丁壩挑角對彎道水流流態(tài)影響的模型試驗研究

溫文杰

(茂名市鑒江流域水利水電建筑安裝工程有限公司,廣東 茂名 511500)

1 概述

自然界中的河流由于受到地形、地質(zhì)等諸多自然條件的影響，其流向和邊界會不斷變化，最終導(dǎo)致彎曲型河道成為河流中的最常見形態(tài)[1]。彎道中的水流在重力和離心力的共同作用下，會在橫斷面上形成斷面環(huán)流，同時和縱向水流相互作用形成彎道所特有的螺旋流[2]。這種特殊的水流結(jié)構(gòu)會造成河流彎道的凹岸部位的沖刷和凸岸部位的淤積，從而對河岸的穩(wěn)定性造成十分顯著的影響[3]。丁壩作為河道整治工程中最常見的一種建筑物，壩前水流的流速在其阻水作用影響下會迅速減小，流動方向也會遠(yuǎn)離凹岸，從而實現(xiàn)壩后彎道水流方向與形態(tài)的重布，有效緩解凹岸沖刷和凸岸淤積的現(xiàn)象，具有良好的工程應(yīng)用價值[4]。丁壩上述作用的發(fā)揮和丁壩的設(shè)計參數(shù)存在密切關(guān)系，在丁壩的設(shè)計和建設(shè)中需要根據(jù)工程現(xiàn)場的實際情況，對丁壩的數(shù)量、長度、位置以及挑角等參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計[5]。基于此，本文以180彎道為例，將丁壩的挑角作為研究變量，利用室內(nèi)模型試驗的方式探討挑角這一參數(shù)對彎道水流流態(tài)的影響，以便為相關(guān)理論研究和工程設(shè)計提供必要的支持和借鑒。

2 模型與試驗方法

2.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗?zāi)Ｐ鸵阅澈恿鲝澋罏楣こ瘫尘霸O(shè)計，該彎道的上游直水槽長為16m，彎道中心線的半徑為2m，下游直水槽的長度為16m。過流斷面的尺寸為0.8m×0.8m。變坡范圍為0～1%，彎道中心角為180°。試驗?zāi)Ｐ屠糜袡C(jī)玻璃板制作。按照SL 155—2010《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，整體模型的平均誤差需要控制在10mm以內(nèi)，地形高度誤差不得大于2mm，漏水量不能超過試驗過水量的1%。在模型制作過程中嚴(yán)格按照上述規(guī)定制作，并多次使用水平儀進(jìn)行校平[6]。試驗中所使用的丁壩模型為15cm×2cm×40cm，材料為普通有機(jī)玻璃，丁壩模型緊貼水槽邊壁置于彎道的凹岸部位。

試驗?zāi)Ｐ偷牧髁靠刂葡到y(tǒng)由數(shù)字式智能硬件和軟件系統(tǒng)組成。其中，硬件系統(tǒng)主要由計算機(jī)、控制箱、蓄水池、電磁流量計、水泵以及尾門自動控制箱等組成，軟件部分為JFC2017系統(tǒng)，在系統(tǒng)開機(jī)之后，可以通過手動增減變頻器運行頻率的方式控制水泵的轉(zhuǎn)速和出水量，同時通過尾門開度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對尾水位的精準(zhǔn)控制。

2.2 試驗方法

為了獲取丁壩挑角對彎道水流的影響，在模型試驗過程中設(shè)置14個測量斷面，其均勻分布于彎道的前130°，相鄰2個測量斷面之間的夾角為10°，斷面從上游至下游編號，分別為D1—D14。在試驗水槽的相關(guān)部位設(shè)置有自動水位測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由無線超聲波自動水位測量計、自動水位測量系統(tǒng)和控制箱采集程序組成[7]。

2.3 試驗方案

此次研究的主要目的是探討丁壩挑角對彎道水流流態(tài)的影響，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗和研究目的，設(shè)置45°、60°、75°、90°、105°、120°和135°等7種不同的挑角進(jìn)行試驗[8]，見表1。

表1 計算方案參數(shù)設(shè)計

3 計算結(jié)果與分析

3.1 沿程水位

根據(jù)試驗中獲得的水位數(shù)據(jù)，計算獲取關(guān)鍵斷面的水位值和所出現(xiàn)的斷面位置，見表2。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，繪制出水位值隨丁壩挑角的變化曲線，結(jié)果如圖1所示。由表2和圖1可以看出，不同試驗方案條件下彎道水位的沿程分布規(guī)律基本相似，特別是水位的最高點和最低點出現(xiàn)的部位基本一致。但是，對于不同的丁壩挑角設(shè)計方案，其水

表2 不同方案水位極值及所在斷面計算結(jié)果

圖1 水位極值變化曲線

位的變幅方面仍存在一定的不同。首先，隨著丁壩挑角的增大，彎道的最低水位呈現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢，水位的最低點出現(xiàn)在丁壩挑角90°方案；其次，彎道的最高水位與最低水位的變化規(guī)律類似，也隨著丁壩挑角的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點。由此可見，丁壩挑角為90°時彎道水流的最高與最低水位差最大；丁壩挑角為135°時彎道水流的最高與最低水位差最小。在凹岸，隨著丁壩挑角的不斷增大，彎道水流的最低水位呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，但是變化幅度相對較小；最高水位的變化則呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢，丁壩挑角為45°時的水位變化相對最大，而135°挑角丁壩的水位沿程變化相對較小。

3.2 沿程水面橫比降

水面橫比降在彎道水力特征研究中具有重要意義，如果該值過大，就會造成彎道段河床的巨大破壞，對船只的通行也會造成比較嚴(yán)重的負(fù)面影響。研究中根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，計算獲取各個監(jiān)測斷面的橫比降最大值和最小值，結(jié)果見表3。根據(jù)表3中的結(jié)果，繪制出最大橫比降隨丁壩挑角的變化曲線，結(jié)果如圖2所示。由表3和圖2可知，不同挑角的丁壩對斷面的水面橫比降的影響存在一定的差別，但是在整體變化趨勢上又有一定的相似性和共性特征。其中，水面橫比降的最大值均位于D3斷面部位，隨著丁壩挑角的增大，水面橫比降呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢，且減小的幅度也不斷增大。

表3 不同方案沿水面橫比降極值及所在斷面計算結(jié)果

圖2 最大橫比降變化曲線

3.3 沿程水面縱比降

沿程縱比降也是彎道水流流態(tài)研究的重要參數(shù)，縱向水流流速會隨著縱比降的增大而減小。研究中根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算獲取水面縱比降，結(jié)果見表4。根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)繪制出沿程縱比降隨丁壩挑角的變化曲線，結(jié)果如圖3所示。由表4和圖3可以看出，不同丁壩挑角試驗方案的最大縱比降和最小縱比降出現(xiàn)的部位基本一致，但是計算結(jié)果存在一定的差異。具體來看，隨著丁壩挑角的增大，凸岸的最小縱比降呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，而最大縱比降呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，變化幅度明顯偏大；凹岸的最小縱比降呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征，最大縱比降則呈現(xiàn)出先小幅減小后趨于穩(wěn)定的變化特點。

表4 不同方案水面縱比降極值及所在斷面計算結(jié)果

圖3 縱比降變化曲線

4 結(jié)語

此次研究通過模擬計算的方法，探討了不同丁壩挑角對彎道水流流態(tài)的影響，并獲得相應(yīng)的變化規(guī)律，認(rèn)為挑角為135°時的整體流態(tài)較好，推薦在工程設(shè)計中使用。研究成果不僅對相關(guān)的理論研究起到重要支撐和完善作用，對丁壩的工程設(shè)計和應(yīng)用也具有重要的借鑒意義。當(dāng)然，受到諸多因素的影響和制約，此次研究在方法和內(nèi)容方面仍存在諸多欠缺和不足，需要在多方面進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和補(bǔ)充。此次研究對水流的邊界設(shè)置均為理想條件，而天然河道的水流特征更為復(fù)雜，影響因素更多，因此有機(jī)會可以在天然河道上進(jìn)行現(xiàn)場試驗，以便對理論計算結(jié)果進(jìn)行對比和論證，提高研究結(jié)果的科學(xué)性和價值。