李大鳴,肖程之,李佩瑤,李彥卿,卜世龍

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300350; 2.生態(tài)環(huán)境部海河流域北海海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學(xué)研究中心,天津 300170)

0 引 言

灤河下游丁壩群是灤河流域防洪體系中主要組成部分,為減輕灤河下游沿岸的洪水威脅以及為河道兩岸人民群眾的生產(chǎn)生活提供安全保障。20世紀(jì)50年代末開始在灤河修建丁壩工程,由于當(dāng)時丁壩整體性較差、間距大、防沖效果差,造成的丁壩損壞情況也比較嚴(yán)重。由于流場的改變,丁壩附近泥沙沖淤狀況將重新調(diào)整,從而產(chǎn)生局部沖刷和淤積現(xiàn)象。丁壩的局部沖刷直接影響水工建筑物的安全,因此分析局部沖刷一直是丁壩研究的重點之一。

為提高丁壩的穩(wěn)定性與安全性,許多學(xué)者從丁壩間距、丁壩長度、丁壩挑角及丁壩材料等方面研究丁壩的局部沖刷。由于物理模型試驗形象、直觀等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用,學(xué)者們開始通過設(shè)計模型試驗?zāi)M丁壩局部沖刷的實際情況。Gu等[1]通過比較不同滲透性堤防的水流與輸沙特性,發(fā)現(xiàn)透水堤防懸沙通過堤防的縱向運輸遠(yuǎn)大于橫向運輸。Li等[2]探討了清水條件下直壁丁壩局部沖刷坑幾何結(jié)構(gòu)的空間特征。Pandey等[3]確定了砂礫河床條件下主要影響沖刷坑深度的參數(shù),并以此推導(dǎo)出新的丁壩沖刷預(yù)測模型。?zyaman等[4]對泥沙級配、水流深度、丁壩角和丁壩長度對沖刷過程的影響進(jìn)行了研究,并提出4個方程以預(yù)測沖刷深度與沖刷量。Hajibehzad等[5]設(shè)置了彎曲水槽中4組不同間距丁壩的沖刷試驗,分析了沖刷坑深度以及沖刷位置與丁壩間距之間的關(guān)系。喻濤等[6]通過水槽概化物理模型試驗,研究了丁壩在非恒定流作用下的水力特性和沖刷機(jī)理。張林忠等[7]借助模型試驗分析了不同工程條件下不同間距丁壩群局部沖刷情況。

計算機(jī)運算能力的飛速提高為復(fù)雜水沙模型的構(gòu)建提供了基礎(chǔ)。Liao等[8]為解決普通二維模型不足以模擬三維流場和局部沖刷的缺點,通過將休止角公式和河床幾何調(diào)整機(jī)制整合到二維動床模型中,以改進(jìn)局部沖刷坑的數(shù)值模擬。Haider等[9]將丁壩布置形式分為“L”型與“T”型兩種形式,采用k-ε模型(k為湍動能,ε為湍動能耗散值)研究了兩種形式在矩形明渠水流相應(yīng)的流動和湍流特性。胡志毅[10]通過對不同挑腳的丁壩附近流場及沖刷情況進(jìn)行了三維數(shù)值模擬;發(fā)現(xiàn)挑角與最大沖刷深度、壩前及壩后沖坑長度之間的關(guān)系。為研究彎道處不同長度丁壩對水流特征的影響,張巖等[11]對60°彎道內(nèi)的3種長度的丁壩繞流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,得出壩后湍動能及湍流黏度作用強(qiáng)度及范圍隨丁壩長度增加而增大。戚藍(lán)等[12]通過三維數(shù)值模擬方法對馬良子段丁壩群沖刷坑發(fā)展進(jìn)行模擬,提出了丁壩長度調(diào)整方案。呂慶標(biāo)等[13]對無丁壩保護(hù)的河道岸線崩潰機(jī)理進(jìn)行了研究,說明了無保護(hù)岸線在特定水流條件下可能發(fā)生破壞的危險性。張小雅等[14]研究了液壓壩群對河道沖淤變化特性的影響,為不同水流條件下河床穩(wěn)定和堤壩安全提供了可供參考的條件。

近年來對于丁壩局部沖刷的研究取得了很大進(jìn)展,但以往研究大多未考慮試驗與天然河道的差別,如河道斷面不均勻、流量過程為非恒定流等。同時大多數(shù)學(xué)者通常僅研究單丁壩影響水流和沖刷特性的因素,但對丁壩群的研究較少。而在天然河道中丁壩工程往往采用多個丁壩相互配合以提高整體效果。與單個丁壩相比,丁壩群內(nèi)各丁壩流場相互影響,沖刷問題復(fù)雜多變。為研究丁壩群附近流場及局部沖刷情況,本文根據(jù)實際丁壩群河道整治工程構(gòu)建三維水流泥沙數(shù)學(xué)模型,通過模擬丁壩群附近水力特性,探討丁壩局部沖刷情況。

1 三維水流泥沙模型數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

1.1 基本控制方程

基本控制方程如下:

(1)

(3)

(4)

1.2 RNG k-ε模型

k方程為

ε方程為

(6)

式中:ε為湍動能耗散值;μt為渦黏性系數(shù),μt=Cμρk2/ε,Cμ是模型常數(shù),Cμ=0.085;τij為雷諾應(yīng)力;C1ε、C2ε、σk均為模型常數(shù),C1ε=1.42,C2ε=1.68,σk=0.717 9。

1.3 泥沙沖刷模型

模型的計算過程通過考慮泥沙的懸浮和沉積2種存在狀態(tài)進(jìn)行。懸浮泥沙通常濃度較低,隨流體流動而發(fā)生平流。堆積沉積物的淤積量可以通過臨界填充率(默認(rèn)值為0.64)的調(diào)節(jié)進(jìn)行處理。只有堆積的沉積物表面薄層顆粒(厚度僅為幾倍粒徑)才能以推移質(zhì)輸運的形式移動。

在剪切力和小渦流作用下,堆積界面上的泥沙被挾起和再懸浮。由于不可能計算每個沉積物顆粒的流體動力,因此必須使用經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。本文使用的?jīng)驗?zāi)Ｐ突贛astbergen和Van den Berg公式[15],通過Soulsby-Whitehouse方程[16]預(yù)測臨界希爾茲數(shù)。

計算臨界希爾茲數(shù)的第一步是求解無量綱參數(shù)d*,i,即

(7)

式中:ρi為沉積物i的密度;ρf為流體的密度;d50為泥沙中值粒徑;μf為流體的動力黏滯系數(shù);‖g‖為重力加速度。

再由Soulsby-Whitehouse 公式[17]可計算臨界希爾茲數(shù)θcr,i為

(8)

臨界希爾茲數(shù)可以通過修改傾斜面的休止角進(jìn)行調(diào)整,因為在傾斜界面處,填充的沉積物不太穩(wěn)定,更容易被沿斜坡向下移動的流體夾帶。

調(diào)整后的臨界希爾茲數(shù)θ′cr,i表達(dá)式為

(9)

式中:β為河床的坡度角;Ψ是流體和上坡方向之間的夾角,若水流直接向坡上流動則Ψ=0°;φi是用戶定義的不同沉積物種類的休止角(默認(rèn)值為32°)。采用θcr,i=0.05。

然后計算泥沙的起懸速度ulift,i為

(10)

式中:αi為起懸參數(shù),建議值為0.018[18];di為泥沙分組級別粒徑;d*為di對應(yīng)的無量綱參數(shù)(由公式(7)d50換為di確定);θi為d*對應(yīng)的希爾茲數(shù)(由公式(8)d*,i換為d*確定);ns為沉積界面外法線方向余弦。

沉降速度usettling,i計算采用Soulsby提出的方程[18],即

式中vf為流體的運動黏滯系數(shù) 。

推移質(zhì)輸運是由于泥沙在沉積床表面滾動或跳躍而產(chǎn)生的泥沙輸運方式。對于推移質(zhì)輸運,目前使用的模型由Meyer、Peter和Müller等人提出[19],該模型預(yù)測了沉積床表面單位寬度的泥沙體積流量,即

Φi=βi(θi-θ′cr,i)1.5cb,i。

(12)

接著需要對床載厚度δi(即躍變沉積物的厚度)進(jìn)行估算。用來估算厚度的關(guān)系式為

(13)

為了計算泥沙在每個計算單元中的運動情況,將qb,i的值轉(zhuǎn)換為床載速度ubedload,i,即

(14)

式中fb為沉積物的臨界堆積分?jǐn)?shù)。

2 模型的建立與驗證

2.1 研究區(qū)域概況

灤河流域位于39°10′N—42°35′N, 115°40′E—119°20′E,控制流域面積4.47×104km2。灤河干流河道長度約900 km,河道平均坡降為2.68‰。灤河發(fā)源于河北省豐寧滿族自治縣大灘鎮(zhèn)孤石山村東南部小梁山南麓,多倫以上屬高原,地勢平坦,河道坡降約為0.5‰;郭家屯以下至潘家口河段穿行于燕山峽谷間河谷寬為200～300 m,河道坡降約為3.33‰～1.67‰,河道蜿蜒曲折;潘家口水庫以下河寬200～500 m,過桑園峽谷進(jìn)入遷安盆地,河谷寬至1 000 m以上。京山鐵路橋以下進(jìn)入平原區(qū),經(jīng)主河道干流宣泄入海,平原區(qū)河道坡降為0.66‰。流域內(nèi)建有潘家口、大黑汀、灤河支流伊遜河上廟宮水庫、青龍河上桃林口水庫等大型水庫及其它防洪措施。

2.2 丁壩群概況

丁壩群位于灤河下游腰莊險工處,對應(yīng)堤防樁號LHY68+200—LHY70+100。該工程布置丁壩10道(如圖1所示),各壩頭連線與河道主流向平行,壩身長度為50 m,均為下挑式,傾角60°～85°,丁壩間距為壩長的2～3倍,其中丁壩B1—B6改變主流流向,間距取100 m,為2倍壩長;丁壩B7—B10對主流方向改變不大,壩間距取150 m,為3倍壩長。壩頂寬度均為2 m。

丁壩壩頭采用格賓籠拋石結(jié)構(gòu),壩頭頂部寬5.0 m,長6.0 m,臨水側(cè)為圓弧形按壩頭高度不同砌筑2～4層臺階,每階高0.5～1.0 m,寬2.0 m,坡比1∶2。壩頭基礎(chǔ)分為干場和有水兩種情況,干場采用明挖,開挖后用50 cm厚格賓石籠進(jìn)行防護(hù);有水時先用拋石回填至水面以上0.3～0.5 m,再鋪設(shè)50 cm 厚格賓石籠護(hù)墊,如圖2所示。

圖2 腰莊丁壩壩頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of groin head

2.3 模型建立

模型計算范圍由灤河馬良子段丁壩下游至入海口,地形數(shù)據(jù)來源于2015年河北省水利水電勘測設(shè)計研究院的實測值。由CAD軟件提取高程點后,在Mike21軟件中劃分二維網(wǎng)格后沿垂直方向從水面到河底進(jìn)行等距插值得到三維網(wǎng)格,最終在Flow3D中完成編譯計算。

計算模型長2 518 m、寬1 518 m、高20 m,選定河床主槽糙率為0.025,泥沙顆粒半徑為0.062 mm,密度為2 650 kg/m3,臨界希爾茲數(shù)為0.05[12]。丁壩群之間的水流流態(tài)較為復(fù)雜,網(wǎng)格大小會對計算結(jié)果產(chǎn)生直接的影響。因此在劃分網(wǎng)格時通過矩形網(wǎng)格劃分,將整個計算區(qū)域劃分為A、B兩區(qū)以減少不必要網(wǎng)格的數(shù)量,A區(qū)定床,B區(qū)為動床。采用嵌套網(wǎng)格的方式對壩體附近進(jìn)行局部加密以保持更加完整的丁壩外觀結(jié)構(gòu)及附近水流形態(tài)。如圖3所示,總網(wǎng)格數(shù)量約160萬。

圖3 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing of computational domain

2.4 模型驗證

2015年為丁壩群初試階段,工程初試階段布置了3道丁壩。初試工程丁壩建成后,經(jīng)歷了2015年灤河洪水過程的沖刷,因此本文以初試工程丁壩為研究對象對三維泥沙模型進(jìn)行驗證。通過對2014年洪水過后初試工程附近實測地形提取生成地形數(shù)據(jù),采用相同參數(shù)構(gòu)建模型,如圖4所示。

計算時采用有限體積法離散控制方程以及重整化群(Renormalization Group,RNG)k-ε湍流模型。上游設(shè)為流量入口,根據(jù)2015年行洪情況給定模型3 d洪水過程如圖5所示,平均水深為5 m,下游出口設(shè)為自由出流,上表面采用流體體積(Volume of Fluid,VOF)法捕捉自由液面,側(cè)面及下壁面設(shè)為無滑移邊界[12,21]。

圖5 2015年洪水過程Fig.5 Flood process in 2015

根據(jù)2015年洪水過后的實測地形圖發(fā)現(xiàn),丁壩群壩頭處沖刷嚴(yán)重,丁壩B1壩頭處有較深的沖刷坑,沖坑最深處達(dá)到了-7 m。因此,選取丁壩B1附近最深沖刷坑,將過流斷面方向視為橫斷面,與之垂直的斷面視為縱斷面,如圖6所示,將數(shù)值模擬的沖刷坑斷面地形與實測地形值進(jìn)行對比。

圖6 丁壩B1附近沖刷坑斷面選取Fig.6 Section of scour pit near spur dike B1

由圖7(a)可以看出丁壩B1橫斷面沖刷坑模擬值與實測沖刷地形之間擬合較好,圖7(b)沖刷坑縱斷面30～50 m處誤差較大。

圖7 丁壩B1壩頭附近沖刷坑橫縱斷面形態(tài)對比Fig.7 Comparison between cross and longitudinalsectional shapes of scour pit near the head of spur dike B1

產(chǎn)生誤差較大的原因有:

(1)數(shù)值模擬中網(wǎng)格劃分較大,計算結(jié)果不夠精確。

(2)模型所計算的點為計算網(wǎng)格的平均值,并不能與實際值一一對應(yīng),導(dǎo)致兩者整體上存在一定誤差。

(3)模型中底沙分布較為理想,與實際情況存在一定的差異會對水流結(jié)構(gòu)與泥沙運動造成一定影響。

雖然模型在定量驗證中存在一定誤差,但是模型基本能反應(yīng)實際工程中水沙運動及沖刷情況,具有較好的可靠性,該模型可用于對復(fù)雜的天然河道下丁壩群附近局部沖刷的模擬。

3 丁壩群水流流速特性

3.1 模型計算方案

模型針對研究區(qū)域內(nèi)5 a一遇、10 a一遇來流過程下恒定流和非恒定流情況進(jìn)行模擬計算,計算工況見表1,不同重現(xiàn)期非恒定流過程見圖8。為保證丁壩水力特性和局部沖刷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),對每種工況模擬時間為24 h。

表1 計算工況Table 1 Computation conditions

3.2 丁壩群流場分析

3.2.1 丁壩群垂向流場分析

為了分析丁壩群垂向水流流態(tài),以工況1為例選取靠近河床附近層面、自由液面附近層面及中間層面進(jìn)行分析,如圖9所示。

不同層面壩頭處均形成了緩流區(qū)(在挑流壩作用下,河道主流出現(xiàn)急流區(qū),在壩頭迎水面和背水面形成緩流區(qū)。水力學(xué)定義急流為干擾波不能向上游傳播的流速,緩流為干擾波能向上游傳播的流速。),對比3個截面可以發(fā)現(xiàn)隨著高程的增加,緩流區(qū)面積也逐漸增大。同時各層面均能觀察到壩田區(qū)內(nèi)的漩渦?？傮w來說不同層面處水流流態(tài)分布大致相似,因此對其他工況僅選取中間層面進(jìn)行分析。

3.2.2 丁壩群平面流場分析

圖10為不同工況下最大流量時丁壩群中間層面流場圖。從圖10可以看出左岸(圖中偏上位置)流速大于右岸流速,說明丁群壩工程對河岸起到保護(hù)作用。水流流經(jīng)首壩B1時,由于丁壩的擋水作用在壩前形成一個水流滯留區(qū),同時產(chǎn)生了一個較小的順時針漩渦。丁壩B1壩體起到了明顯的挑流作用,在丁壩B2—B5處產(chǎn)生了一塊較大的緩流區(qū)。丁壩B1—B5的壩田區(qū)產(chǎn)生了較大的順時針方向漩渦,漩渦形狀接近方形,漩渦中心位于相鄰兩壩中間。丁壩B6較丁壩B2—B5位置略往主流區(qū)突出,根據(jù)分析比較各丁壩壩頭處流線疏密程度,可以得到丁壩B6壩頭處流線更為密集的結(jié)果,說明丁壩B6起到的挑流效果較明顯。而丁壩B6—B9之間的間距為三倍壩長,丁壩群的整體性較丁壩B2—B5有所減弱,壩頭處的緩流區(qū)面積較小,而丁壩B2—B5壩田區(qū)漩渦較B6—B9壩田區(qū)漩渦更為規(guī)則。由于B10位置向主流區(qū)突出,也直接受到主流沖擊;同時B10下游沒有丁壩,水流能夠充分?jǐn)U散,壩后無漩渦產(chǎn)生。

圖10 丁壩群中間層面流場Fig.10 Flow fields at middle layer under different conditions

3.3 丁壩群水流流速變化

3.3.1 丁壩群流速分布

以工況1為例分析壩頭處流速沿程變化情況,如圖11所示。由圖10流場圖及圖11可以發(fā)現(xiàn),丁壩B1壩頭處流速最大,為5.0 m/s。丁壩B2—B5處于丁壩B1掩護(hù)范圍內(nèi),壩頭處流速均小于B1。隨與B1距離增加,B2—B4壩頭流速在3.65 m/s左右,至B5增大至3.99 m/s,說明水流到B5處開始恢復(fù)。隨水流逐漸恢復(fù),丁壩B6壩頭受主流沖擊,壩頭處流速明顯增大,流速為4.55 m/s。丁壩B7—B9在緩流區(qū),壩頭流速均小于B6,由于丁壩B7—B9間距較大,壩頭處流速大于丁壩B2—B5,壩頭流速在4.05 m/s左右。這一規(guī)律與前人分析研究一致[22]。

圖11 工況1各壩頭處流速變化Fig.11 Variation of flow velocity at groin heads in condition 1

3.3.2 橫斷面流速分布

河道中布置丁壩后,水流受到丁壩的影響將重新調(diào)整流態(tài),橫斷面的流速分布隨之發(fā)生變化。因此研究丁壩橫斷面的流速變化,對于分析丁壩群的水流特性及周圍河床沖刷具有重要意義。由于丁壩群共布置10道丁壩,丁壩數(shù)量較多,因此僅選擇其中5道進(jìn)行分析。丁壩B1、B6、B10壩頭處流線集中流速較大,因此選取這三道典型丁壩。丁壩B1—B6改變主流方向,壩間距為兩倍壩長,以B3為代表;丁壩B6—B10間距為三倍壩長,以B8為代表。恒定流情況下各丁壩橫斷面流速分布如圖12所示。同一斷面不同工況流速對比如圖13所示。

圖12 恒定流情況下各丁壩橫斷面流速分布Fig.12 Flow velocity distribution in cross section of spur dikes under constant flow

圖13 不同工況下各丁壩橫斷面流速分布Fig.13 Flow velocity distribution in cross section of spur dikes under different conditions

通過對比圖12及圖13,兩種工況橫斷面流速整體上呈現(xiàn)中間大兩側(cè)小分布,且壩頭處流速小于主流流速。工況1與工況2主流流速分別約為6.4 m/s和8 m/s,工況1主流最大流速區(qū)在距右岸125—175 m處,工況2主流最大流速區(qū)在距右岸100—150 m處。由于河道地形左高右低,當(dāng)洪水來臨時,河道右側(cè)積蓄大量洪水,流速較大。兩種工況橫斷面流速梯度均為右岸大于左岸,這是由于在右岸布設(shè)丁壩群導(dǎo)致水流流速小于左岸。丁壩B1、B6、B10在距離右岸50—100 m處水流流速均呈“V”形分布,由于漩渦的產(chǎn)生水流紊動較為劇烈,壩頭處流速較大。丁壩B3、B8由于受上游丁壩掩護(hù),壩頭流速均小于B1、B6、B10。工況2丁壩B1、B6、B10壩頭流速相比工況1分別增大1.71、1.82、1.74 m/s,與主流增大的流速相近;而B3、B8壩頭流速分別增大0.93、0.95 m/s。可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量增大時,直接受主流沖擊的丁壩壩頭流速變化與主流一致;中間丁壩受上游丁壩的掩護(hù),流速變化比主流小。

受主流直接沖擊的丁壩B1、B6、B10,壩頭附近流線較為集中,流速較大。其余丁壩根據(jù)丁壩間距與壩長的比例分為兩組,第一組為B2—B5壩間距是壩長的2倍,第二組為B7—B9壩間距是壩長的3倍,B7—B9壩頭整體流速均大于B2—B5,說明壩頭流速隨丁壩間距增大而增大。當(dāng)上游來流增大時,主流最大流速區(qū)開始向右岸偏移,各丁壩壩頭流速增幅不一致,B1、B6、B10增幅較大, B7—B9及B2—B5次之。

4 丁壩群沖刷特性

4.1 丁壩群沖刷狀況

通過模擬,對不同工況下丁壩群沖淤產(chǎn)生的地形變化與2017年原始地形進(jìn)行對比分析,各丁壩具體測點位置及高程變化如圖14及表2所示。結(jié)合圖14和表2可以看出兩種工況下各壩壩頭發(fā)生了不同程度的沖刷或淤積。由圖14(b)可以看到在工況3時,從B1處開始形成了一段狹長的沖刷帶1,一直延伸至B8壩頭處;B10下游也形成了一小段沖刷帶2。在工況4時,沖刷帶1延伸至B9壩頭處,同時沖刷帶2開始向上游延伸。通過對比圖14(b)

表2 各測點高程對比Table 2 Comparison of height among measuring points

圖14 非恒定流丁壩群沖淤變化Fig.14 Change of erosion and deposition of spur dike group in unsteady flow

和圖14(c)及表2可發(fā)現(xiàn),工況4沖刷帶范圍與深度均大于工況3,其中工況3條件下沖刷帶1在B7處開始變寬,工況4條件下沖刷帶1在B5處開始變寬。通過表2可以發(fā)現(xiàn),在兩種工況下丁壩B1所受沖刷均最為嚴(yán)重。由于B1上游沒有其他丁壩的存在,壩頭處直接受到主流沖擊。丁壩B6、B10壩頭上游有丁壩掩護(hù),受到部分主流沖擊,壩頭處也形成較深的沖刷坑。而壩田區(qū)各丁壩則發(fā)生淤積,B1壩后淤積尤為明顯,并且隨著流量的增大B1與B2之間的壩田區(qū)河床高程有明顯抬高。由于行進(jìn)水流在繞過丁壩流動時分為兩部分,一部分水流繞過丁壩流動引起泥沙起動,在壩頭附近形成沖刷坑;而一部分水流發(fā)生轉(zhuǎn)向,在壩田區(qū)形成了漩渦,部分泥沙顆粒在水流的作用下被卷進(jìn)漩渦從而產(chǎn)生淤積。

4.2 丁壩群沖刷分析

由于丁壩群中丁壩B1、B6、B10 壩頭附近沖刷較為嚴(yán)重,因此對這3道典型丁壩壩頭附近沖刷情況進(jìn)行分析。選取沖刷坑沿過流方向的最寬斷面為橫斷面;與之垂直的最長斷面為縱斷面,對工況3條件下典型丁壩壩頭處到達(dá)最大沖刷深度時沖刷坑的橫縱斷面沖刷深度變化進(jìn)行分析,如圖15所示。

圖15 工況1典型丁壩壩頭沖刷深度變化Fig.15 Variation of scour depth at typical groin head in condition 1

從縱斷面圖可以看出沖刷坑下游的沖刷明顯減弱,這與水流流速、挾沙能力的減小及泥沙顆粒的沉積有關(guān)。其中丁壩B1沖刷坑深度為3.08 m,縱、橫斷面最大寬度分別為29.98、43.97 m;B6沖刷坑深度為2.69 m,縱、橫斷面最大寬度分別為26.03、35.92 m;B10沖刷坑深度為1.98 m,縱、橫斷面最大寬度分別為69.87、22.13 m。從上述數(shù)據(jù)來看,丁壩B1處沖刷最深,范圍也較大,綜合來說沖刷最為嚴(yán)重。丁壩B6由于受到上游丁壩一定的掩護(hù)作用,因此沖刷嚴(yán)重程度次于B1。丁壩B10下游水流能夠自由擴(kuò)散,因此不受壅水的影響,導(dǎo)致B10壩頭處沿水流方向形成了一段狹長的沖刷帶,但沖刷深度最小。

表3列出了不同工況下3種典型丁壩最大沖刷深度及穩(wěn)定后沖刷深度?？梢园l(fā)現(xiàn)2種工況下3種丁壩穩(wěn)定后沖刷深度略小于最大沖刷深度,在工況3條件下,丁壩B1、B6、B10壩頭沖刷坑的穩(wěn)定深度較最大深度減小了0.21、0.27、0.16 m;工況4的分別減小0.19、0.17、0.20 m,說明模擬后期沖刷坑有一定程度的淤積。通過對比2種工況,工況4較工況3的丁壩B1壩頭處最大沖刷深度及穩(wěn)定深度分別增加0.98、1.0 m;B6分別增加0.85 m和0.95 m;B10分別增加0.98 m和0.94 m。

5 結(jié) 論

(1)通過對流速特性進(jìn)行分析可知:受主流直接沖擊的丁壩B1、B6、B10,壩頭附近流線較為集中,流速較大;其余丁壩根據(jù)丁壩間距分為B2—B5(2倍壩長)和B7—B9(3倍壩長)兩部分,B7—B9壩頭整體流速均大于B2—B5,說明壩頭流速隨著丁壩間距增大而增大;當(dāng)上游來流增大時,主流最大流速區(qū)開始向右岸偏移,各丁壩壩頭流速增幅不一致,增幅大小為B1、B6、B10較大, B7—B9及B2—B5次之。

(2)分析丁壩群進(jìn)行沖刷特性可知:2種工況中丁壩B1、B6、B10壩頭處沖刷均較為嚴(yán)重,沖刷嚴(yán)重程度B1>B6>B10,說明丁壩群中受沖刷的嚴(yán)重程度與是否受主流沖擊有關(guān)。在實際丁壩群工程中,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)丁壩群中受主流沖擊丁壩的維護(hù)。