不同水力條件下河道三角形丁壩沖淤特征的研究

摘 要：為了防止河道丁壩前端在水流作用下，沖刷孔擴(kuò)大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，本文在不同水力條件下，對(duì)河道三角形丁壩的沖淤特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：水流流動(dòng)對(duì)三角形丁壩的影響較小，三角形丁壩的最大沖刷深度小于矩形丁壩；三角形丁壩表面積較小，水流沖擊較小，其沖刷孔體積小于矩形丁壩沖刷孔體積。3）在水流作用下，三角丁壩侵蝕產(chǎn)生的沉積物縱向沉積在河道附近，而矩形丁壩則沉積在丁壩尖端，矩形丁壩沉積物的橫向發(fā)展大于三角形丁壩，且三角丁壩的最大沉積小于矩形丁壩。

關(guān)鍵詞：水槽試驗(yàn)；三角形丁壩；矩形丁壩；沖刷深度；泥沙沉積

中圖分類號(hào)：TV 87" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

丁壩是應(yīng)用廣泛的河道建筑物，主要作用為保護(hù)河岸不受來流沖蝕而導(dǎo)致河堤損壞，同時(shí)在改善航道，維護(hù)河相方面發(fā)揮重大作用。為防止修筑的丁壩在水流作用下產(chǎn)生破壞，學(xué)者們進(jìn)行了多方面研究，錢盛杰等[1]對(duì)涌潮作用下彎道丁壩局部沖刷試驗(yàn)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：在涌潮作用下，位于彎道的丁壩局部沖刷坑比直道段深0.40～2.50m。劉丹丹等[2]通過水流沖刷試驗(yàn)，研究了不同丁壩間距下的水流特性，研究結(jié)果表明：隨著丁壩間距的縮短，壩下游水位下降變緩。李文勇[3]對(duì)不同透水狀況下丁壩水力特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：不透水丁壩的分離角、最大沖刷深度、沖刷面積均大于透水丁壩。

以上學(xué)者對(duì)丁壩的局部沖淤特征進(jìn)行了研究，對(duì)丁壩間的水力特性進(jìn)行了分析，本文參考以上研究結(jié)論，通過模擬河道試驗(yàn)，根據(jù)河道矩形和三角形丁壩周圍的沖刷形態(tài)，在不同水力條件下，對(duì)丁壩的沖淤特征進(jìn)行了研究，對(duì)河道的沖刷深度、沖刷孔體積變化及泥沙沉積變化進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

通過矩形直水槽試驗(yàn)（圖1），對(duì)三角形和矩形丁壩沖刷沉積規(guī)律進(jìn)行研究。水槽側(cè)壁采用樹脂玻璃，設(shè)置玻璃的厚度為10cm，水槽的尺寸為730cm×75cm（長(zhǎng)度×寬度）。在水槽末端設(shè)置尾門，通過調(diào)節(jié)尾門的高度來控制水槽內(nèi)水流深度，在水槽出水口設(shè)置儲(chǔ)水池，從儲(chǔ)水池中流出的水流經(jīng)過測(cè)量井，通過測(cè)量井可測(cè)量水槽內(nèi)水流流量。水槽截面圖如圖1（a）所示。在水槽底部，均勻覆蓋直徑為0.5mm～0.8mm的泥沙。本次試驗(yàn)采用8mm的透明玻璃制備矩形丁壩和三角形丁壩，在試驗(yàn)過程中確定矩形丁壩和三角形丁壩的沖刷模式及沖淤特征。將制備完成的丁壩以4個(gè)為一組安裝在水槽壁上，與水槽壁垂直。丁壩的有效長(zhǎng)度和間距分別為水槽寬度的20%（Le=0.15m）和丁壩有效長(zhǎng)度的3倍（Sl=0.45m）。所有試驗(yàn)均采用非淹沒矩形丁壩，三角形丁壩傾斜在水槽壁和水槽床間，水槽壁上的丁壩頂部與水面在同一水平面。當(dāng)弗勞德數(shù)（Fr）分別為0.185、0.205、0.225和0.245時(shí)，水流流量分別為0.019m3/s、0.021m3/s、0.023m3/s和0.025m3/s，控制水槽內(nèi)水深為0.15m。在清水條件下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間都設(shè)定為150min，每次試驗(yàn)結(jié)束后，排干床層，使用激光測(cè)距儀（精度為0.001m）測(cè)量床層地形。

為研究單三角丁壩周圍的流態(tài)，并與單矩形丁壩周圍的流態(tài)進(jìn)行比較，采用長(zhǎng)10m、寬0.8m的矩形截面直水槽。在試驗(yàn)中，單個(gè)三角形和矩形丁壩的有效長(zhǎng)度為水槽寬度的20%（Le=16cm），丁壩與水槽壁成90°（與水流方向垂直）。所有試驗(yàn)均采用電磁測(cè)速儀（精度為±2%或±0.5cm/s）測(cè)量三維速度分量。為消除水流中移動(dòng)的沉積顆粒造成的干擾，兩種試驗(yàn)中使用的水槽床均沒有沉積物。

1.2 試驗(yàn)方法

在單矩形丁壩試驗(yàn)中，測(cè)量了0.25m、0.45m、0.65m、0.72m、0.82m、0.90m、1m、1.15m、1.35m、1.75m、1.95m和2.55m斷面的三維速度分量。在0.72m橫截面處加設(shè)單矩形丁壩。在每個(gè)橫截面上，距離墻水槽0.06m、0.16m、0.26m、0.36m、0.46m、0.56m、0.66m和0.76m處選擇15條垂直線。在水槽床上方0.04m、0.08m、0.12m和0.15m處測(cè)量水流三維速度分量，根據(jù)設(shè)置的刻度位置，每個(gè)截面須記錄約40個(gè)速度數(shù)據(jù)。而設(shè)置在丁壩附近的截面上，選擇相對(duì)較密的間距。因此，在靠近丁壩的橫截面處采集的數(shù)據(jù)較多。

在單三角丁壩試驗(yàn)中，測(cè)量了0m、0.25m、0.45m、0.65m、0.72m、0.82m、0.90m、1m、1.15m、1.35m、1.55m、1.75m、1.95m、2.25m和2.55m截面上的三維速度分量。并且將三角形棱堤設(shè)置在0.72m的橫截面處。其他設(shè)置與單個(gè)矩形丁壩的設(shè)置類似，為測(cè)量每個(gè)橫截面的三維速度分量，設(shè)置約15條豎線（間距為0.05m）。同時(shí)在每個(gè)橫截面上，在水槽床上方0.04m、0.08m、0.12m和0.15m處測(cè)量每條垂直線上的三維速度分量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 河道最大沖刷深度變化

在控制河岸侵蝕的構(gòu)筑物周圍經(jīng)常發(fā)生沖刷情況。沖刷孔大小和范圍受多個(gè)因素的影響，包括水力條件、沉積物和結(jié)構(gòu)的幾何形狀。沖刷孔過大會(huì)使結(jié)構(gòu)傾覆和破壞，從而導(dǎo)致河岸破壞。因此，研究影響沖刷孔深度和體積的因素十分重要。

根據(jù)不同試驗(yàn)可得橫向最大沖刷剖面，不同試驗(yàn)下最大沖刷深度的變化情況顯示：三角形丁壩的最大沖刷深度小于矩形丁壩。在三角形丁壩中，矩形丁壩的表面積大，與水接觸的面積也大，因此，當(dāng)水流流動(dòng)時(shí)，水流對(duì)矩形丁壩的作用相對(duì)明顯，對(duì)三角形丁壩的影響較小，因此，三角形丁壩因水流作用在丁壩附近形成漩渦。在三角形丁壩（流型剖面）附近，流速增加引起的河床剪應(yīng)力（由于流動(dòng)截面變窄）小于矩形丁壩（流型剖面）。

當(dāng)Fr為0.185、0.205、0.225和0.245時(shí)，三角形壩的最大沖刷深度分別比矩形壩小66.8%、51.3%、43.9%和21.8%。由于馬蹄渦強(qiáng)度增加，水流速度和床層剪應(yīng)力也相應(yīng)增加，F(xiàn)r會(huì)使最大沖刷深度增加。因此，F(xiàn)r=0.185和Fr=0.245分別對(duì)應(yīng)最小和最大沖刷深度。

表1為不同試驗(yàn)得到的結(jié)果。與矩形丁壩相比，計(jì)算三角形丁壩最大沖刷深度（SDI）減少的百分比如公式（1）所示。

SDI=（Δds/dsR）×100 " （1）

式中：dsR為矩形丁壩最大沖刷深度，cm；Δds為三角形丁壩與矩形丁壩最大沖刷深度之差，cm。

2.2 河道沖刷孔體積變化

不同試驗(yàn)中沖刷孔體積隨弗勞德數(shù)的變化如圖2所示。圖中縱軸為沖刷孔體積與流動(dòng)深度三次冪的無因次比（V/h3）。由圖可知，三角形丁壩沖刷孔體積小于矩形丁壩沖刷孔體積，說明當(dāng)三角形丁壩表面積較小時(shí)，水流對(duì)三角形丁壩的沖擊較小，因此，水流在三角形丁壩附近的速度較低。當(dāng)Fr為0.185、0.205、0.225和0.245時(shí)，矩形丁壩和丁壩沖刷孔體積分別為0.55、1.02、1.56和1.60倍，三角形丁壩流深三次冪分別為0.11、0.19、0.60和0.73倍。當(dāng)Fr為0.185、0.205、0.225和0.245時(shí)，與矩形丁壩相比，三角形丁壩沖刷孔體積分別縮小80%、81.3%、61.5%和54.3%。

結(jié)果表明，由于形成了更強(qiáng)的渦旋以及更大的流速和床層剪應(yīng)力，因此沖刷孔體積隨著Fr增加而變大。最小和最大沖刷孔體積分別在Fr為0.185和0.245處獲得，各試驗(yàn)的V/h3值見表1。

2.3 泥沙沉積變化

水流對(duì)河岸上建筑物周圍的沖刷，會(huì)對(duì)該建筑物以及河岸的穩(wěn)定和安全造成嚴(yán)重威脅，而建筑物下游的泥沙沉積是河岸的穩(wěn)定以及新河岸的形成和發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。在水流作用下，不同的丁壩形狀將在丁壩產(chǎn)生不同的流動(dòng)模式，而河流挾帶的懸浮物可能沉積在河床和丁壩的下游，從而形成新的丁壩，可以將河岸與沉積物間的距離作為確定創(chuàng)建新河岸方面的合適標(biāo)準(zhǔn)。而水流的流速、流量的變化以及丁壩的形狀和規(guī)格均會(huì)對(duì)新的丁壩產(chǎn)生影響。因此，對(duì)三角形和矩形丁壩形成的沉積及其影響因素進(jìn)行研究是十分重要的。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)三角形丁壩受到水流侵蝕時(shí)，丁壩因侵蝕產(chǎn)生的沉積物，在水流作用下縱向沉積在水槽壁附近，而矩形丁壩的侵蝕與三角形丁壩的情況相反，在水流作用下，大部分的沉積物沉積在矩形丁壩的尖端，包括矩形丁壩的下游部分區(qū)域。河岸附近的縱向沉積是最重要的，在這個(gè)過程中，侵蝕孔被填滿，新的河岸形成（特別是在曲流的外岸），矩形丁壩沉積物的橫向發(fā)展大于三角形丁壩。

圖3為不同試驗(yàn)中沉積高度與水槽壁距離的變化情況。縱軸和橫軸分別為無量綱距離比（即最大沉積從水槽壁到通道寬度的距離）和弗勞德數(shù)。與三角形丁壩相比，矩形丁壩的最大沉積距離水槽壁較遠(yuǎn)，由此可知，在水流沖刷作用下，三角形丁壩用沉積在河道底部的沉積物填充了因水流侵蝕面產(chǎn)生的侵蝕孔，減少了河岸侵蝕，同時(shí)形成新的河岸（特別是曲流的外河岸）。經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)Fr為0.185、0.205、0.225和0.245時(shí)，與矩形丁壩相比，三角形丁壩的最大沉積與水槽壁的距離明顯縮短，分別縮短了20%、46.7%、60%、100%。在三角形和矩形丁壩中，隨著Fr增加，最大沉積發(fā)生在靠近水槽壁的地方。

圖4為不同試驗(yàn)中沉積高度隨弗勞德數(shù)的變化。縱軸為無因次比hs/h（最大沉積與流動(dòng)深度）。在試驗(yàn)過程中，隨弗勞德數(shù)的變化，水槽底部的最大沉積也隨之變化，結(jié)果表明，三角丁壩的最大沉積小于矩形丁壩，三角丁堤的最大沉積小于矩形丁堤，當(dāng)Fr為0.185、0.205、0.225和0.245時(shí)，與矩形丁壩相比，三角形丁壩的最大沉積分別減少了70%、62%、49.3%和41%。在兩種丁壩類型中，F(xiàn)r增加均會(huì)導(dǎo)致最大沉積增加。

最小和最大沉積分別發(fā)生在Fr=0.185和0.245。增加Fr會(huì)使沖刷增加和侵蝕產(chǎn)生的泥沙體積變大，從而導(dǎo)致泥沙沉積增加，進(jìn)而產(chǎn)生更大的點(diǎn)壩。

3 結(jié)論

本文模擬河道試驗(yàn)，根據(jù)河道矩形和三角形丁壩周圍的沖刷形態(tài)，在不同水力條件下，對(duì)丁壩的沖淤特征進(jìn)行了研究，對(duì)河道的沖刷深度、沖刷孔體積變化及泥沙沉積變化進(jìn)行了分析，可得出以下結(jié)論。1）三角形丁壩與水流接觸的表面積比矩形丁壩小，水流流動(dòng)對(duì)三角形丁壩的影響較小。在三角形丁壩附近，流速增加引起的河床剪應(yīng)力小于矩形丁壩，當(dāng)Fr為0.185時(shí)河道沖刷深度最小，當(dāng)Fr為0.245時(shí)河道沖刷深度最大。2）在三角形和矩形丁壩中，沖刷孔體積隨著Fr增加而變大。當(dāng)Fr為0.185時(shí)沖刷孔體積最小，當(dāng)Fr為0.245時(shí)沖刷孔體積最大，且三角形丁壩沖刷孔體積小于矩形丁壩沖刷孔體積。3）在三角形和矩形丁壩中，隨著Fr增加，最大沉積發(fā)生在靠近水槽壁的地方。當(dāng)Fr為0.185時(shí)最大沉積與水槽壁距離最近，當(dāng)Fr為0.245時(shí)最大沉積與水槽壁距離最遠(yuǎn)，與三角形丁壩相比，矩形丁壩的最大沉積離水槽壁更遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

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