淹沒(méi)雙丁壩局部水頭損失的研究

【摘要】基于單丁壩水頭損失研究的基礎(chǔ)上，借助相關(guān)的試驗(yàn)資料進(jìn)行分析，總結(jié)了影響雙丁壩局部水頭損失的因素，并對(duì)雙丁壩局部水頭損失進(jìn)行了分析，確定了雙丁壩局部水頭損失計(jì)算方法。

【關(guān)鍵詞】雙丁壩；水頭損失；計(jì)算方法

1、引言

越過(guò)淹沒(méi)丁壩體的水流現(xiàn)象比較復(fù)雜，漩渦是造成能量損失的主要原因。漩渦是在在壩頭和壩頂產(chǎn)生的，其在運(yùn)動(dòng)初期主要是從從主流中獲取能量，強(qiáng)度逐漸增大，但隨著漩渦向下游的移動(dòng)，由于其尺度不斷增大，所以周圍水流對(duì)其阻力也逐漸增大，最終使得漩渦的強(qiáng)度逐漸減弱。漩渦在產(chǎn)生、運(yùn)行、分裂和合并過(guò)程中，必然造成主流能量的損失，這種主流能量的分散與消耗就是淹沒(méi)丁壩的局部水頭損失。

2、淹沒(méi)雙丁壩局部水頭損失的分析

2.1 淹沒(méi)雙丁壩下游丁壩阻擋流量的確定

局部水頭損失系數(shù)采用無(wú)量綱水流壓縮系數(shù)為特征因子，其中Q為斷面總流量，為丁壩阻擋流量。由于上丁壩的存在使得流場(chǎng)發(fā)生變化，下丁壩的阻擋流量不同于上丁壩的阻擋流量，所以怎樣確定下丁壩的阻擋流量成了解決雙丁壩局部水頭損失的關(guān)鍵所在。丁壩的存在使得主槽流量發(fā)生變化，其隨著距離變化的公式如下：

（1）

其中，，；表示壩高，H表示水深，是丁壩的幾何長(zhǎng)度；B表示河床寬度，表示丁壩斷面無(wú)壩時(shí)的平均流速，U表示斷面流速。表示丁壩斷面到收縮斷面的距離，表示丁壩斷面主槽的平均流速。

結(jié)合上式與過(guò)壩流量計(jì)算公式即可求出丁壩下游某一斷面x=S處的主槽平均流速，從而可求出主槽流量和壩區(qū)流量。假設(shè) 計(jì)算出的主槽流速為，那么在x=S處的主槽流量為：

（2）

壩區(qū)流量沿程的變化可用下式表示：

（3）

但由于丁壩壩區(qū)與主槽之間存在流量交換，從主槽流入壩區(qū)的流量的流速分布，不能等同于按過(guò)壩流量計(jì)算的流速分布，它們之間的相互作用會(huì)形成新的流速分布。N.Rajaratnam和D.naraHarra通過(guò)研究得知：對(duì)于壩高比壩長(zhǎng)小的多的丁壩，其下游垂向流速分布可近似的用指數(shù)分布表示：

（4）

式中：v為垂線上某點(diǎn)的速度；m為指數(shù)，一般取6；V為垂線平均流速。

丁壩下游x=S的斷面上壩區(qū)流量可以表示為：

（5）

在第二條丁壩建壩前丁壩長(zhǎng)度范圍內(nèi)的平均流速，由下式可求得：

（6）

阻擋流量的可以表示為下式：

（7）

將式（6）代入式（7）可得：

（8）

2.2 淹沒(méi)雙丁壩局部水頭損失的確定

孔祥柏等通理論上過(guò)理論分析獲得非淹沒(méi)丁壩局部水頭的計(jì)算公式。淹沒(méi)丁壩與非淹沒(méi)丁壩不同的就是淹沒(méi)損失系數(shù)，應(yīng)強(qiáng)通過(guò)試驗(yàn)分析給出了淹沒(méi)單丁壩局部水頭損失計(jì)算公式：

（9）

為了簡(jiǎn)化，取流速為建壩前斷面平均流速，通過(guò)試驗(yàn)資料繪點(diǎn)分析確定與的關(guān)系如下：

（10）

計(jì)算出丁壩的阻擋流量后，在水槽槽率、來(lái)流流量和丁壩幾何尺寸已知的情況下，可根據(jù)式（8）和式（11）求出淹沒(méi)雙丁壩的第二條丁壩的阻擋流量和局部水頭損失，只需將第一條丁壩和第二條丁壩的局部水頭損失相互疊加，就可得到淹沒(méi)雙丁壩局部水頭損失。

（11）

3、總結(jié)

淹沒(méi)雙丁壩局部水頭損失主要取決于丁壩幾何尺寸、丁壩間距、來(lái)流量以及淹沒(méi)程度。水頭損失隨丁壩長(zhǎng)度和丁壩壩高的增加而增加；當(dāng)來(lái)流量很大時(shí)，局部水頭損失隨丁壩間距的的改變也會(huì)有一定的變化，但變化不是很大。由于雙丁壩是最簡(jiǎn)單的丁壩群，所以本文得出的雙丁壩局部水頭損失計(jì)算公式可以為淹沒(méi)丁壩群局部水頭損失的計(jì)算提供一定的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Rajaratnam N，Nwachukwu B A. Flow near groin-like structures。Journal of Hydraulic Engineering ，ASCE，1983，109（3）：463-482

[2]孔祥柏，程年生.丁潛壩局部水頭損失的試驗(yàn)研究. 水利水運(yùn)科學(xué)研究，1992，（4）：387～395.