丁坝冲刷模式与水流形态分析研究_韩梦君.pdf

理论研究水利技术监督2023 年第 2 期DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.042丁坝冲刷模式与水流形态分析研究韩梦君(新疆维吾尔自治区塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)摘要:为研究不同类型丁坝的冲刷模式与水流形态。文章采用水槽试验分析了不同水力条件下三角形丁坝和矩形丁坝周围形成的冲刷模式，同时测量了三角形丁坝和矩形丁坝周围的三维速度分量。结果表明，三角形丁坝的最大冲刷坑深度和最大冲刷体积均小于矩形丁坝。在数量上，前者的最大冲刷坑深度和体积分别比后者小 44%和70%。根据水流形态分析，建议三角形丁坝间距不应超过结构有效长度的 5.5 倍。研究结果可为三角形丁坝设计标准提供一定的参考。关键词:三角形丁坝;河岸侵蚀;冲刷坑;矩形丁坝;直河中图分类号:TV698.1文献标识码:B文章编号:1008-1305(2023)02-0161-04收稿日期:2022-10-13作者简介:韩梦君(1983 年)，女，工程师。E-mail:623053033 在河岸上修建丁坝可以减少河岸侵蚀，防止河流横向迁移，改善河道通航条件，将水流引向河流进水口，恢复或改善河流中的水生生物1-3。与此同时，在河岸上修建丁坝会导致局部流速和河床剪应力增加，以及结构周围出现马蹄涡4-5，导致丁坝顶端形成冲刷坑，冲刷坑的发育会导致丁坝的破坏6。目前，已有大量学者对沿直河和曲流河的丁坝进行了大量研究。孙志林等7 研究了矩形丁坝周围的河床地形特征和最大冲刷深度。施如学8 采用三维数值模型模拟矩形丁坝周围的水流，计算了矩形丁坝附近的流态和剪应力。宁健等9 采用室内试验和数值模拟相结合的方法，研究了不透水丁坝和透水丁坝的局部流态和河床变形特征。王丹10 通过测量具有固定冲刷床的模型丁坝附近的三维流速，研究了沉积物平均粒度和粒度分布对不透水矩形丁坝周围河床地形的影响。以上研究对象均为矩形丁坝，缺乏对三角形丁坝的研究，三角形丁坝可有效控制冲刷坑的形成。这是因为三角形丁坝可降低横截面积减小和水位升高的风险，有助于防止河流拐弯处水位突然上升等变化。本文主要目的是研究三角形丁坝周围的冲刷和沉积模式，并与矩形丁坝进行比较。同时测量了三角形丁坝和矩形丁坝周围的三维速度分量，并对各自的水流形态进行检查和比较，从而更加深入地了解三角形丁坝设计参数等相关问题。1试验装置试验在矩形直水槽中进行，以研究三角形丁坝和矩形丁坝周围的冲刷和沉积模式。水槽侧壁为有机玻璃，厚度为 0.01m，水槽宽度为 0.56m，长度为 7.3m。水槽端部安装有滑动闸门以调整水流深度。水槽出口进入一个混凝土水池，水池末端安装了一个 53三角形堰，用于测量流速。该水槽的平面图如图 1(a)所示。水槽河床覆盖均匀沉积物，平均直径(d50)为0.7mm，几何标准差(d84/d16)为 1.3。研究使用的矩形丁坝和三角形丁坝采用厚度为 0.005m 的有机玻璃板。为了确定三角形丁坝和矩形丁坝周围的冲刷和沉积模式，本文将这些结构分 4 组安装在水槽壁上，垂直于水槽壁(垂直于水流)。试验中所有丁坝采用非淹没矩形丁坝，其有效长度为水槽宽度的20%(Le=0.112m)，丁坝间距为有效长度的 3 倍(Sl=0.336m)。三角形丁坝在水槽壁和水槽床之间倾斜，水槽壁上的顶部与水面处于同一水平面。在弗劳德数(Fr)分别为 0.176、0.196、0.216 和0.235(恒定深度为 0.15m)时，分别施加 0.018、0.020、0.022 和 0.024m3/s 的流量。试验在清水中1612023 年第 2 期水利技术监督理论研究图 1试验装置进行，试验持续时间恒定为 150min，以便比较三角形丁坝和矩形丁坝周围河床地形变化。在每次试验结束排空床层后，使用激光测距仪(精度为0.001m)测量床层地形。为了研究单个三角形丁坝周围的流动模式，并将其与单个矩形丁坝周围的流动模式进行比较，本文使用了一个长 10m、宽 0.8m 的矩形直水槽。在这些试验中，单个三角形丁坝和矩形丁坝的有效长度为水槽宽度的 20%(Le=0.16m)，丁坝与水槽壁呈 90角(图 1(b)和 1(c)。所有试验均采用电磁测速仪测量三维速度分量。为了消除水流中移动的沉积颗粒造成的干扰，2 种试验使用的水槽床均无沉积物(即刚性水槽床)。在恒定水深为 0.15m、流量为 0.025m3/s 和 Fr为 0.171 的条件下，适当测量三维速度分量。在单个矩形丁坝上进行的试验中，在以下横截 面 处 测 量 了 三 维 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。单个矩形丁坝安装在横截面 0.72m 处。在每个截面上，在距离壁面水槽的以下距离选取至少 15 条 垂 直 线: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。每条垂线上的三维速度分量分别在水槽床上方 0.03、0.07、0.11 和0.14m 处测量。总的来说，每个横截面至少获取了 60 个速度读数。鉴于每个横截面的连续读数点之间的水平距离为 0.05m，而距离结构较近的横截面则选取 0.025m 的间距。因此，在靠近丁坝的横截面上进行了 60 多次读数。在单个三角形丁坝 的 试 验 中，分 别 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 的横截面处测量三维速度分量。单个三角形丁坝安装在横截面 0.72m 处。与单个矩形坝的试验类似，在每个截面上至少考虑 15 条垂直线(间距=0.05m)测量三维速度分量。同样，对于位于靠近结构的横截面处的垂直线，选择 0.025m的间距。此外，在每个横截面上，在水槽床上方0.03、0.07、0.11 和 0.14m 的 4 个点处测量每条垂直线上的三维速度分量。2结果与讨论2.1冲刷和沉积2.1.1三角形和矩形丁坝周围的冲刷和沉积模式在 Fr=0.235 时所研究矩形丁坝和三角形丁坝周围的冲刷和沉积模式，如图 2 所示。图 2在 Fr=0.235 处获得的矩形丁坝和三角形丁坝周围的冲刷和沉积模式(高程单位:cm)不同弗劳德数下矩形丁坝周围的冲刷和沉积模式研究结果表明，无论 Fr值如何，在第一个丁坝周围都形成了冲刷坑，且该坑的最大深度出现在结构顶端。随着 Fr的增大，该冲刷坑在第一个丁坝上游和下游部分的冲刷坑纵向和横向扩大。第一个丁坝上游和下游冲刷坑的横向延伸持续到水槽壁。增大 Fr会增加冲刷坑深度。最大冲刷深度出现在261理论研究水利技术监督2023 年第 2 期Fr=0.235 处。在第二、第三和第四个丁坝周围，Fr=0.176 处未观察到冲刷坑。在 Fr=0.196 时，第三个丁坝顶端出现了一个小冲刷坑。该冲刷坑在Fr=0.216 处扩大，在第三个丁坝的上游延伸直至水槽壁，尺寸和深度在 Fr=0.235 时增加。另一个小冲刷坑出现在第四个丁坝顶端。在所有弗劳德数下，第一个丁坝周围形成的冲刷坑大于其他丁坝。第一个矩形丁坝周围形成的冲刷坑产生的沉积物沉积在该丁坝下游，尤其是第二个丁坝周围。沉积物的体积与第一个丁坝顶端的冲刷速率成正比。不同弗劳德数下三角形丁坝周围的冲刷和沉积模式研究结果表明，第一个三角形丁坝周围形成了冲刷坑，其最大深度出现在结构上游的丁坝顶端附近。与矩形丁坝不同的是，三角形丁坝周围形成的冲刷坑是不对称的即冲刷坑的大部分位于结构上游，靠近顶端。在这种情况下，在结构的背面(顶端和水槽壁之间)未发现冲刷迹象。Fr增大，冲刷坑的尺寸和深度增加了。最大冲刷深度在 Fr=0.235 时达到。在 Fr=0.196、0.216和 0.235 处，第一个三角形丁坝上游的冲刷坑不断延 伸 直 至 水 槽 壁。在 Fr=0.176 和 Fr=1.196 时，在第二、第三和第四个丁坝周围未观察到冲刷。在 Fr=0.216 和 0.235 时，冲刷主要发生在第三和第四个丁坝的顶端，后者的冲刷更严重。第一个丁坝周围形成的冲刷坑也大于其他丁坝。对比矩形丁坝和三角形丁坝的沉积模式，发现后者周围冲刷产生的沉积物纵向沉积在水槽壁附近，前者的沉积物主要沉积在第二个丁坝顶端或其周围。纵向沉积下来的沉积物将填满侵蚀孔，并沿河流(特别是沿曲流外岸)形成新的河岸。2.1.2最大冲刷深度如上所述，在三角形丁坝和矩形丁坝上进行的所有试验中最大冲刷深度发生在上游第一个丁坝周围的冲刷坑处。不同试验中获得的横向最大冲刷剖面如图 3 所示。图 3 中，纵轴和横轴分别表示不同点处获得的无量纲河床水平(Z/h)和距水槽壁的无量纲距离(Y/B)。不同试验获得的最大冲刷深度的变化如图 4 所示。图 4 中，纵轴和横轴分别表示无量纲比 ds/h(最大冲刷深度与流动深度)和弗劳德数 Fr。三角形丁坝的最大冲刷深度小于矩形丁坝。原因可归结为:在三角形丁坝中，与水流接触的表面积小于矩形丁坝。因此，水流对三角形丁坝的影响较小，削弱了结构周围形成的涡流。三角形丁坝附近的流速增加幅度小于矩形坝，从而导致河床剪切应力减小。2.1.3冲刷坑体积不同试验中获得的冲刷坑体积随弗劳德数的变化如图 5 所示。图 5 中纵轴表示冲刷坑体积与水流深度 3 次方的无量纲比(V/h3)。可以观察到，三角形丁坝的冲刷坑体积小于矩形丁坝，这可能由于三角形丁坝的表面积较小，受水流冲击较弱，且丁坝附近的流速较低。计算得出，在 Fr=0.176、0.196、0.216和 0.235 时，三角形丁坝冲刷坑体积分别比矩形丁坝减少 80.6%、82%、61.5%和 54.2%。本研究中不同试验的结果见表 1。图 3不同试验获得的最大冲刷深度横向剖面图3612023 年第 2 期水利技术监督理论研究图 4不同试验获得的无量纲最大冲刷深度随弗劳德数的变化图 5不同试验中获得的无量纲冲刷坑体积随弗劳德数的变化表 1本研究中不同试验的结果丁坝类型Frds/mds/hV/h3hs/hSDI/%矩形丁坝0.1760.0560.370.5250.2670矩形丁坝0.1960.0750.510.3860矩形丁坝0.2160.090.61.490.4730矩形丁坝0.2350.100.671.520.4730三角形丁坝0.1760.020.130.1020.0864.2三角形丁坝0.1960.0380.250.180.14749.3三角形丁坝0.2160.0520.340.5760.2442.2三角形丁坝0.2350.0790.520.6980.2821由表 1 可知，冲刷坑体积随着 Fr的增加而增加。最小和最大冲刷坑体积分别在 Fr=0.176 和0.235 时得到。表格的最后一列显示了三角形丁坝相对于矩形丁坝的最大冲刷深度的减少百分比(SDI)，计算公式如下:SDI=(ds/ds矩形丁坝)100式中，ds矩形丁坝矩 形 丁 坝 中 的 最 大 冲 刷 深 度;ds三角形丁坝和矩形丁坝最大冲刷深度之差。2.1.4沉积物沉积三角形丁坝冲刷产生的沉积物大多纵向沉积在水槽壁附近，而矩形丁坝中大多数沉积物沉积在顶端以及下游结构周围。且矩形丁坝的沉积物横向发育程度大于三角形丁坝。根据丁坝周围的流动模式，河床和悬移质沉积可能发生在丁坝下游(形成点坝)，这对河岸稳定和开发新河岸具有优势。水流水力参数以及结构几何参数的变化会影响点坝的尺寸、其与河岸的距离以及点坝在河道上的分布。因此，有必要研究三角形丁坝和矩形丁坝形成的沉积作用，以及影响其的因素。不同试验中最大沉降高度与水槽壁之间的距离变化如图 6 所示。图 6不同试验中最大沉降高度与水槽壁的距离变化图6 中，纵轴为无量纲距离比，横轴为弗劳德数。由图6 可知，与三角形丁坝相比，矩形丁坝中的最大沉降高度发生在