透水框架在改进丁坝结构型式上的应用

丁晶晶,陆 彦,陆永军

(南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029)

透水框架在改进丁坝结构型式上的应用

丁晶晶,陆 彦,陆永军

(南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029)

丁坝坝头绕流呈复杂的三维结构,常导致坝头局部冲刷,易诱发丁坝水毁。为改善丁坝坝头的水流条件,利用四面体透水框架对常规丁坝结构型式作了有益改进,即将常规丁坝的实体坝头改成由四面体透水框架铰接而成的透水坝头,并通过水槽试验研究其水动力特性及冲淤特性。研究表明,透水坝头能有效分散坝头集中绕流,减弱坝头脱离涡的形成条件,并阻滞下潜流,相应地,坝头局部冲刷坑深度也得到有效控制。此外,试验还研究了透水坝头透空率以及长度对局部冲刷的影响。研究发现,存在一个最优透空率,使得透水坝头控制坝头局部冲刷的效果最好,透水坝头的透空率过大或过小时,透水坝头对局部冲刷坑深度的控制有限。另外,在坝头绕流的影响范围内,随着透水坝头长度的增加,其减小坝头局部冲刷的效果越好,当透水坝头长度超过这一范围后,透水坝头长度的增加对减小坝头局部冲刷的效果不再明显。

丁坝;四面体透水框架;透水坝头;水动力特性;冲淤特性;局部冲刷

丁坝是一种常见的航道整治建筑物,在改善航道条件、保护岸滩以及保持水生环境多样性方面发挥着重要作用。然而,由于坝头复杂的水流结构,坝头床面几乎不可避免地会产生局部冲刷坑,降低了坝体的稳定性,容易诱发丁坝水毁。很多学者[1-4]进行了丁坝周围水动力的研究,他们认为坝头主要存在3种相互作用的水流结构:坝头集中绕流、下潜流及坝头后方竖轴漩涡,三者的综合作用是坝头局部冲刷导致丁坝水毁的主要动力因素。为此,人们采取了各种各样的措施来控制坝头局部冲刷坑的发展。这些措施或消弱丁坝附近水流动力,如合理设置丁坝坝长、坝高、间距、挑角等,以尽量平顺坝头水流[5-6];或提高坝头附近床面的抗冲性,如坝头采用抛石、抛异形块或混凝土铰链排等垫层护底[7-8];或两者结合,如采用四面体透水框架护脚,兼具减速和防冲两方面的功能效果[9]。此外,为防治丁坝水毁,很多新型的丁坝结构型式也得到了相应研究,如W.S.J.Uijttewaal[10]提出了下部为常规丁坝,上部为透水桩坝的组合式丁坝;周银军等[11]研究了桩式透水丁坝水流及冲淤特性;王振等[12]研究了铅丝笼丁坝附近的水流特性。

四面体透水框架是一种新型减速促淤防护形式,具有减速和防冲两方面的功能,并具有较强的自身稳定性,在固滩护岸、丁坝和堤防固脚、桥台(墩)基础防护等方面得到了广泛应用和研究[13-14]。利用四面体透水框架,本文提出一种改进的丁坝结构形式,即将传统丁坝实体坝头改成由透水框架组合而成的透水坝头,以期利用其减速和防冲功能,改善坝头水流条件,减小坝头的局部冲刷。与透水桩坝相比,这种透水坝头+实体坝身的结构,一方面通过透水坝头的透水特性,改善坝头的水流动力,减小局部冲刷;另一方面,使得坝身能有效束窄水流,保证了丁坝的整治效果;此外,还具有施工简便,成本相对较低的优点。

1 透水坝头的水动力特性研究

1.1 试验设计

透水坝头周围的水动力特性主要通过定床试验研究,试验在矩形变坡水槽中进行,水槽长42 m,宽0.8 m,深0.8 m,坡度可调范围为1/400～1/60。水槽通过时差式超声波流量计控制进口流量,通过尾门控制试验水深。试验流速的测量采用Sontek公司的16 MHz MicroADV,采样频率高达50 Hz,可实时测量三维时均流速及脉动,精度较高,分辨率可达0.01 cm/s。定床试验采用的常规丁坝及透水丁坝坝身均为木质,常规丁坝模型坝高10 cm,坝身长20 cm,坝头长10 cm,丁坝上、下游边坡相同,均为2:1,坝头坡度为1:1。带有透水坝头的丁坝坝身与常规丁坝坝身尺寸相同,透水坝头用互相铰接的透水框架堆叠而成,透空率(透水坝头空隙与坝头体积的比值)为0.88。试验中采用的四面体透水框架材质为塑料,单个框架杆件长为2.5 cm,杆件截面为0.25 cm×0.25 cm。试验丁坝结构形式及尺寸如图1。

图1 丁坝模型(单位:cm)Fig.1 A spur dike model(unit:cm)

定床水动力试验考虑非淹没及淹没2种水流条件,两级流量分别为Q=12 L/s,H=10 cm和Q=24 L/s,H=20 cm。利用ADV测量了丁坝周围近底(约距床面3 mm)水流特征值,测量范围为丁坝轴线向上25 cm和向下45 cm范围内,测点间距5 cm,坝头附近局部加密约2.5 cm,测点具体布置见图2。

1.2 透水坝头周围的水动力特性

1.2.1集中绕流 不同水流条件下,常规丁坝坝头和透水坝头周围时均流速分布见图3。从图中可以看出,常规丁坝坝头存在集中绕流,最大流速区紧贴坝头;与之相比,透水坝头具有透水和阻流的双重特性,能很好地分散坝头集中绕流,减小坝头流速梯度,近坝头的流速有一定程度的减小,最大流速区有远离坝头的趋势。

1.2.2下潜流 图4给出了不同水流条件下,常规丁坝坝头和透水坝头周围垂向流速分布。从图4可见,由于透水坝头对垂向流速同样具有阻滞作用,实体坝身在坝头所形成的下潜流通过透水结构的减速作用,得到很大程度减小,且下潜流作用范围也相应减小;另外,由于透水坝头透水性,下潜流作用位置也被挑离坝头,有利于坝头的稳定。

1.2.3涡量强度分布 ADV无法直接测得漩涡的大小,在此利用涡量强度的分布来表示坝头脱离涡的强弱。涡量强度是用来描述流体旋转的物理量,其方向符合右手法则,平面涡量强度根据ADV实测的平均流速计算:

图2 测点布置(单位:cm)Fig.2 Measuring point layout(unit:cm)

式中:Ω为平面涡量强度;ω为旋转角速度;u,v分别为ADV实测的纵向和横向时均流速;Δx,Δy分别为纵向和横向的测点间距。

图3 常规丁坝坝头和透水坝头周围时均流速Umag分布(单位:cm/s)Fig.3 Contours of mean velocity around conventional spur dike and spur dike with permeable head(unit:cm/s)

图4 常规丁坝坝头和透水坝头周围下潜流流速分布(单位:cm/s)Fig.4 Contours of down-flow around conventional spur dike and spur dike with permeable head(unit:cm/s)

图5给出了常规丁坝和透水坝头周围的涡量分布。可以看出,由于坝头绕流流速有所减小,且穿过透水坝头的水流也具有一定的速度,两者作用使得坝头流速梯度相应减小,很大程度上消弱了坝头脱离涡的形成条件,使得坝头的涡量强度相应减小。值得注意的是,在淹没条件下,穿过透水坝头的水流流速较小,在坝头下游形成相对静水区,而越过坝顶的水流流速较大,这样,设置透水坝头后,丁坝下游水流将分成3个流速:主流区,透水坝头后方的相对静水区及越过坝顶的高速流区。相邻流速之间由于流速梯度的存在将发生剪切作用,使得剪切面上涡量增大,紊动也相应增大,因此,在坝头以及透水坝头与实体坝身连接处的下游各形成一个强涡量带,在后面动床试验中表现为,除了坝头产生较大的局部冲刷坑外,在透水坝头与实体坝身连接处下游也产生一定的局部冲刷。

图5 常规丁坝坝头和透水坝头周围涡量场Ω分布(单位:s-1)Fig.5 Contours of vorticity around conventional spur dike and spur dike with permeable head(unit:s-1)

1.2.4床面切应力分布 由于雷诺应力沿垂线方向上线性分布,可通过雷诺应力推求床面切应力。床面切应力计算式为:

图6给出了常规丁坝和透水坝头周围床面切应力分布。从图中可以看出,由于透水坝头对水流的阻滞和分散作用,坝头流速大小及梯度都得到有效控制,使得坝头区水流紊动相应减小,表现在近坝头区床面切应力大幅度减小,最大切应力区远离坝头。

图6 常规丁坝坝头和透水坝头周围床面切应力Fig.6 Contours of bed shear stress around conventional spur dike and spur dike with permeable head

2 透水坝头冲淤特性

2.1 试验设计

动床试验在平坡宽水槽中进行,水槽长60 m,宽4 m,深0.5 m。水槽试验流量通过进口处矩形薄壁堰控制;试验水深通过尾门控制;动床试验段位于水槽中段,长约10 m,铺沙厚度0.3 m;在下游近尾门处设置沉沙池,防止模型沙随水流进入水库。

常规丁坝模型高约6 cm,长1 m,迎水坡1:1.5,背水坡1:2,坝头坡比1:5;透水丁坝模型尺寸参数与常规丁坝模型类似,不同在于坝头是否透水。透水坝头模型采用铰接式透水框架层叠而成,高度与实体坝身一致,可通过嵌套堆叠的方式得到不同的透空率;坝头及上下游面做成一定的边坡(图7)。单个框架结构杆件长2.5 cm,截面为0.25 cm×0.25 cm。

图7 透水坝头示意Fig.7 Spur dike with permeable head

模型沙采用均匀木屑,d50=0.11 mm,ρ=1.13 t/m3,不均匀系数σ=1.05。试验中的地形测量采用清华大学尚水公司生产的超声地形自动测量系统,测量精度±1 mm。试验流量同样考虑非淹没和淹没两种条件,两级流量分别为Q=26.81 L/s,H=6.0 cm和Q=81.01 L/s,H=10.2 cm。

试验主要对比研究了透水坝头不同透空率、不同长度对局部冲刷坑深度的影响,试验组次见表1。

表1 试验组次Tab.1 Experimental conditions

2.2 结果及分析

2.2.1冲淤特性 图8给出了常规丁坝(T0)和T1-2坝头透空率为0.88时冲刷完成后地形等值线图。从图8(a)和(b)中可见,由于实体坝头周围复杂的水流结构作用,不管是淹没或是非淹没条件下,实体坝头都形成了局部冲刷坑,且最大冲深处均紧贴坝头,在淹没条件下,局部冲刷坑更是向坝身发展。非淹没条件下,冲刷坑最大深度为15.5 cm,淹没条件下最大深度为24.3 cm。

从图8(c)和(d)中可见,由于透水坝头具有透水和对坝头水流动力有很大的消弱作用,透水坝头局部冲刷坑深度得到有效控制。非淹没状态时,透水坝头挑流作用显著,坝头最大冲深处被挑离坝头,有利于坝头的稳定;淹没条件下,挑流作用减弱,冲刷坑趋近坝头;另外,透水坝头后方形成的相对静水区,阻隔了越过实体坝顶高速水流与坝头绕流直接作用,并且,从上游或冲刷坑内冲起的泥沙淤积在透水坝头后方的相对静水区,一定程度上抑制了坝头局部冲刷坑向坝身发展;此外,透水坝头与实体坝身连接处的下游也因越过坝顶的高速水流与静水区之间发生剪切作用而产生局部冲刷,但冲刷深度相对较小,与实体丁坝坝头较大的冲刷坑向坝身发展所产生的危害相比,其对坝身稳定的不利影响相对较小。

图8 常规丁坝坝头和透水坝头周围的冲淤地形(单位:cm)Fig.8 Contours of local scour around conventional spur dike and spur dike with permeable head(unit:cm)

2.2.2坝头透空率对局部冲刷的影响 试验选用3种不同的透空率(ε=0.94,0.88,0.64),比较其对坝头局部冲刷的影响(表2)。

表2 不同透空率的坝头冲刷坑深度Tab.2 Depth of local scour under different permeabilities of the porous head

从表2可见,透水坝头的透空率直接影响其透水性能,当透空率较大时(如ε=0.94),透水坝头透水能力较强,不能很好地分散因实体坝身产生的绕流和阻滞下潜流,对坝头局部冲刷坑的控制有限,此外,其内部杆件绕流产生较大的紊动,使得内部床面冲刷,可以观察到透水坝头自身发生整体下沉;而透空率较小时(如ε=0.64),透水坝头阻水作用起主导作用,透水作用有限,坝头集中绕流与实体坝头无异,冲刷坑也相应增大;而采用适当的透空率时(如ε=0.88,透水坝头能充分发挥其透水和阻水的双重作用,能有效分散水流动力,自身内部又不致产生较大紊动,因而,能够很好地控制坝头的局部冲刷。冲刷坑深度的减小幅度随透空率的变化见图9,可以看出,透水坝头能够有效减小坝头局部冲刷坑深度,减小幅度达20%以上,甚至达到50%。最大冲刷坑深度减小幅度随透空率变化呈上凸型曲线,透空率过大或过小时,透水坝头对局部冲刷坑深度的控制有限;存在一个合适的透空率(或区间)时,使得透水坝头控制局部冲刷的效果最好。

2.2.3透水坝头长度对局部冲刷的影响 试验选用3种不同相对长度的透水坝头(l/b=0.11,0.23, 0.37),比较其对坝头局部冲刷程度的影响(表3)。

图9 透水坝头最大冲刷坑深度减小幅度随透空率的变化Fig.9 Relationships between scour depth and permeability of the porous head

表3 不同长度的坝头冲刷坑深度Tab.3 Depth of local scour under different lengths of the porous head

冲刷坑深度减小幅度随透水坝头长度的变化见图10。从表3和图10可见,不同长度透水坝头均能有效减小局部冲刷坑深度。丁坝在坝头一定范围内的局部区域水流动力较强,当透水坝头较短,小于这一范围时,对水流分散效果有限,防护效果也有限;随着透水坝头的增长,透水坝头长度等于或略大于此范围时,对水流分散效果最好,防护效果也最好;此后继续增加透水坝头长度,则防护效果不再明显增大。从图10也可以看出,冲刷坑深度减小幅度先随着透水坝头的增长而增加,然后趋于一个稳定值,此后继续增加透水坝头长度,则不再有明显变化。

图10 冲刷坑深度减小幅度与透水坝头相对长度的关系Fig.10 Relationships between local scour depth and length of the porous head

3 结 语

本文利用四面体透水框架的透水和阻流特性,对常规丁坝结构形式作了有益的改进,即将常规丁坝实体坝头改成由透水框架铰接而成的透水坝头以减弱坝头水流动力,控制坝头局部冲刷。研究表明,透水坝头能有效分散坝头集中绕流,减弱坝头脱离涡的形成条件,并阻滞下潜流,相应地坝头局部冲刷坑深度也得到有效控制。试验还研究了透水坝头透空率以及长度对局部冲刷的影响,得出透水坝头局部冲刷坑深度减小幅度与透水坝头的透空率、长度密切相关,过大或过小的透空率都不利坝头冲刷坑的减小;冲刷坑深度减小幅度随着透水坝头的增长而增加,然后趋于一个稳定值,此后继续增加透水坝头长度,则不再有明显变化。

本研究所提出的透水坝头对减小坝头局部冲刷,保证坝体稳定有很明显的效果,但是采用的四面六边体透水框架,在堆叠成透水坝头时容易出现嵌套重叠,不利于透空率的控制,因此,有必要寻求其他形式的透水结构,以便于实际工程的施工;此外,透水坝头自身的稳定性问题也需进一步研究。

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Hydrodynamic characteristics of a spur dike with permeable groyne head and its application

DING Jing-jing,LU Yan,LU Yong-jun
(State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China)

The spur dikes are in wide use in the waterway regulation works,however,the emergence of complex three-dimensional flow fields around the groyne head usually leads to the development of a local sour hole which may cause failure of the whole project.In this paper,a novel optimization structure type of the spur dike with permeable groyne head made up of tetrahedron pervious frames is proposed to weaken the flow dynamics at the tip of the spur dike,and a few flume experiments have been conducted in order to study the hydrodynamic characteristics and the scour characteristics of the new structures.Comparing to the conventional ones,significant retardation of the mean velocity and reduction of the velocity gradient are observed while the flow passes through the permeable groyne head.Thus,the concentrated flow in the vicinity of the groyne head is dispersed progressively,the downward-flow at the tip of the spur dike is weakened,and the formation of the shedding vortex is also reduced effectively,resulting in reduction of local scour,which is helpful to the stability of the groyne;in addition,the permeable groyne head is helpful to deflect the flow,and push the local scour hole away from the groyne head, which is also favorable to the stability of the groyne head.The influence of the permeability and the length of the pervious groyne head on the local scour is also studied in this research.Experimental studies indicate that there is an optimal permeability of the permeable groyne head making the local scour control the best;within the scope of the concentrated flow in the vicinity of the groyne head,a longer permeable groyne head means a better effect to control the local scour.However,when the length of the permeable groyne head exceeds this scope,there are no significant effects on the reduction of the local scour as the length of the groyne head increases.

spur dike;tetrahedron pervious frame;permeable groyne head;hydrodynamic characteristics;scour characteristics;local scour

TV863;U656.35+2

A

1009-640X(2014)06-0030-09

2014-04-30

国家973计划资助项目(2012CB417002);“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAB04B03);国家自然科学基金资助NSFC-NOW项目(中荷)(51061130546)

丁晶晶(1982-),男,江苏如皋人,博士研究生,主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail:digoy@qq.com