丁坝对弯道水流特性影响分析

2024-03-09郭相军胡方方郭海洋

河南水利与南水北调 2024年1期

郭相军，胡方方，郭海洋

（1.安阳市河道事务中心，河南安阳 455000；2.安阳绿捷能源服务有限公司，河南安阳 455000）

1 引言

丁坝是使用广泛的河道建筑物，丁坝的建设对改善弯道水流有重要意义，如何改善弯道急流，防止水流对河岸的侵蚀冲刷，学者们进行了多方面研究。安鹏等研究了间距对错口插板透水丁坝缓流效果的影响，研究结果表明：当间距为5 倍有效坝长时，上游插板透水丁坝坝后流速、水位及河床切应力均趋于稳定；章瑜对不同形状丁坝河床特性试验进行了研究，研究结果表明：充分利用透水和不透水的丁坝水流模式和河床变化趋势，可实现较为理想的水流模式和河床变化形态；胡志毅进行了丁坝挑角对周围流场影响的三维数值模拟的研究，研究结果表明：在相同条件下,丁坝附近的平均流速随着水深增大而减小，且不同条件下的速度分布规律基本一致；

以上学者研究了丁坝对水流流场的特征，总结了回流区流动特性。参考以上学者的研究结论，通过弯道水流模拟试验，分析丁坝长度对水流特性的影响。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

此次弯道水流模拟试验在高精度可变坡弯道水槽中进行，该试验水槽由矩型玻璃制成，上游直水槽长度为18 m，中间弯道为180°半圆，弯道中心点到水槽半径为2.10 m，水槽的水流断面尺寸为0.90 m×0.90 m，下游直水槽长度为18 m，水槽的坡度调节范围为0%～1.5%，如图1 所示。水槽沿程分布有无线超声波水位测量仪，水位测量仪的精度为0.10 mm，整套水流测控硬件由水槽控制系统控制。

图1 可变坡弯道水槽图

图2 丁坝放置位置图

试验设置了两种规格的丁坝，规格分别为18 cm×30 cm×3 cm（长×高×厚）和7 cm×30 cm×3 cm（长×高×厚），丁坝模型采用普通玻璃制作。将丁坝放置于弯道处紧贴水槽壁左岸。以水流方向为基准，水流方向左边水槽壁面为左岸，水流方向右边水槽壁面为右岸。试验的流速控制系统采用高速粒子图像测速系统，可瞬时记录大区域速度分布的目标，对水流无扰动现象。水槽水位测量系统由无线超声波自动水位测量仪和自动水位测量系统组成，将超声波自动水测量仪分别放置在弯道水流入口、90°弯道处和弯道水流出口，左右岸共计6 个测量仪。测量仪位于水面以上，与水体无接触，对水流无干扰，每个水位点可同步采集。

2.2 试验方法

此次试验通过尾门控制出水口水位恒定不变，使出水口水位和入水口水位保持不变。先将尾门水位保持在14 cm，流量控制保持在75 L/s，将两种不规格的丁坝，长丁坝和短丁坝分别放置在水槽弯道左岸45°和90°位置，通过改变丁坝的长度和位置研究丁坝对弯道水流特性的影响。丁坝放置位置如2所示。

试验在水槽弯道处每隔30°设置一个水位观测断面，分别测量该断面的左岸和右岸水位，共计12 个断面，命名为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11、A12。水位测量采用无线超声波水位测量仪和人工测量相结合的方法，除弯道水流入口、90°弯道处和弯道水流出口，左右岸共计6 个水位测量点，采用无线超声波水位测量外，其它水位测量点采用刻度尺人工测量。试验设置了6个流速观察断面，分别位于水槽弯道内0°、30°、45°、60°、90°、120°的位置，流速观察段面与水位观察段面分别处于同一断面（A1、A2、A3、A4、A5、A6），流速测量采用激光测量仪测量数据，激光发射器从水槽底部垂直向上发射，从水底至水面覆盖整个区域。流速观察断面和水位观察断面分布如图3所示。

图3 流速和水位观察断面分布图

3 试验结果与分析

3.1 丁坝位于45°弯道时沿程横比降分析

根据测量数据，不同长度的丁坝在弯道45°处时沿程横比降。结果表明弯道无丁坝时，弯道内水面横比降先快速上升，在A5 断面时，横比降达到最大，最大值为2.3%，然后逐渐下降，到达A6断面时，再缓慢上升，经过A7断面后，再快速下降，到弯道出口时，横比降趋于水平。长丁坝设置于45°弯道时，横比降快速上升，在A4断面时达到最大，最大值为4.5%，由于长丁坝阻水作用，对坝后的水位影响较大，水位在下游快速下降，丁坝坝后出现水流漩涡，导致丁坝两岸水流变大，水流经过弯道顶面后，水面横比降得到缓和，水流到达A6 断面时，同于惯性作用，左岸水流小幅度上升，右岸水位下降，水位横比降再次上升，当水流经过A6断面后，水平横比降快速下降，到A9断面时，两岸水流基本水平。短丁坝设置于45°弯道时，丁坝对水流的阻水作用较弱，横降比最大出现在A3断面，最大值为3.1%，水流经过A3断面后，横比降快速下降，直至弯道出口处保持平衡。由此可知，丁坝越长，横比降的最大值断面越靠近水流出口，丁坝越短，对水面横比降影响越小。

3.2 丁坝位于90°弯道时沿程横比降分析

根据测量数据，不同长度的丁坝在弯道90°处时沿程横比降。结果显示长丁坝设置于90°弯道时，沿程水面横比降先快速增大，再快速减小，最后趋于平稳。水流到达A6 断面时，水面横比降最大，最大值为8.2%。当水流经过A6 断面后，水面横比降快速下降，在A8断面时，横比降趋于缓和。短丁坝设置于90°弯道时，水流经过A5断面时，水平横比降最大，最大值为3.4%，与短丁坝设置于45°弯道时的最大横比降出现断面基本一致。丁坝处于90°弯道时，水面最大横比降均大于45°弯道处的最大横比降。由此可知，在弯道90°设置丁坝较45°设置丁坝，水面横比降变化显著，在水流湍急情况下，不利河道航行安全。

3.3 长丁坝设置在不同位置时沿程纵向流速分析

根据测量数据，长丁坝设置在不同位置时，沿程水流纵向流速情况。结果显示长丁坝设置在弯道45°位置时，左岸水流流速先减小再增大，而右岸水流流速先增大再减小。左岸水流进入弯道入口时，流速为0.28 m/s，水流到达丁坝所在断面时，即A3断面时，流速下降到最小值，最小值为0.19 m/s，达到最小值后，流速再逐渐增大，最后到A6断面时，流速为0.44 m/s。右岸水流进入弯道入口时，流速为0.31 m/s，水流到达丁坝所在断面时，即A3 断面，流速达到最大值为0.85 m/s，达到最大值后，流速快速减小，水流经过A4断面后，流速趋于平缓。

长丁坝设置在弯道90°位置时，左岸水流流速先减小再增大，而右岸水流流速先增大再减小。左岸水流进入弯道入口时，流速为0.33 m/s，水流到达A4 断面时，流速下降到最小值，最小值为0.29 m/s，达到最小值后，流速再逐渐增大，最后到A6断面时，流速为0.57 m/s。右岸水流进入弯道入口时，流速为0.35 m/s，水流到达A4 断面，流速达到最大值为0.77 m/s，达到最大值后，流速快速减小，水流经过A5断面时，流速增加缓慢，水流在A6断面时，流速最小为0.32 m/s。

长丁坝设置在弯道45°位置和90°位置时，左岸水流流速均先减小再增大，右岸水流流速均先增大再减小。丁坝处于45°位置时右岸水流最大流速位于A3断面，丁坝处于90°位置时右岸水流最大流速位于A4断面，可知在丁坝影响下，最高流速均处于丁坝坝头位置，且45°位置的水流流速高于90°位置。丁坝处于45°位置时水流右岸最小流速位于A3 断面，丁坝处于90°位置时右岸水流最小流速位于A4断面，可知，左岸沿程的最低流速均处于丁坝前断面，且45°位置时最低流速小于90°位置，综上所述，丁坝的布设离弯道入口越近，坝前的水流流速越小，坝头的水流流速越大。

3.4 短丁坝设置在不同位置时沿程纵向流速分析

根据测量数据，短丁坝设置在不同位置时，沿程水流纵向流速情况。结果表明短丁坝设置在弯道45°位置时，左岸水流流速先减小再增大，右岸水流流速先增大再减小。左岸水流进入弯道入口时，流速为0.47 m/s，当水流到达丁坝所在断面时，即A3断面时，流速下降到最小值，最小值为0.41 m/s，达到最小值后，流速再逐渐增大，最后到A6 断面时，流速为0.64 m/s，此时流速最大。右岸水流进入弯道入口时，流速为0.57 m/s，水流到达丁坝所在断面时，即A3 断面，流速达到最大值，最大值为0.68 m/s，达到最大值后，流速逐渐减小，水流经过A6 断面时，流速为0.57 m/s。此时弯道出口流速与弯道入口流速基本保持一致。

短丁坝设置在弯道90°位置时，左岸水流流速先减小再增大，右岸水流流速先增大再减小。左岸水流进入弯道入口时，流速为0.54 m/s，水流到达A4断面时，流速下降到最小值，最小值为0.43 m/s，达到最小值后，流速在逐渐增大，最后到A6断面时，流速为0.57 m/s，此时流速达到最大。右岸水流进入弯道入口时，流速为0.57 m/s，水流到达A4 断面，流速达到最大值，最大值为0.66 m/s，达到最大值后，流速快速减小，水流在A6断面时，水流流速为0.60 m/s。此时弯道出口水流流速大于弯道入口流速。

短丁坝设置在弯道45°位置和90°位置时，左岸水流流速均先减小再增大，右岸水流流速均先增大再减小。丁坝处于45°位置时右岸水流最大流速位于A3断面，丁坝处于90°位置时右岸水流最大流速位于A4 断面，两处的最小流速均处于A1 断面。丁坝处于45°位置时左岸水流最小流速位于A3断面，丁坝处于90°位置时右岸水流最小流速位于A4断面，两个位置的最大流速均处于A6 断面。总体规律与长丁坝基本一致，短丁坝的阻水作用下，右岸水流流速明显小于长丁坝，可知短丁坝的束水作用明显小于长丁坝。