透水丁壩空隙率對河道水位的影響

楊同文

(山東省調水工程運行維護中心棘洪灘水庫管理站，山東 青島 266109)

0 引言

丁壩是使用廣泛的河道整治建筑物，具有增加航道水深，控制分流的作用。透水性丁壩與實體丁壩對主河道的水深的影響是否一致，針對此問題，學者們進行了多方面研究。楊帆[1]進行了群樁不同空間分布對周圍水流的影響的研究，研究結果表明：與直線排列結構相比，交錯式結構下，從主流流向河岸的水流逐漸減速；侯仲荃等[2]基于Flow-3D的新型半圓形構件水動力特性進行了研究，研究結果表明：新型半圓形構件分為上下兩塊區域，上方水流流速、紊動能明顯大于下層；楊帆[3]進行了組樁密度和排列對流動特性和圍繞泥沙淤積影響的研究，研究結果表明：群樁堤壩可以降低群樁下游流速，增加沿岸的泥沙淤積，減少主流區的泥沙淤積；安鵬等[4]進行了間距對錯口插板透水丁壩緩流效果影響的研究，研究結果表明：透水丁壩間距越大，上游插板透水丁壩壩后緩流及流速均勻性越好；劉恒博[5]對采用透水排樁對河道影響的數值模擬進行了分析，分析結果表明：半透水排樁的特殊構造，使流經該結構的水流不能形成循環流，從而降低了河岸附近的侵蝕強度；李有為[6]對透水性碎石丁壩繞流及塊體受力的數值模擬進行了研究，研究結果表明：不同壩體透水性條件下的主流區及尾流區的速度分布有明顯的差異，但尾流區內的剪切流速的分布具有一定的相似性。

以上學者研究了群樁的分布對周圍水流的影響，總結了水流的流動特性。本文參考以上學者的研究結論，通過模擬透水丁壩周圍水流動力場，研究透水丁壩不同孔隙率對河道水位的影響，對丁壩壩身附近和壩頭前端的水位變化進行分析。

1 數值模型建立

1.1 基本理論

本文將流體設定為不可壓縮流體，方程式為：

(1)

根據流體的動量守恒定律，由N-S方程式描述：

(2)

(3)

(4)

式中，Ax、Ay、Az—流體在x、y、z方向單元面內流過區域的面積分數；u、v、w—x、y、z方向上的速度分量，m/s；VF—單元內流體流動區域的體積分數；ρ—流體密度，kg/m3；Gx、Gy、Gz—流體x、y、z方向上的黏滯力加速度，m/s2；p—作用在流體上的壓力，N/m2。

由于RNGk-?模型可以準確的描述低強度湍流和強剪切區域的流動，因此本文采取RNG k-?紊流模型進行模擬計算。

1.2 模型設計

本文采用FLOW-3D軟件模擬透水丁壩在不同空隙率條件下，其周圍的水動力場。透水丁壩置于矩形玻璃水槽中，水槽長36m，寬2.4m，高0.18m。為與自然河道保持一致，首先統計上游丁壩的尺寸，再根據統計結果，結合本次試驗條件，縮小實際丁壩尺寸作為模型丁壩。

模型丁壩壩身橫斷面為梯形，壩頭為圓弧形，丁壩長72cm，高12cm，壩底寬57.6cm，壩頂寬9.6cm，丁壩的迎水坡比為1∶1.8，背水坡比為1∶2.2，壩頭向水坡比為1∶2.4。透水丁壩壩身的空隙為圓形空隙，空隙的半徑為15cm。試驗設置了不同的空隙率，分別為5.8%、10.7%、13.7%、15.7%、18.6%、21.5%、23.5%。以實體丁壩作為對比，實體丁壩的空隙率為0。將水槽水流流量控制在80L/s，壩前水位控制在15cm。詳細試驗工況見表1。

表1 試驗工況

數值模型模擬的水槽范圍以丁壩主中心，取丁壩上游和下游各一段，總長為5.6m。試驗分布了9個橫斷面和8個縱斷面，取橫斷面和縱斷面交界處為水位測量點，水位測量點分布如圖1所示。

圖1 水位測量點分布位置(單位：mm)

水流方向采用流量邊界，其余邊界均采用無滑動邊界條件，入口流量為80L/s，壩前水位為15cm，出口水位為12cm，垂直上方為大氣壓，設置為壓力邊界，賦予大氣壓[7]。

根據丁壩所處方位，將試驗區分為3個區域，分別為壩身段、壩頭段、主流帶，其中Z1～Z2縱斷面為壩身段，Z3～Z6段為壩頭段，Z7～Z8段為主流帶區。本文分析了壩身段、壩頭段各位置水位，因主流帶區各位置水位離壩頭較遠，暫不考慮。

2 計算結果分析

2.1 壩身附近各位置水位變化

根據試驗數據，壩身段各位置水位隨壩身空隙率變化曲線如圖2所示。

圖2 丁壩不同空隙率對壩身水位影響

圖2(a)中，隨著丁壩空隙率的增大，水位呈先減小再增大，然后再減小趨勢。當丁壩為實體丁壩，即空隙率為0時，水位值為12.03cm。隨著水流的持續流動，當空隙率為10.7%時，水流進入空隙，該斷面水位降低，其水位值為11.84cm，然后水位逐漸上升。當空隙率為13.7%時，水位值達到最大，最大值為12.04cm，水位達到最大后，然后快速下降，當空隙率大于18.6%時，水位基本保持相同，水流流速處于平穩狀態。

圖2(b)中，隨著丁壩空隙率的增大，水位呈先增大再減小，然后再增大趨勢。當丁壩為實體丁壩，即空隙率為0時，水位值為10.8cm，因水流流過A1斷面，由于丁壩的阻水作用，水流集中在壩前，A1斷面水位升高，A2斷面水位偏低，隨著水流的持續流動，水位開始逐漸上升。當空隙率為10.7%時，A1斷面水位開始下降，水流開始流過A2斷面，A2斷腿面水位值升高，水位值為11.04cm。當空隙率為13.7%時，水位下降，水位值為10.78cm，當空隙率為大于18.6%時，水位逐漸上升，且變化趨勢不穩定。

圖2(c)中，隨著丁壩空隙率的增大，水位呈先增大再減小，然后再快速增大趨勢。當丁壩為實體丁壩，即空隙率為0時，水位值為10.32cm，由于丁壩阻水作用，該斷面水位變化趨勢與A2斷面基本相似。當丁壩空隙率為5.8%和10.7%時，其水位基本保持一致。當空隙率為13.7%時，水位下降，水位值為10.3cm。隨著空隙率的增大，流過A3斷面的水流增大，水位升高，當空隙率大于18.6%時，水位達到最大，且空隙率的增大對該斷面水位無明顯影響，水流流速平穩。

圖2(d)中，隨著丁壩空隙率的增大，水位變化與A3斷面基本相似，均呈先增大再減小，然后再快速增大趨勢。當丁壩為實體丁壩，即空隙率為0時，水位值為10.33cm，當空隙率為10.7%時，水位升高，水位值為10.65cm，當空隙率為13.7%時，水位下降，水位值為10.37cm，當空隙率為15.7%時，水位與空隙率為13.7%時的水位基本相同。隨著空隙率的增大，流過A4斷面的水流增大，水位升高，當空隙率大于18.6%時，水位達到最大，且空隙率的增大對該斷面水位無明顯影響，水流流速平穩。

由圖2可知，隨著丁壩空隙率的增大，壩前水位先減小再增大，然后再減小，壩中和壩后水位先增大再減小，然后再快速增大，最后水位趨于平穩。當空隙率小于10.7%時，A1斷面水位上升，由于丁壩阻水作用，部分水流進入丁壩空隙，未到達下游斷面，部分水流繞過丁壩流入下游，因此A2、A3、A4斷面水較低。當空隙率為13.7%～15.7%時，丁壩孔隙增大，A1斷面水位達最大后，隨后水位下降，而下游斷面水位開始升高，其中處于丁壩內部的A2斷面水位升高較快。當空隙率大于18.6%時，水流迅速通過A1斷面，故A1斷面水位較低，隨著水流的持續流動，壩中和壩后斷面水流流速平穩，水位升高趨于穩定狀態。

綜上所述，在壩身上游區，當透水丁壩空隙率為小空隙率(5.8%)和中空隙率(13.7%～15.7%)時，丁壩阻水效果與實體丁壩基本一致，當丁壩空隙率為10.7%時，阻水效果弱于實體丁壩，當丁壩空隙率為大空隙率(18.6%～23.5%)時，河道水流迅速，其阻水效果明顯小于實體丁壩。對于抬高壩后水位，大空隙率(18.6%～23.5%)效果最好，小空隙率(5.8%～10.7%)效果次之，中空隙率(13.7%～15.7%)效果稍差。

2.2 壩頭前端各位置水位變化

根據試驗數據，壩頭前端各位置水位隨壩身空隙率變化曲線如圖3所示。

圖3 丁壩不同空隙率對壩頭前端水位影響

圖6 不同斷面H點的圍巖變形曲線

圖3(a)中，隨著丁壩空隙率的增大，水位先小幅增大再減小，然后再逐漸增大再快速減小，最后趨于穩定。當丁壩為實體丁壩，即空隙率為0時，水位值為11.39cm。隨著水流的持續流動，當空隙率為5.8%時，由于丁壩的阻水作用，該斷面水位上升，其水位值為11.41cm。當空隙率為10.7%時，水流流入空隙，水位下降，其水位值為11.37cm，然后隨著丁壩空隙增大，水流進入空隙流量增大，水位上升，當空隙率為18.6%時，水位快速下降，當水位達到11.5cm時，水位處于平穩狀態，水流流速穩定。

圖3(b)中，隨著丁壩空隙率的增大，水位呈先增大再減小，然后再增大趨勢。當丁壩為實體丁壩，即空隙率為0時，水位值為10.88cm。隨著水流的持續流動，當空隙率為5.8%時，由于丁壩的阻水作用，該斷面水位上升，其水位值為10.99cm，當空隙率為13.7%時，水流流入空隙，水位下降到最小，最小值為10.87cm，當水位達到最小后，然后隨著空隙率的增大快速上升，當空隙率大于18.6%時，水位達到11.12cm，水流流速平穩，水位達對穩定狀態。

圖3(c)中，隨著丁壩空隙率的增大，水位呈先增大再減小，然后再增大趨勢。當丁壩為實體丁壩，即空隙率為0時，水位值為10.53cm。隨著水流的持續流動，當空隙率為10.7%時，水流進入空隙，由于丁壩的阻水作用，該斷面水位上升，水位值為10.99cm。當空隙率為13.7%時，水位下降到最低，最小值為10.87cm。當空隙率斷續增大時，水位隨著空隙率的增大快速上升，當空隙率大于18.6%時，水位達到11.04cm，水流流速平穩，水位達對穩定狀態。

圖3(d)中，隨著丁壩空隙率的增大，水位變化與B3斷面基本相似，均呈先增大再減小，然后再增大趨勢。當丁壩為實體丁壩，即空隙率為0時，水位值為10.34cm。隨著水流的持續流動，當空隙率為10.7%時，水流進入空隙，由于丁壩的阻水作用，該斷面水位上升，水位值為10.67cm。當空隙率為13.7%時，水位下降到最低，最小值為10.37cm。當空隙率為15.7%時，水位與空隙率為13.7%時的水位基本相同，隨著空隙率的增大，流過B4斷面的水流增大，水位升高，當空隙率大于18.6%時，水位達到最大，最大值為11.03cm，水流流速平穩，水位達對穩定狀態。

由圖3可知，隨著丁壩空隙率的增大，壩前水位呈現上下波動現象，壩中和壩后水位呈先增大再減小，然后再快速增大趨勢，最后水位趨于平穩。當空隙率小于10.7%時，B1斷面水位上升，由于丁壩阻水作用，部分水流進入丁壩空隙，未到達下游斷面，部分水流繞過丁壩流入下游，因此B2、B3、B4斷面水較低。當空隙率為13.7%～15.7%時，丁壩孔隙增大，B1斷面水位達最大后，隨后水位下降，而下游斷面水位開始升高，其中處于B2斷面水位升高較快。當空隙率大于18.6%時，水流迅速通過B1斷面，故B1斷面水位較低，隨著水流的持續流動，壩中和壩后斷面水流流速平穩，水位升高趨于穩定狀態。

綜上所述，在壩頭前端，當透水丁壩空隙率為小空隙率(5.8%～10.7%)時，丁壩阻水效果與實體丁壩基本一致，當中空隙率(13.7%～15.7%)時，阻水效果優于實體丁壩，當丁壩空隙率為大空隙率(18.6%～23.5%)時，河道水流迅速，其阻水效果明顯小于實體丁壩。

3 結論

通過模擬透水丁壩周圍水流動力場，本文分析了透水丁壩孔隙率對河道水位的影響，得如下結論。

(1)壩身段A1斷面，當空隙率小于15.7%時，水位先減小再增大，空隙率在大于15.7%時，水位快速減小然后趨于穩定。壩身段A2～A4斷面，當空隙率小于15.7%時，水位先增大再減小，空隙率在大于15.7%時，水位隨著孔隙率的增大而增大，最終趨于平穩。

(2)壩頭位置前端B1斷面，當空隙率小于15.7%時，水位呈上下波動趨勢，空隙率在大于15.7%時，水位快速減小然后趨于穩定。在壩頭位置前端B2～B4斷面，空隙率小于15.7%時，水位先增大再減小，空隙率在大于15.7%時，水位隨著孔隙率的增大而增大，最終趨于平穩。

(3)抬高壩身下游區水位，大空隙率(18.6%～23.5%)效果最好，小空隙率(5.8%～10.7%)效果次之，中空隙率(13.7%～15.7%)效果稍差。