河道階梯形丁壩沖刷形態和沖坑特征的研究

陳少鑫

(廣東中水建工有限公司,廣州 510000)

1 概 述

在河道治理工程中,丁壩是應用廣泛的水工建筑物。丁壩的建設改變了水流流向,減慢河岸流速,減少水流對河岸的侵蝕,但增加了泥沙淤積。為了防止水流攜泥沙對壩體進行沖刷,破壞壩體,許多學者進行了相關研究。彭秀竹等[1]對黃河下游透水丁壩瞬潰后水力及沖淤特性進行了研究,結果表明,當潰壩發生后,首排壩的壩體和次排壩的壩頭是受損最嚴重的區域。經過分析,潰壩對主槽的輸沙能力影響較弱,但對壩區泥沙的起動和沉降影響顯著。韓夢君[2]對丁壩沖刷模式與水流形態進行了分析研究,結果表明,三角形丁壩的最大沖刷坑深度和最大沖刷體積均小于矩形丁壩,建議三角形丁壩間距不應超過結構有效長度的5.5倍。錢盛杰等[3]對涌潮作用下彎道丁壩局部沖刷試驗進行了研究,結果表明,涌潮作用下,位于彎道的丁壩局部沖刷坑較直道段深0.40～2.50m。劉恒博[4]針對樁群密度對丁壩局部沖刷影響試驗進行了研究,結果表明,由于傳統丁壩模型的切應力梯度大于群樁模型,會對河床產生更大的侵蝕,因此改變樁群密度,可以減少丁壩場的河床侵蝕,促進丁壩場的沉積。鐘亮等[5]對非恒定流作用下的階梯形丁壩局部沖刷特性進行了研究,結果表明,不同流量過程下,壩后主流區和回流區的流速均隨上游來流量的變化而變化,受主流區變化和沖坑后方淤積區的共同影響,波谷起沖時的沖坑下游邊界向下游凸起后回縮,波峰起沖時的沖坑邊界向坑內收縮后擴散到下游。

上述文獻研究了丁壩的沖刷模式,總結了丁壩的水力和沖淤特性。本文參考以上研究結論,通過對階梯形丁壩進行水流沖刷試驗,在不同丁壩尺寸條件下,研究丁壩的沖刷特性,對壩頭的沖刷形態和沖坑特征進行分析。

2 數值模型建立

2.1 控制方程

基于有限元法,采用以下二維淺水方程。

1)連續方程。公式如下:

(1)

式中:x、y為水平直角坐標;h為水深,m;U、V為X、Y方向的深度平均速度,m/s。

2)動量守恒方程。公式如下:

(2)

(3)

2.2 模型設計

本次試驗設計水槽兩邊為陸地岸邊,進水口流量固定,出水口給定相應水位。設定泥沙的輸出僅受水流作用,不受外力干擾,同時設定進口和出口的邊界的梯度均為零。本次計算采用有限體積法對計算區進行空間離散,再將平面二維模型細分,最后的求解格式采用一階精度方法。

試驗水槽采用矩形玻璃水槽,水槽尺寸為30m×2m×1.2m(長×寬×高)。為了將研究成果更好地運用在天然河流上,試驗參考航道工程設計規范,設置階梯形丁壩的迎水坡坡比1∶1.6,背水坡坡比1∶1.6,壩頭坡坡比1∶1.2,一級丁壩長度1m,丁壩總高度0.12m。試驗水槽寬度2m,設置水槽內水深0.1m,流水中泥砂粒徑為d50=1mm,河床中砂粒采用天然石英砂,壩頭為圓弧形直頭丁壩。階梯形丁壩截面圖見圖1。

圖1 階梯丁壩尺寸圖

對階梯形丁壩的幾何參數進行無量綱化處理,定義一級丁壩的相對高度ψ=h1/H,二級丁壩的相對長度ω=L1/B。根據模型驗證的參數取值,并保證砂粒在各流速情況下正常輸動,取計算流量Q=60～120L/s。為保證一級丁壩處于始終淹沒狀態,設定一級丁壩的高度h1為20～80mm,二級丁壩的長度L1為500～800mm。根據以上參數的取值范圍,數值計算選定Q、ψ、ω三個因素,每個因素7個水平,共計21個工況。本次試驗選取最具代表性的工況為基準進行計算,水流流量Q=80L/s,一級丁壩的相對高度ψ=0.65,二級丁壩的相對長度ω=0.3。

3 計算結果與分析

3.1 壩頭沖刷形態變化分析

根據試驗中測量數據以及階梯形丁壩壩頭周圍沖刷坑形態的產生過程,沖刷坑的深度和面積隨時間變化過程見圖2。

圖2 沖刷形態變化

由圖2(a)可知,階梯形丁壩的水流沖刷深度隨著時間的增加而逐漸增大。當時間為1h時,丁壩的沖刷深度為35mm;當時間為5h時,丁壩的沖刷深度為80.5mm;當時間為6h時,丁壩的沖刷深度為81mm。由此可知,在時間為0～1h階段,水流對壩頭附近的沖刷能力較強,短時間內沖刷深度較大;在時間為1～5h階段,水流沖刷速度降低,但速度呈線性增加的趨勢,沖刷深度平穩增加;在時間為5～6h階段,水流沖刷深度幾乎處于恒定深度,水流沖刷趨于穩定。

由圖2(b)可知,階梯形丁壩的水流沖刷面積隨著時間的增加而快速增大,最后逐漸趨于穩定。當時間為1.2h時,丁壩的沖刷面積為3.45m2;當時間為5h時,丁壩的沖刷面積為3.7m2;當時間為6h時,丁壩的沖刷面積為3.75m2。由此可知,在時間為0～1.2h階段,水流對壩頭附近的沖刷能力較強,河床沖擊變形明顯,沖刷面積快速增大;在時間為1.2～5h階段,水流沖擊變緩,沖刷面積增量較小;在時間為5～6h階段,沖刷面積基本保持恒定不變。

由圖2(c)可知,階梯形丁壩的水流沖刷量隨著時間的增加而快速增大。當時間為1.2h時,丁壩的沖刷量為0.07m3;當時間為5h時,丁壩的沖刷量為0.13m3;當時間為6h時,丁壩的沖刷量為0.141m3。由此可知,在時間為0～1.2h階段,水流流速較大,水流對壩頭附近的沖刷能力較強,沖刷量快速增加;在時間為1.2～5h階段,水流沖刷趨于平緩,沖刷量呈穩定趨勢增加;在時間為5～6h階段,沖刷量增長總體趨于平穩。

綜上可知,隨著時間的增加,階梯形丁壩的水流沖刷深度、沖刷面積和沖刷量均快速增大,再逐漸趨于平穩。在時間為0～1.2h階段,水流對壩頭附近的沖刷能力較強,沖刷量較大,沖刷面積隨之增大,沖刷深度明顯變化;時間為1.2～5h階段,水流沖刷趨于平緩,沖刷量和沖刷量緩慢增加,沖刷深度變化趨于穩定;時間為5～6h階段,壩頭的局部沖刷基本達到穩定,局部沖坑不再發展,沖刷深度處于恒定狀態。

3.2 丁壩尺寸對沖坑特征的影響

以最具代表性的工況為基準,試驗另選取兩組不同尺寸的丁壩進行對比:一級丁壩的相對高度分別為ψ=0.55、ψ=0.8;二級丁壩的相對長度分別為ω=0.32、ω=0.36。相同流速條件下,不同尺寸的丁壩沖坑形態見圖3。

圖3 不同尺寸丁壩的沖坑深度

由圖3(a)可知,不同相對高度條件下,丁壩局部沖坑形態基本相似。隨著時間的增加,沖坑深度均快速增大。在丁壩相對高度分別為ψ=0.55、ψ=0.65、ψ=0.8條件下,時間為1h時,沖坑深度分別為27.5、29.6、27.6mm;時間為3h時,沖坑深度分別為53.1、64.1、54.3mm;當時間為5h時,沖坑深度分別為70.2、76.4、73.5mm;時間為6h時,沖坑深度分別為70.8、78.1、75.8mm。由此可知,時間為0～0.7h階段,沖坑深度均快速增大,且增大速率基本相同;時間為0.7～5h階段,水流沖刷速度降低,沖刷能力減弱,但沖刷速度趨于平穩,同時沖刷深度增加趨勢也相對平穩;時間為5～6h階段,水流沖刷速度達到穩定狀態,沖刷深度基本保持穩定,變化較小。

由圖3(b)可知,不同相對長度條件下,丁壩局部沖坑形態基本相似。隨著時間的增加,沖坑深度均快速增大。丁壩相對長度分別為ω=0.30、ω=0.32、ω=0.36條件下,時間為1h時,沖坑深度分別為25.7、30.6、32.7mm;時間為3h時,沖坑深度分別為54.9、63.6、66.8mm;時間為5h時,沖坑深度分別為72.5、76.9、78.1mm;當時間為6h時,沖坑深度分別為73.7、77.4、78.7mm。由此可知,時間為0～0.7h階段,沖坑深度均快速增大,且增大速率基本相同;時間為0.7～5h階段,水流沖刷速度降低,但速度處于平穩增加的趨勢,沖刷深度平穩增加;時間為5～6h階段,水流沖刷深度逐漸減小,水流沖刷趨于穩定。

綜上可知,不同丁壩尺寸條件下,丁壩局部沖刷形態基本相似。時間為0～0.7h階段,沖坑深度均快速增大,且增大速度基本相同;在時間為0.7～5h階段,沖坑深度均緩慢增加,增加趨勢處于平穩狀態;時間為5～6h階段,水流沖刷達到平衡,沖坑深度變化較小。研究表明,一級丁壩相對高度和二級丁壩相對長度對丁壩局部沖坑形態及沖刷深度無明顯影響。

3.3 丁壩相對高度對局部深度的影響

根據測量數據,可得沖刷深度隨一級丁壩相對高度的變化曲線,見圖4。

圖4 丁壩沖刷深度

由圖4可知,隨著一級丁壩相對高度ψ的增大,沖刷深度均逐漸增大再逐漸趨于平穩。當ψ≤0.65時,最大深度和平均深度均隨ψ的增大而快速增大;當ψ>0.65時,最大深度和平均深度變化趨于平緩,ψ的增大對最大深度和平均深度的影響不明顯。在水流過程中,丁壩下游會出現回流寬度,當ψ=0.65時,回流寬度出現最大值;當ψ>0.65時,回流寬度逐漸減小,減弱了對水流的束窄作用。因此,ψ的增大對最大深度和平均深度的影響相對較小。

4 結 論

本文通過對階梯丁壩進行水流沖刷試驗,研究了丁壩的沖刷特性,并對壩頭的沖刷形態和沖坑特征進行了分析。結論如下:

1)不同丁壩尺寸條件下,丁壩局部沖刷形態基本相似。恒定水流作用下,階梯形丁壩的水流沖刷深度、沖刷面積和沖刷量隨著時間增加均快速增大,在時間為5～6h階段,局部沖坑不再發展,沖刷深度處于恒定狀態。

2)隨著一級丁壩相對高度ψ的增大,沖刷深度均逐漸增大再逐漸趨于平穩。當ψ≤0.65時,最大深度和平均深度均隨ψ的增大而增大;當ψ>0.65時,最大深度和平均深度變化趨于平緩,ψ的增大對最大深度和平均深度的影響不明顯。