水位线实际测量平均数据与计算值偏差为0.8mm;中部水位线偏差为0.6mm;右侧水位线偏差为1mm。结果表明,水位最大偏差为1mm,水位线实际测量平均数据与计算值基本吻合。

3.3 冲淤变形特征分析

选取丁坝断面B、断面C和断面D进行冲淤变形测试,各断面的测试数据和计算值对比见图3。其中,正值为淤积;负值为冲刷。

图3 断面冲淤特征曲线

由图3(a)可知,在相同水流流速条件下,经过实际测量,当距左岸距离0.2m时,淤积深度为2.19mm;当距左岸距离0.5m时,冲刷深度为11.7mm;当距左岸距离0.7m时,冲刷深度51mm;当距左岸距离1.2m时,冲刷深度为25.1mm;当距左岸距离1.8m时,冲刷深度为12.1mm。由此可知,当水流从上游流近丁坝时,在坝前分为两部分:一部分坝前受阻形成漩涡水流;一部分绕过坝脚从坝头往下游。在漩涡水流的作用下,部分泥沙滞留在坝脚,另一部分泥沙在惯性作用下,随水流向下游运动。当距左岸距离为0.7m时,冲刷距离最大。

由图3(b)可知,在相同水流流速条件下,经过实际测量,当距左岸距离0.2m时,淤积深度为1.42mm;当距左岸距离0.5m时,淤积深度为5.53mm;当距左岸距离0.7m时,冲刷深度为36.9mm;当距左岸距离1.2m时,冲刷深度为34.7mm;当距左岸距离1.8m时,冲刷深度为16.3mm。由此可知,该部位处于丁坝坝头位置,当水流从上游行至坝头,坝头处的泥沙最先起动,因坝头处的漩涡较小,水流在坝头处形成浅冲刷带,随着水流的持续运动,坝头河床的泥沙被水流携带至下游,坝头位置的冲刷坑逐渐形成。靠近右岸的水流流速较小,水流携沙能力较弱,随着水流的持续运动,离左岸越远,泥沙淤积程度越高。

由图3(c)可知,在相同水流流速条件下,经过实际测量,当距左岸距离0.2m时,淤积深度为23.8mm;当距左岸距离0.5m时,淤积深度为27.1mm;当距左岸距离0.7m时,淤积深度为0.8mm;当距左岸距离1.2m时,淤积深度为16.8mm;当距左岸距离1.7m时,淤积深度为18.8mm。由此可知,当部分水流携带着泥沙在水流漩涡的作用下,被带到丁坝后方,在丁坝后方的负压区,泥沙沉落形成冲淤地带,其余泥沙颗粒被带向下游,随着离坝轴线越远,水流流速减小,携沙能力减弱,泥沙逐渐沉积。而在离左岸1m左右距离,水流流速最大,水流携沙能力最强,故冲刷深度最大。

由图3可知,试验测量了丁坝的3个断面,分析了水流的冲刷形态。在相同水流流速条件下,水流从上游流近丁坝时,在漩涡水流的作用下,部分泥沙滞留在坝脚,部分泥沙被水流携带至丁坝后方,在丁坝后方的负压区,泥沙沉落形成冲淤地带。根据测量数据,对比水流冲淤计算值,可得断面B的冲淤深度,实际测量平均数据与计算值偏差为3.6mm;断面C的冲淤深度偏差为3.2mm;D断面的冲淤深度偏差为4.8mm。结果表明,各断面的实测数据和计算值的最大偏差保持在4.8mm范围内,两种数据基本保持一致。

4 结 论

通过模拟河道丁坝水流冲刷试验,本文对丁坝的水流特征和冲淤形态进行了分析,结论如下:

1)在相同水流流速条件下,丁坝的存在增大了水流的阻力。当丁坝阻挡水流时,水位上升;当水流从坝头绕过,水流流速变缓,水位逐渐降低;当流速趋于稳定状态时,水位趋于平稳。根据测量数据,对比水位计算值,水位线实际测量平均数据与计算值基本吻合,水位最大偏差在1mm范围内。

2)在相同水流流速条件下,水流从上游流近丁坝时,在漩涡水流的作用下,部分泥沙滞留在坝脚,部分泥沙被水流携带至丁坝后方,在丁坝后方的负压区,泥沙沉落形成冲淤地带。根据测量数据,对比水流冲淤计算值,各断面的实测数据和计算值基本保持一致,其最大偏差保持在4.8mm范围内。

3)随着水流持续运动,离坝轴线越远,水流流速减小,泥沙沉积越多。在相同水流流速条件下,离坝头越近,水流流速越快,冲刷深度越大。