陳少鑫

(廣東中水建工有限公司,廣州 510000)

1 概 述

在河道治理工程中,丁壩是應(yīng)用廣泛的水工建筑物。丁壩的建設(shè)改變了水流流向,減慢河岸流速,減少水流對河岸的侵蝕,但增加了泥沙淤積。為了防止水流攜泥沙對壩體進行沖刷,破壞壩體,許多學(xué)者進行了相關(guān)研究。彭秀竹等[1]對黃河下游透水丁壩瞬潰后水力及沖淤特性進行了研究,結(jié)果表明,當(dāng)潰壩發(fā)生后,首排壩的壩體和次排壩的壩頭是受損最嚴(yán)重的區(qū)域。經(jīng)過分析,潰壩對主槽的輸沙能力影響較弱,但對壩區(qū)泥沙的起動和沉降影響顯著。韓夢君[2]對丁壩沖刷模式與水流形態(tài)進行了分析研究,結(jié)果表明,三角形丁壩的最大沖刷坑深度和最大沖刷體積均小于矩形丁壩,建議三角形丁壩間距不應(yīng)超過結(jié)構(gòu)有效長度的5.5倍。錢盛杰等[3]對涌潮作用下彎道丁壩局部沖刷試驗進行了研究,結(jié)果表明,涌潮作用下,位于彎道的丁壩局部沖刷坑較直道段深0.40～2.50m。劉恒博[4]針對樁群密度對丁壩局部沖刷影響試驗進行了研究,結(jié)果表明,由于傳統(tǒng)丁壩模型的切應(yīng)力梯度大于群樁模型,會對河床產(chǎn)生更大的侵蝕,因此改變樁群密度,可以減少丁壩場的河床侵蝕,促進丁壩場的沉積。鐘亮等[5]對非恒定流作用下的階梯形丁壩局部沖刷特性進行了研究,結(jié)果表明,不同流量過程下,壩后主流區(qū)和回流區(qū)的流速均隨上游來流量的變化而變化,受主流區(qū)變化和沖坑后方淤積區(qū)的共同影響,波谷起沖時的沖坑下游邊界向下游凸起后回縮,波峰起沖時的沖坑邊界向坑內(nèi)收縮后擴散到下游。

上述文獻研究了丁壩的沖刷模式,總結(jié)了丁壩的水力和沖淤特性。本文參考以上研究結(jié)論,通過對階梯形丁壩進行水流沖刷試驗,在不同丁壩尺寸條件下,研究丁壩的沖刷特性,對壩頭的沖刷形態(tài)和沖坑特征進行分析。

2 數(shù)值模型建立

2.1 控制方程

基于有限元法,采用以下二維淺水方程。

1)連續(xù)方程。公式如下:

(1)

式中:x、y為水平直角坐標(biāo);h為水深,m;U、V為X、Y方向的深度平均速度,m/s。

2)動量守恒方程。公式如下:

(2)

(3)

2.2 模型設(shè)計

本次試驗設(shè)計水槽兩邊為陸地岸邊,進水口流量固定,出水口給定相應(yīng)水位。設(shè)定泥沙的輸出僅受水流作用,不受外力干擾,同時設(shè)定進口和出口的邊界的梯度均為零。本次計算采用有限體積法對計算區(qū)進行空間離散,再將平面二維模型細分,最后的求解格式采用一階精度方法。

試驗水槽采用矩形玻璃水槽,水槽尺寸為30m×2m×1.2m(長×寬×高)。為了將研究成果更好地運用在天然河流上,試驗參考航道工程設(shè)計規(guī)范,設(shè)置階梯形丁壩的迎水坡坡比1∶1.6,背水坡坡比1∶1.6,壩頭坡坡比1∶1.2,一級丁壩長度1m,丁壩總高度0.12m。試驗水槽寬度2m,設(shè)置水槽內(nèi)水深0.1m,流水中泥砂粒徑為d50=1mm,河床中砂粒采用天然石英砂,壩頭為圓弧形直頭丁壩。階梯形丁壩截面圖見圖1。

圖1 階梯丁壩尺寸圖

對階梯形丁壩的幾何參數(shù)進行無量綱化處理,定義一級丁壩的相對高度ψ=h1/H,二級丁壩的相對長度ω=L1/B。根據(jù)模型驗證的參數(shù)取值,并保證砂粒在各流速情況下正常輸動,取計算流量Q=60～120L/s。為保證一級丁壩處于始終淹沒狀態(tài),設(shè)定一級丁壩的高度h1為20～80mm,二級丁壩的長度L1為500～800mm。根據(jù)以上參數(shù)的取值范圍,數(shù)值計算選定Q、ψ、ω三個因素,每個因素7個水平,共計21個工況。本次試驗選取最具代表性的工況為基準(zhǔn)進行計算,水流流量Q=80L/s,一級丁壩的相對高度ψ=0.65,二級丁壩的相對長度ω=0.3。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 壩頭沖刷形態(tài)變化分析

根據(jù)試驗中測量數(shù)據(jù)以及階梯形丁壩壩頭周圍沖刷坑形態(tài)的產(chǎn)生過程,沖刷坑的深度和面積隨時間變化過程見圖2。

圖2 沖刷形態(tài)變化

由圖2(a)可知,階梯形丁壩的水流沖刷深度隨著時間的增加而逐漸增大。當(dāng)時間為1h時,丁壩的沖刷深度為35mm;當(dāng)時間為5h時,丁壩的沖刷深度為80.5mm;當(dāng)時間為6h時,丁壩的沖刷深度為81mm。由此可知,在時間為0～1h階段,水流對壩頭附近的沖刷能力較強,短時間內(nèi)沖刷深度較大;在時間為1～5h階段,水流沖刷速度降低,但速度呈線性增加的趨勢,沖刷深度平穩(wěn)增加;在時間為5～6h階段,水流沖刷深度幾乎處于恒定深度,水流沖刷趨于穩(wěn)定。

由圖2(b)可知,階梯形丁壩的水流沖刷面積隨著時間的增加而快速增大,最后逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)時間為1.2h時,丁壩的沖刷面積為3.45m2;當(dāng)時間為5h時,丁壩的沖刷面積為3.7m2;當(dāng)時間為6h時,丁壩的沖刷面積為3.75m2。由此可知,在時間為0～1.2h階段,水流對壩頭附近的沖刷能力較強,河床沖擊變形明顯,沖刷面積快速增大;在時間為1.2～5h階段,水流沖擊變緩,沖刷面積增量較小;在時間為5～6h階段,沖刷面積基本保持恒定不變。

由圖2(c)可知,階梯形丁壩的水流沖刷量隨著時間的增加而快速增大。當(dāng)時間為1.2h時,丁壩的沖刷量為0.07m3;當(dāng)時間為5h時,丁壩的沖刷量為0.13m3;當(dāng)時間為6h時,丁壩的沖刷量為0.141m3。由此可知,在時間為0～1.2h階段,水流流速較大,水流對壩頭附近的沖刷能力較強,沖刷量快速增加;在時間為1.2～5h階段,水流沖刷趨于平緩,沖刷量呈穩(wěn)定趨勢增加;在時間為5～6h階段,沖刷量增長總體趨于平穩(wěn)。

綜上可知,隨著時間的增加,階梯形丁壩的水流沖刷深度、沖刷面積和沖刷量均快速增大,再逐漸趨于平穩(wěn)。在時間為0～1.2h階段,水流對壩頭附近的沖刷能力較強,沖刷量較大,沖刷面積隨之增大,沖刷深度明顯變化;時間為1.2～5h階段,水流沖刷趨于平緩,沖刷量和沖刷量緩慢增加,沖刷深度變化趨于穩(wěn)定;時間為5～6h階段,壩頭的局部沖刷基本達到穩(wěn)定,局部沖坑不再發(fā)展,沖刷深度處于恒定狀態(tài)。

3.2 丁壩尺寸對沖坑特征的影響

以最具代表性的工況為基準(zhǔn),試驗另選取兩組不同尺寸的丁壩進行對比:一級丁壩的相對高度分別為ψ=0.55、ψ=0.8;二級丁壩的相對長度分別為ω=0.32、ω=0.36。相同流速條件下,不同尺寸的丁壩沖坑形態(tài)見圖3。

圖3 不同尺寸丁壩的沖坑深度

由圖3(a)可知,不同相對高度條件下,丁壩局部沖坑形態(tài)基本相似。隨著時間的增加,沖坑深度均快速增大。在丁壩相對高度分別為ψ=0.55、ψ=0.65、ψ=0.8條件下,時間為1h時,沖坑深度分別為27.5、29.6、27.6mm;時間為3h時,沖坑深度分別為53.1、64.1、54.3mm;當(dāng)時間為5h時,沖坑深度分別為70.2、76.4、73.5mm;時間為6h時,沖坑深度分別為70.8、78.1、75.8mm。由此可知,時間為0～0.7h階段,沖坑深度均快速增大,且增大速率基本相同;時間為0.7～5h階段,水流沖刷速度降低,沖刷能力減弱,但沖刷速度趨于平穩(wěn),同時沖刷深度增加趨勢也相對平穩(wěn);時間為5～6h階段,水流沖刷速度達到穩(wěn)定狀態(tài),沖刷深度基本保持穩(wěn)定,變化較小。

由圖3(b)可知,不同相對長度條件下,丁壩局部沖坑形態(tài)基本相似。隨著時間的增加,沖坑深度均快速增大。丁壩相對長度分別為ω=0.30、ω=0.32、ω=0.36條件下,時間為1h時,沖坑深度分別為25.7、30.6、32.7mm;時間為3h時,沖坑深度分別為54.9、63.6、66.8mm;時間為5h時,沖坑深度分別為72.5、76.9、78.1mm;當(dāng)時間為6h時,沖坑深度分別為73.7、77.4、78.7mm。由此可知,時間為0～0.7h階段,沖坑深度均快速增大,且增大速率基本相同;時間為0.7～5h階段,水流沖刷速度降低,但速度處于平穩(wěn)增加的趨勢,沖刷深度平穩(wěn)增加;時間為5～6h階段,水流沖刷深度逐漸減小,水流沖刷趨于穩(wěn)定。

綜上可知,不同丁壩尺寸條件下,丁壩局部沖刷形態(tài)基本相似。時間為0～0.7h階段,沖坑深度均快速增大,且增大速度基本相同;在時間為0.7～5h階段,沖坑深度均緩慢增加,增加趨勢處于平穩(wěn)狀態(tài);時間為5～6h階段,水流沖刷達到平衡,沖坑深度變化較小。研究表明,一級丁壩相對高度和二級丁壩相對長度對丁壩局部沖坑形態(tài)及沖刷深度無明顯影響。

3.3 丁壩相對高度對局部深度的影響

根據(jù)測量數(shù)據(jù),可得沖刷深度隨一級丁壩相對高度的變化曲線,見圖4。

圖4 丁壩沖刷深度

由圖4可知,隨著一級丁壩相對高度ψ的增大,沖刷深度均逐漸增大再逐漸趨于平穩(wěn)。當(dāng)ψ≤0.65時,最大深度和平均深度均隨ψ的增大而快速增大;當(dāng)ψ>0.65時,最大深度和平均深度變化趨于平緩,ψ的增大對最大深度和平均深度的影響不明顯。在水流過程中,丁壩下游會出現(xiàn)回流寬度,當(dāng)ψ=0.65時,回流寬度出現(xiàn)最大值;當(dāng)ψ>0.65時,回流寬度逐漸減小,減弱了對水流的束窄作用。因此,ψ的增大對最大深度和平均深度的影響相對較小。

4 結(jié) 論

本文通過對階梯丁壩進行水流沖刷試驗,研究了丁壩的沖刷特性,并對壩頭的沖刷形態(tài)和沖坑特征進行了分析。結(jié)論如下:

1)不同丁壩尺寸條件下,丁壩局部沖刷形態(tài)基本相似。恒定水流作用下,階梯形丁壩的水流沖刷深度、沖刷面積和沖刷量隨著時間增加均快速增大,在時間為5～6h階段,局部沖坑不再發(fā)展,沖刷深度處于恒定狀態(tài)。

2)隨著一級丁壩相對高度ψ的增大,沖刷深度均逐漸增大再逐漸趨于平穩(wěn)。當(dāng)ψ≤0.65時,最大深度和平均深度均隨ψ的增大而增大;當(dāng)ψ>0.65時,最大深度和平均深度變化趨于平緩,ψ的增大對最大深度和平均深度的影響不明顯。