韓夢君

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

在河岸上修建丁壩可以減少河岸侵蝕，防止河流橫向遷移，改善河道通航條件，將水流引向河流進(jìn)水口，恢復(fù)或改善河流中的水生生物[1- 3]。與此同時，在河岸上修建丁壩會導(dǎo)致局部流速和河床剪應(yīng)力增加，以及結(jié)構(gòu)周圍出現(xiàn)馬蹄渦[4- 5]，導(dǎo)致丁壩頂端形成沖刷坑，沖刷坑的發(fā)育會導(dǎo)致丁壩的破壞[6]。

目前，已有大量學(xué)者對沿直河和曲流河的丁壩進(jìn)行了大量研究。孫志林等[7]研究了矩形丁壩周圍的河床地形特征和最大沖刷深度。施如學(xué)[8]采用三維數(shù)值模型模擬矩形丁壩周圍的水流，計算了矩形丁壩附近的流態(tài)和剪應(yīng)力。寧健等[9]采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了不透水丁壩和透水丁壩的局部流態(tài)和河床變形特征。王丹[10]通過測量具有固定沖刷床的模型丁壩附近的三維流速，研究了沉積物平均粒度和粒度分布對不透水矩形丁壩周圍河床地形的影響。以上研究對象均為矩形丁壩，缺乏對三角形丁壩的研究，三角形丁壩可有效控制沖刷坑的形成。這是因?yàn)槿切味慰山档蜋M截面積減小和水位升高的風(fēng)險，有助于防止河流拐彎處水位突然上升等變化。

本文主要目的是研究三角形丁壩周圍的沖刷和沉積模式，并與矩形丁壩進(jìn)行比較。同時測量了三角形丁壩和矩形丁壩周圍的三維速度分量，并對各自的水流形態(tài)進(jìn)行檢查和比較，從而更加深入地了解三角形丁壩設(shè)計參數(shù)等相關(guān)問題。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在矩形直水槽中進(jìn)行，以研究三角形丁壩和矩形丁壩周圍的沖刷和沉積模式。水槽側(cè)壁為有機(jī)玻璃，厚度為0.01m，水槽寬度為0.56m，長度為7.3m。水槽端部安裝有滑動閘門以調(diào)整水流深度。水槽出口進(jìn)入一個混凝土水池，水池末端安裝了一個53°三角形堰，用于測量流速。該水槽的平面圖如圖1(a)所示。

圖1 試驗(yàn)裝置

為了確定三角形丁壩和矩形丁壩周圍的沖刷和沉積模式，本文將這些結(jié)構(gòu)分4組安裝在水槽壁上，垂直于水槽壁(垂直于水流)。試驗(yàn)中所有丁壩采用非淹沒矩形丁壩，其有效長度為水槽寬度的20%(Le=0.112m)，丁壩間距為有效長度的3倍(Sl=0.336m)。三角形丁壩在水槽壁和水槽床之間傾斜，水槽壁上的頂部與水面處于同一水平面。在弗勞德數(shù)(Fr)分別為0.176、0.196、0.216和0.235(恒定深度為0.15m)時，分別施加0.018、0.020、0.022和0.024m3/s的流量。試驗(yàn)在清水中進(jìn)行，試驗(yàn)持續(xù)時間恒定為150min，以便比較三角形丁壩和矩形丁壩周圍河床地形變化。在每次試驗(yàn)結(jié)束排空床層后，使用激光測距儀(精度為0.001m)測量床層地形。

為了研究單個三角形丁壩周圍的流動模式，并將其與單個矩形丁壩周圍的流動模式進(jìn)行比較，本文使用了一個長10m、寬0.8m的矩形直水槽。在這些試驗(yàn)中，單個三角形丁壩和矩形丁壩的有效長度為水槽寬度的20%(Le=0.16m)，丁壩與水槽壁呈90°角(圖1(b)和1(c))。所有試驗(yàn)均采用電磁測速儀測量三維速度分量。為了消除水流中移動的沉積顆粒造成的干擾，2種試驗(yàn)使用的水槽床均無沉積物(即剛性水槽床)。在恒定水深為0.15m、流量為0.025m3/s和Fr為0.171的條件下，適當(dāng)測量三維速度分量。

在單個矩形丁壩上進(jìn)行的試驗(yàn)中，在以下橫截面處測量了三維速度分量：0.20、0.50、0.60、0.65、0.70、0.72、0.75、0.78、0.81、0.85、0.90、1、1.10、1.30、1.70、1.90和2.50m。單個矩形丁壩安裝在橫截面0.72m處。在每個截面上，在距離壁面水槽的以下距離選取至少15條垂直線：0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70和0.75m。每條垂線上的三維速度分量分別在水槽床上方0.03、0.07、0.11和0.14m處測量?？偟膩碚f，每個橫截面至少獲取了60個速度讀數(shù)。鑒于每個橫截面的連續(xù)讀數(shù)點(diǎn)之間的水平距離為0.05m，而距離結(jié)構(gòu)較近的橫截面則選取0.025m的間距。因此，在靠近丁壩的橫截面上進(jìn)行了60多次讀數(shù)。在單個三角形丁壩的試驗(yàn)中，分別在0、0.20、0.40、0.50、0.60、0.65、0.70、0.75、0.78、0.85、0.90、1、1.10、1.30、1.50、1.70、1.90、2.20和2.50m的橫截面處測量三維速度分量。單個三角形丁壩安裝在橫截面0.72m處。與單個矩形壩的試驗(yàn)類似，在每個截面上至少考慮15條垂直線(間距=0.05m)測量三維速度分量。同樣，對于位于靠近結(jié)構(gòu)的橫截面處的垂直線，選擇0.025m的間距。此外，在每個橫截面上，在水槽床上方0.03、0.07、0.11和0.14m的4個點(diǎn)處測量每條垂直線上的三維速度分量。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖刷和沉積

2.1.1三角形和矩形丁壩周圍的沖刷和沉積模式

在Fr=0.235時所研究矩形丁壩和三角形丁壩周圍的沖刷和沉積模式，如圖2所示。

圖2 在Fr=0.235處獲得的矩形丁壩和三角形丁壩周圍的沖刷和沉積模式(高程單位：cm)

不同弗勞德數(shù)下矩形丁壩周圍的沖刷和沉積模式研究結(jié)果表明，無論Fr值如何，在第一個丁壩周圍都形成了沖刷坑，且該坑的最大深度出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂端。隨著Fr的增大，該沖刷坑在第一個丁壩上游和下游部分的沖刷坑縱向和橫向擴(kuò)大。第一個丁壩上游和下游沖刷坑的橫向延伸持續(xù)到水槽壁。增大Fr會增加沖刷坑深度。最大沖刷深度出現(xiàn)在Fr=0.235處。在第二、第三和第四個丁壩周圍，F(xiàn)r=0.176處未觀察到?jīng)_刷坑。在Fr=0.196時，第三個丁壩頂端出現(xiàn)了一個小沖刷坑。該沖刷坑在Fr=0.216處擴(kuò)大，在第三個丁壩的上游延伸直至水槽壁，尺寸和深度在Fr=0.235時增加。另一個小沖刷坑出現(xiàn)在第四個丁壩頂端。在所有弗勞德數(shù)下，第一個丁壩周圍形成的沖刷坑大于其他丁壩。第一個矩形丁壩周圍形成的沖刷坑產(chǎn)生的沉積物沉積在該丁壩下游，尤其是第二個丁壩周圍。沉積物的體積與第一個丁壩頂端的沖刷速率成正比。

不同弗勞德數(shù)下三角形丁壩周圍的沖刷和沉積模式研究結(jié)果表明，第一個三角形丁壩周圍形成了沖刷坑，其最大深度出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上游的丁壩頂端附近。與矩形丁壩不同的是，三角形丁壩周圍形成的沖刷坑是不對稱的即沖刷坑的大部分位于結(jié)構(gòu)上游，靠近頂端。在這種情況下，在結(jié)構(gòu)的背面(頂端和水槽壁之間)未發(fā)現(xiàn)沖刷跡象。Fr增大，沖刷坑的尺寸和深度增加了。最大沖刷深度在Fr=0.235時達(dá)到。在Fr=0.196、0.216和0.235處，第一個三角形丁壩上游的沖刷坑不斷延伸直至水槽壁。在Fr=0.176和Fr=1.196時，在第二、第三和第四個丁壩周圍未觀察到?jīng)_刷。在Fr=0.216和0.235時，沖刷主要發(fā)生在第三和第四個丁壩的頂端，后者的沖刷更嚴(yán)重。第一個丁壩周圍形成的沖刷坑也大于其他丁壩。

對比矩形丁壩和三角形丁壩的沉積模式，發(fā)現(xiàn)后者周圍沖刷產(chǎn)生的沉積物縱向沉積在水槽壁附近，前者的沉積物主要沉積在第二個丁壩頂端或其周圍?？v向沉積下來的沉積物將填滿侵蝕孔，并沿河流(特別是沿曲流外岸)形成新的河岸。

2.1.2最大沖刷深度

如上所述，在三角形丁壩和矩形丁壩上進(jìn)行的所有試驗(yàn)中最大沖刷深度發(fā)生在上游第一個丁壩周圍的沖刷坑處。不同試驗(yàn)中獲得的橫向最大沖刷剖面如圖3所示。圖3中，縱軸和橫軸分別表示不同點(diǎn)處獲得的無量綱河床水平(Z/h)和距水槽壁的無量綱距離(Y/B)。

圖3 不同試驗(yàn)獲得的最大沖刷深度橫向剖面圖

不同試驗(yàn)獲得的最大沖刷深度的變化如圖4所示。圖4中，縱軸和橫軸分別表示無量綱比ds/h(最大沖刷深度與流動深度)和弗勞德數(shù)Fr。三角形丁壩的最大沖刷深度小于矩形丁壩。原因可歸結(jié)為：①在三角形丁壩中，與水流接觸的表面積小于矩形丁壩。因此，水流對三角形丁壩的影響較小，削弱了結(jié)構(gòu)周圍形成的渦流。②三角形丁壩附近的流速增加幅度小于矩形壩，從而導(dǎo)致河床剪切應(yīng)力減小。

圖4 不同試驗(yàn)獲得的無量綱最大沖刷深度隨弗勞德數(shù)的變化

2.1.3沖刷坑體積

不同試驗(yàn)中獲得的沖刷坑體積隨弗勞德數(shù)的變化如圖5所示。

圖5中縱軸表示沖刷坑體積與水流深度3次方的無量綱比(V/h3)?？梢杂^察到，三角形丁壩的沖刷坑體積小于矩形丁壩，這可能由于三角形丁壩的表面積較小，受水流沖擊較弱，且丁壩附近的流速較低。計算得出，在Fr=0.176、0.196、0.216和0.235時，三角形丁壩沖刷坑體積分別比矩形丁壩減少80.6%、82%、61.5%和54.2%。本研究中不同試驗(yàn)的結(jié)果見表1。

圖5 不同試驗(yàn)中獲得的無量綱沖刷坑體積隨弗勞德數(shù)的變化

表1 本研究中不同試驗(yàn)的結(jié)果

由表1可知，沖刷坑體積隨著Fr的增加而增加。最小和最大沖刷坑體積分別在Fr=0.176和0.235時得到。

表格的最后一列顯示了三角形丁壩相對于矩形丁壩的最大沖刷深度的減少百分比(SDI)，計算公式如下：

SDI=(Δds/ds矩形丁壩)×100

式中，ds矩形丁壩—矩形丁壩中的最大沖刷深度；Δds—三角形丁壩和矩形丁壩最大沖刷深度之差。

2.1.4沉積物沉積

三角形丁壩沖刷產(chǎn)生的沉積物大多縱向沉積在水槽壁附近，而矩形丁壩中大多數(shù)沉積物沉積在頂端以及下游結(jié)構(gòu)周圍。且矩形丁壩的沉積物橫向發(fā)育程度大于三角形丁壩。根據(jù)丁壩周圍的流動模式，河床和懸移質(zhì)沉積可能發(fā)生在丁壩下游(形成點(diǎn)壩)，這對河岸穩(wěn)定和開發(fā)新河岸具有優(yōu)勢。水流水力參數(shù)以及結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的變化會影響點(diǎn)壩的尺寸、其與河岸的距離以及點(diǎn)壩在河道上的分布。因此，有必要研究三角形丁壩和矩形丁壩形成的沉積作用，以及影響其的因素。

不同試驗(yàn)中最大沉降高度與水槽壁之間的距離變化如圖6所示。

圖6 不同試驗(yàn)中最大沉降高度與水槽壁的距離變化

圖6中，縱軸為無量綱距離比，橫軸為弗勞德數(shù)。由圖6可知，與三角形丁壩相比，矩形丁壩中的最大沉降高度發(fā)生在距水槽壁更遠(yuǎn)的位置，這說明三角形丁壩具有填補(bǔ)河岸侵蝕孔以及創(chuàng)建新河岸的能力，特別是在曲流外岸。在Fr=0.176、0.196、0.216和0.235處，三角形丁壩的最大沉降高度和水槽壁之間的距離分別比相應(yīng)的矩形丁壩減少了20%、46.7%、60%和100%。隨著Fr的增加，最大沉降高度發(fā)生在更靠近水槽壁的位置。因此，在Fr=0.176和0.235時分別觀察到最大和最小距離。

在不同試驗(yàn)中獲得的最大沉降高度隨弗勞德數(shù)的變化如圖7所示。

圖7 不同試驗(yàn)中獲得的無量綱最大沉降高度隨弗勞德數(shù)的變化

在圖7中，縱軸表示無量綱比率hs/h(最大沉降高度與流動深度)。結(jié)果表明，三角形丁壩的最大沉積高度小于矩形丁壩，這是由于三角形丁壩的沖刷有限，因而侵蝕沉積物有限。在Fr=0.176、0.196、0.216和0.235時，三角形丁壩的最大沉降高度與相應(yīng)矩形丁壩相比降低了70%、62%、49.3%和41%。在2種丁壩類型中，增加Fr會導(dǎo)致最大沉降高度相應(yīng)增加。因此，最小和最大的沉降高度分別發(fā)生在Fr=0.176和0.235處。

2.2 流動模式

采用垂直于水流構(gòu)造的單一結(jié)構(gòu)，研究三角形丁壩和矩形丁壩周圍形成的流動模式。本文在流量為0.025m3/s和水深為0.15m的情況下，測量了不同截面下的三維速度分量。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在矩形丁壩中，距河床0.03和0.14m處的平均流速分別增加了70.3%和84.3%。在三角形丁壩中，距河床相同距離處的平均流速分別增加了15.14%和29.11%。這是因?yàn)榫匦味蝺H從頂端引導(dǎo)整個水流從河岸流向河道中部，導(dǎo)致產(chǎn)生了更大的流速，床層剪應(yīng)力也增加。而三角形的丁壩從上方和頂端引導(dǎo)水流從堤岸向河道中部偏轉(zhuǎn)。因此，與三角形丁壩相比，矩形丁壩附近更容易發(fā)生河床侵蝕。

試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)在三角形丁壩下游距床層0.03m處有逆流。這些逆流沿著有效長度3倍的最大距離延伸(3Le)。由于逆流與主流的對抗，在三角形丁壩下游(回流區(qū))形成了一個水平旋渦(相對于垂直軸)，從而降低了河岸、上游和下游的流速。該渦流的下游范圍是三角形丁壩有效長度的5.5倍(5.5Le)。

目前，還沒有確定三角形丁壩設(shè)計參數(shù)(如距離、有效長度等)的通用標(biāo)準(zhǔn)。下游水平渦流的延伸可作為選擇三角形丁壩之間適當(dāng)間距的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

本文對三角形丁壩和矩形丁壩周圍的沖刷和沉積模式進(jìn)行了研究和適當(dāng)比較，探究了單個矩形丁壩和單個三角形丁壩周圍的三維流動模式。得出以下結(jié)論。

(1)三角形丁壩和矩形丁壩都會將接近的上游水流轉(zhuǎn)向河道中部。

(2)三角形丁壩的沖刷坑體積和最大沖刷深度均小于矩形丁壩。三角形丁壩沖刷形成的沉積物縱向沉積在水槽壁附近，而矩形丁壩中的沉積物主要發(fā)生在尖端和下游結(jié)構(gòu)周圍。

(3)下游水平渦流的延伸可作為選擇三角形丁壩之間適當(dāng)間距的標(biāo)準(zhǔn)，此結(jié)論可為確定三角形丁壩設(shè)計參數(shù)的通用標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。