透水性對丁壩周圍能量變化的影響試驗研究

贠寶革， 喻 濤*， 王平義

(1.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室， 重慶 400074； 2.重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心， 重慶 400074)

丁壩作為航道整治中最常用的一種阻水建筑物，具有束窄水流、壅高水位、改變原有河道局部水流流態和水沙條件的作用。任志等[1]通過水力插板形式的模型試驗得出防沖促淤的最佳空隙率；張凱等[2]詳細分析了模型沙粒徑、束窄度、透水率、挑腳的變化對壩頭沖深的影響；許百強等[3]通過水槽概化模型研究了空隙尺寸、空隙率對水面線的影響；魏文禮等[4]應用數值模擬的方法研究了彎道中布設丁壩對改善水流流態和岸坡穩定的影響；李瑤等[5]通過水槽試驗提出了一種適用于彎曲溢洪道的新型消能工，得到了高坎收縮程度和凹岸邊墻半徑是影響回流的主要因素；常留紅等[6]通過水槽試驗研究了透水率指標對空心梯形塊丁壩透水特性的主要影響；Ahmed等[7]通過動床試驗得出透水壩主航道中心線處的水深不會改變，而實體壩主航道中心線處的水深會發生一些變化；陳杏文等[8]從動能修正系數的定義出發通過水槽試驗研究了近岸緩流區河道動能修正系數的計算方法和沿程變化規律；Yu等[9]借助水槽試驗，研究了丁壩周圍紊動與局部沖刷之間的關系。王文森等[10]通過粒子圖像測速技術(particle image velocimetry，PIV)試驗和Flow3D數值模擬相結合的方法研究了梯形透水潛壩的水面線與空隙率的關系；Padhi等[11]研究了礫石床對湍動能的影響；Kumar等[12]通過模型試驗對非淹沒式勾頭丁壩的紊動特性進行了研究，得到了紊動能和床面切應力的關系；Marta等[13]對螺栓魚道中的紊動能進行了分析，發現了速度和紊動能分布的差異；Springer等[14]通過計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)的方法研究了明渠流動中的氣-液傳質系數與平均湍動能的關系;馬冰等[15]采用水沙耦合的二維淺水模型結合河道內流量增加法構建棲息地模擬模型，研究了丁壩間距對水沙運動結構和水生生物棲息地的影響。

實際工程中的散拋石丁壩常常被學者概化為實體丁壩忽略其透水特性進行水力特性研究。相應研究成果不能較好地解決丁壩破壞問題，致使每年洪水過后都需要對丁壩進行維修加固。洪水過程中丁壩作為能量轉換的承載者勢必會遭受能量突變帶來的破壞，因此研究丁壩周圍的能量變化過程就顯得尤為重要。現通過研究散拋石丁壩透水特性對壩身段、壩頭前端和主流區的位能、動能和總能量的影響，揭示丁壩最易破壞部位。為丁壩結構的優化設計提供參考，也為丁壩的新建及維修加固提供技術支撐和科學指導。

1 模型試驗設計

本試驗在矩形玻璃水槽中完成，水槽尺寸為30 m×2 m×1 m(長×寬×高)。流量采用由清華大學和尚水公司聯合開發研制的流量控制與測量系統(discharge control and measurement system，DCMS)，控制水深(丁壩迎水坡坡腳處水深)由水位測針讀取，實時水位由超聲波浪/水位采集分析儀跟蹤測讀。實時流速采用重慶交通大學西南水運科學研究所自行研發的流速采集系統。具體水位、流速測點位置如圖1所示。

圖1 試驗水位、流速測點布置圖Fig.1 Layout of measuring points for velocity of test water level

通過對長江上游丁壩尺寸的總體統計研究，并結合實驗室的實際試驗條件，實驗采用1∶40的正挑丁壩作為模型丁壩。模型丁壩的壩長為50 cm，壩頂寬度為7.5 cm，壩高為10 cm，壩底寬為42.5 cm。模型丁壩的橫截面采用實際工程中的梯形斷面以便還原工程實際，壩頭采用圓弧直頭形式。模型丁壩的迎水坡坡比采用1∶1.5，背水坡坡比采用1∶2。試驗中以流量Q1=95 L/s，對應水深H1=14 cm為例(其他流量和水深條件下符合相同的變化趨勢)；空隙尺寸R1=16 mm、R2=20 mm和R3=32 mm三種規格；空隙率P1=6.8%、P2=14.1%和P3=22.5%三種類型。相同水流條件，不同空隙尺寸，不同空隙率的試驗研究。進行的試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況表

2 能量計算方法

將試驗區劃分為壩身段、壩頭前端和主流帶區，其中壩身段為1#、2#縱斷面，壩頭前端為5#、6#縱斷面，主流帶區為8#、9#縱斷面。能量計算基于伯努利方程[16]進行相關試驗數據的計算分析，即

3 透水性對丁壩周圍能量分布影響

3.1 相同空隙尺寸不同空隙率條件下透水丁壩周圍能量變化

以相同流量Q1=95 L/s，相同空隙尺寸R1=16 mm，不同空隙率P1=6.8%、P2=14.1%和P3=22.5%條件下，壩身段(1#縱斷面)、壩頭前端(6#縱斷面)和主流帶區(8#縱斷面)為例，對其位能、動能、總能量的變化進行分析，結果如圖2～圖4所示。

3.1.1 壩身段能量變化分析

由圖2可知，壩身段(1#縱斷面)，在不同空隙率條件下，壩前位能大于壩后位能，且整體上遵循先減小后增大，最終趨于穩定的變化規律。P1=6.8%和P2=14.1%在下游背水坡坡腳處位能相同，P3=22.5%的略小。在下游較遠處P2=14.1%位能最大，P1=6.8%其次，P3=22.5%的最小。空隙率太大或空隙率太小均不利于減小丁壩上下游位能差值。

圖2 不同空隙率條件下壩身位置位能、動能和總能量分布圖Fig.2 Distribution of potential energy， kinetic energy and total energy of dam body at different void ratio

動能整體上遵循從上游到下游逐漸減小最后趨于穩定的變化規律。動能大小與空隙率呈正相關。在相同流量條件下，空隙率越大則空隙數目相對越多，同時通過壩體空隙水體越多，不同流速水體摻混作用越弱，動能轉化越少。空隙率P2=14.1%的縱斷面2#點值突越，是由流速測量裝置正對空隙所致。

總能量變化趨勢與位能變化趨勢一致。總能量在空隙率P2=14.1%和P1=6.8%相同位置之間的能量差值比位能稍大；總能量在空隙率P1=6.8%和P3=22.5%之間的能量差值比位能稍小。相同空隙尺寸條件下，空隙率增加則動能增大，相應總能量會隨之增大。

3.1.2 壩頭前端能量變化分析

由圖3可知，壩頭前端(6#縱斷面)位能整體上在小范圍內上下波動，沒有明顯的變化規律。空隙率P3=22.5%時，丁壩上下游位能差值最小；空隙率P1=6.8%其次；空隙率P2=14.1%最大。空隙率P1=6.8%的位能相對較大且波動較小。在丁壩上游空隙率P1=6.8%的位能大于空隙率P2=14.1%的位能；空隙率P2=14.1%的位能大于空隙率P3=22.5%的位能；丁壩上游位能與空隙率呈負相關。

圖3 不同空隙率條件下壩頭前端位能、動能和總能量分布圖Fig.3 Distribution of potential energy, kinetic energy and total energy at the head of the dam under different void ratios

動能整體上遵循先增大后減小的變化規律。在相同空隙尺寸條件下，動能大小與空隙率成反比。相同空隙尺寸條件下，空隙率越小則空隙數目越少，通過的流量越少，丁壩的束水作用越強，壩頭挑流作用越明顯，動能越大。空隙率P1=6.8%和P2=14.1%對應位置的動能差值較小，其相應位置動能均大于空隙率P3=22.5%，但空隙率P3=22.5%的動能變化幅度要小于空隙率P1=6.8%的和空隙率P2=14.1%的。

總能量變化趨勢與位能變化趨勢一致，總能量大小與空隙率近似呈負相關關系。

3.1.3 主流帶能量變化分析

由圖4可知，主流帶區(8#縱斷面)位能整體在較小范圍內往復波動，不存在明顯的變化規律；丁壩上游位能與空隙率呈負相關關系。空隙率P1=6.8%和P3=22.5%在丁壩下游出現一次位能增加的過程；空隙率P1=6.8%的位能在壩上游比壩下游稍大。空隙率P2=14.1%和P3=22.5%的位能恰好相反，下游比上游稍大。

圖4 不同空隙率條件下主流帶區位能、動能和總能量分布圖Fig.4 Potential energy, kinetic energy and total energy distribution of the main flow zone under different void ratios

動能整體呈現先增大后減小最終趨于平穩的現象。空隙率P2=14.1%的動能最大，P1=6.8%的其次，兩者動能差值較小；P3=22.5%的最小。之所以動能與空隙率不存在嚴格的負相關關系是因為空隙率越小，壩頭挑流作用越強，將主流帶區挑向對岸更遠處；空隙率過大時，水流從空隙通過量較多，起到明顯的分流作用，使主流帶區動能明顯減小。

總能量的變化趨勢與位能一致。丁壩上游的總能量與空隙率呈負相關關系。空隙率P2=14.1%的總能量整體大于P3=22.5%的,同位能相比存在明顯差異。這是因為在主流區域動能較大引起的。

3.2 相同空隙率不同空隙尺寸條件下透水丁壩周圍能量變化

以相同流量Q1=95 L/s，相同空隙率P2=14.1%，不同空隙尺寸R1=16 mm，R2=20 mm和R3=32 mm條件下，壩身段(1#縱斷面)、壩頭前端(6#縱斷面)和主流帶區(8#縱斷面)為例，對其位能、動能、總能量的變化進行分析，結果如圖5～圖7所示。

3.2.1 壩身段能量變化分析

由圖5可知，壩身段(1#縱斷面)整體上遵循上游位能最大過壩后位能陡降，位能在壩下逐漸升高，在距離丁壩較遠處位能趨于一個穩定值，但壩下位能皆小于壩上位能。從空隙尺寸來看R1=16 mm時，位能過壩過程中消耗位能最小，在較遠處趨于平穩時位能也最大。空隙尺寸R2=20 mm和R3=32 mm時，位能過壩過程中消耗能量和較遠處趨于平穩時位能差值較小，但過壩消耗能量比R1=16 mm的多，壩后較遠處平穩時位能也小于R1=16 mm的透水丁壩。在相同空隙率條件下，空隙尺寸越小則空隙數目相對越多，水流通過時消耗能量越少，壩后位能越大。

動能整體上遵循從上游到下游逐漸減小最終趨于平穩的變化規律。空隙尺寸R1=16 mm和R3=32 mm在丁壩背水坡坡腳處動能激增是因為空隙率P2=14.1%時，流速測量裝置對著空隙所致。空隙尺寸R1=16 mm，R2=20 mm和R3=32 mm在上游迎水坡坡腳處動能值近似相等，在下游距離丁壩較遠處動能值近似相等。空隙率一定的條件下，空隙尺寸改變對上游迎水坡坡腳處的動能影響較小，下游丁壩較遠處符合相同的變化規律。

總能量變化趨勢與位能一致，這是由于空隙率P2=14.1%時，靠近壩身段流速較小，位能遠遠大于動能造成的。

3.2.2 壩頭前端能量

由圖6可知，壩頭前端(6#縱斷面)位能從上游到下游遵循先減小后增大的變化規律。空隙尺寸R1=16 mm在壩后較遠處位能大于壩前迎水坡坡腳處位能。空隙尺寸R2=20 mm和R3=32 mm與R1=16 mm的現象相反。這是由于在壩頭前端存在明顯的繞流現象，造成壩頭附近局部范圍內水面線降低。空隙尺寸越小則擾流作用越明顯，從而出現空隙尺寸R1=16 mm壩前位能小于壩后位能現象。

圖6 不同空隙尺寸條件下壩頭前端位能、動能和總能量分布圖Fig.6 Distribution of potential energy， kinetic energy and total energy at the head of the dam under different void sizes

動能整體上遵循先增大后減小的變化規律。在空隙率一定的條件下，動能與空隙尺寸呈負相關關系。相同空隙率下，空隙尺寸越小則空隙數目越多，反而更不利于水流通過。空隙尺寸越小，壩頭挑流作用越強，使壩頭前端的動能越大。

總能量與位能變化趨勢相同，大小分布明顯；R1=16 mm的最大，R2=20 mm的較大，R3=32 mm的最小。

3.2.3 主流帶能量變化分析

由圖7可知，主流帶(8#縱斷面)區位能不存在明顯的變化規律；在距離丁壩較遠處位能與空隙尺寸呈負相關關系。空隙尺寸R1=16 mm的下游較遠處位能高于丁壩上游位能，R2=20 mm和R3=32 mm的下游較遠處位能略小于丁壩上游位能。這是由于丁壩的存在改變了原有過水斷面面積，使丁壩附近水面線降低。

圖7 不同空隙尺寸條件下主流帶區位能、動能和總能量分布圖Fig.7 Potential energy， kinetic energy and total energy distribution of the main flow zone under different void sizes

動能整體上遵循先增大后減小的變化規律。空隙尺寸R1=16 mm的動能從上游到下游都明顯大于R2=20 mm的和R3=32 mm的。R2=20 mm的和R3=32 mm的動能差值較小。動能與空隙尺寸不在嚴格遵循負相關關系。這是由于空隙尺寸不同時，影響丁壩的挑流能力，使主流帶區相應流速位置發生改變。在空隙率一定的條件下，空隙尺寸越小，束窄水流效果越明顯。

總能量變化趨勢與位能一致。在同一縱斷面相應位置上空隙尺寸R1=16 mm的總能量都明顯大于R2=20 mm的和R3=32 mm的。丁壩上游總能量與空隙尺寸呈負相關關系。

4 結論與展望

通過水槽概化模型，針對不同空隙尺寸和不同空隙率因素分析，得出丁壩附近位能、動能和總能量的變化規律如下。

(1)相同空隙尺寸條件下，丁壩上游位能與空隙率呈負相關關系。動能在壩身段呈現逐漸減小的現象，且動能大小與空隙率呈正相關關系；在壩頭前端呈現先增大后減小的現象，且動能大小與空隙率呈負相關關系；在主流帶區動能變化規律與壩頭前端一致，但動能與空隙率不再嚴格服從負相關關系。不同區域的總能量變化規律與其對應的位能變化規律一致，總能量與空隙率近似呈負相關關系。

(2)相同空隙率條件下，丁壩下游較遠處位能與空隙尺寸呈負相關關系。動能在壩身段呈逐漸減小的現象；在壩頭前端呈現先增大后減小的現象，且動能大小與空隙尺寸呈負相關關系；在主流帶區動能變化規律與壩頭前端一致，但動能與空隙尺寸不再嚴格服從負相關關系。不同區域的總能量變化規律與其對應的位能變化規律一致，總能量與空隙尺寸近似呈負相關關系。

在其他影響因素不變的條件下，調整空隙尺寸與空隙率可以有效改變壩體周圍能量分布，對研究壩體承載變化、壩體穩定及認識壩體損壞機理具有積極作用。因受時間和試驗場地限制，只進行了清水定床試驗，下一步將補充動床試驗，從定量上分析透水特性與能量的關系。