非对称进口来流溢洪道滑行水流阻力特性研究

余 勇

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830001)

溢洪道常布置于垭口或岸边，需考虑水文地质、岩体特性及地形结构因素给泄洪带来的不利影响[1]。布设溢洪道进口段时部分工程地形曲折，地势不理想，致使水体流动、来流偏转形式复杂[2]。因此，综合考虑开挖方量、地形地质等特点，充分认识溢洪道地质形式，对建筑物的稳定安全运行有着重要的意义。丁坝被用于河滩围垦和整治航道等工程中，具有保护河岸、控导主流的作用，但缺少在弯道急流中的应用，现有河道的丁坝研究也不能直接应用于溢洪道弯道工程中。蒋露[3]将丁坝前后的水流运动划分了多个区域，通过室内实验分析了水流结构；杜明松等[4]对丁坝的水力特性进行了研究，并推导出丁坝动水压力公式，得出不同压缩比及糙率下的压强分布规律；李文峰[5]在位山溢洪道的研究中指出，泄槽转弯处设丁坝对弯道流态的改善有显著效果，得到了各运行工况下脉动压强规律及时均压强分布。文章研究丁坝参数对溢洪道水力特性的影响及变化规律，以期为透水丁坝在溢洪道中的应用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 实验方法

实验系统由出水渠道、模型实验区、进水渠道、稳流栅、闸阀、高位水池、地下水库等部分组成[5- 6]。在实验区布置透水丁坝，进行流速和水深的测量[7]。丁坝面积和透水性是影响弯道水流的调节效果主要因素，因此主要研究参数为丁坝的长度、高度以及透水率[8]。实验方案如下[9- 10]：设计单宽流量为100～300m2/h，丁坝长度分别为160、220、280mm，丁坝高度分别为50、75、100mm，丁坝透水率分别为15.5%、25.5%、35.5%。

1.2 评价指标

弯道水面改善效果通过弯道水面均匀度和弯道最大水面横比降进行评价，弯道最大水面横比降越小，表明改善效果越好[11]。计算公式如下[12- 13]：

(1)

式中，n—水深测点个数；Ci—第i个横断面的水面均匀度；hij—第i个横断面第j个测点的水深；mi—第i个横断面的水深平均值。

(2)

式中，B—弯道横断面的宽度；hit—第i个横断面的凸岸水深；hia—第i个横断面的凹岸水深；Jmax—弯道最大水面横比降。

2 结果与分析

2.1 丁坝参数对弯道水面的影响

不同丁坝长度条件下弯道水面均匀度，见表 1。由此可以看出，相同单宽流量状态下，无丁坝布置的弯道水面均匀度均小于有丁坝状态。随着丁坝长度L的增大(160～280mm)，弯道水面均匀度不断增大。从整体来看，在各种单宽流量状态下，无丁坝布置的弯道最大水面横比降均小于有丁坝状态，且随着丁坝长度的增大，最大水面横比降不断减小。丁坝越长，弯道水面的改善状况越好，弯道水面均匀度的提升程度越大，弯道最大水面横比降的减小程度也越大。在透水率和丁坝高度一定的条件下，丁坝长度的增加对水面均匀度和弯道最大水面横比降的改善效果越好。

表1 丁坝长度对弯道水面均匀度的影响 单位：%

丁坝高度对弯道水面均匀度的影响，见表 2。从整体来看，各种单宽流量状态下，与无丁坝状态相比，不同高度E丁坝布置的弯道水面均匀度均较大。而最大水面横比降均小于无丁坝状态，且随着丁坝高度的增大而不断减小。对比发现，除单宽流量100m2/h外，随着丁坝高度的增大，弯道水面均匀度不断增加。表明单宽流量较小时，丁坝高度与弯道水面改善效果的线性关系并不明显。经分析，这主要是流量较小时丁坝布置断面并未完全淹没，导致透水效果减弱。

表2 丁坝高度对弯道水面均匀度的影响 单位：%

不同高度丁坝的弯道水面均匀度提升率，如图 1 所示，丁坝越高，弯道水面的改善状况越好，水面均匀度提升程度越大，即弯道水面的改善状况越好。其中，单宽流量为150m2/h时，三种丁坝高度的水面均匀度提升率分别为17.82%、24.67%、27.64%。

图1 丁坝高度对弯道水面均匀度提升率的影响

透水率对弯道水面均匀度的影响，见表3。由此可以看出，无丁坝布置的弯道水面均匀度均小于不同透水率丁坝状态。对比发现，随着丁坝透水率的减小，弯道水面均匀度不断增大。丁坝透水率越小，弯道水面的改善状况越好，且丁坝透水率对弯道水面均匀度的改善程度相近。在工程设计中，P=15.5%和P=25.5%两种透水率对水面均匀度的影响相对较小，同时考虑到实验误差的因素，再减小透水率已经没有实际意义。

表3 丁坝透水率对弯道水面均匀度的影响 单位：%

丁坝透水率对弯道水面均匀度提升率的曲线，如图 2 所示。当丁坝高度和长度一定时，减小丁坝透水率对弯道水面均匀度的改善效果比较明显，透水率越小，水面均匀度改善效果也越好。在各种单宽流量状态下，无丁坝布置的最大水面横比降均大于不同透水率丁坝状态。在一定范围内，随着丁坝透水率的减小，最大水面横比降不断减小。值得注意的是，丁坝透水率为25.5%和15.5%时，对弯道水面的改善状况近似，弯道最大水面横比降的减小程度相差较小。

图2 丁坝透水率对弯道水面均匀度提升率的曲线

2.2 丁坝参数对弯道流速的影响

丁坝长度对纵断面沿程流速分布的影响，见表4。与无丁坝状态相比，布置丁坝后，左岸、中间各横断面流速均显著降低。整体来看，0～4断面流速沿程不断降低，丁坝布置区出现明显的波动，丁坝越长，丁坝布置区波动越剧烈，最后在6～8断面上升。同时随着丁坝长度的增大，0～5断面流速在减小。在断面丁坝布置区出现流速低点，且第一个流速最低点出现在5断面。弯道离心力作用使无丁坝布置时右岸断面处于无流速状态。布置丁坝后，右岸各横断面流速沿程增加，且丁坝布置区波动不大。

表4 丁坝长度对纵断面的沿程流速分布的影响 单位：cm/s

对于靠近丁坝的中间和左岸2个纵断面，纵向流速沿程先降低，流速最低点出现在第1或第2个丁坝布置处；随丁坝长度的增加，各断面纵向流速不断降低，丁坝布置区后纵向流速沿程上升。对于远离丁坝的右岸纵断面，其纵向流速沿程上升。随着丁坝长度的增大，丁坝布置区横断面纵向流速不断减小，在布置丁坝后的断面丁坝长度对流速的影响较小。

丁坝高度对纵断面的沿程流速分布的影响，见表 5。无丁坝布置时，中间、左岸断面纵向流速沿程增加，布置丁坝后，3个横断面流速均有所降低。整体来看，0～4断面流速降低明显，且在丁坝布置区出现明显波动，最后6～8断面沿程流速显著上升。对比来看，丁坝布置区随着丁坝高度增大其沿程流速不断减小，流速最低点出现在第1个或第2个丁坝布置处。对于远离丁坝的右岸纵断面，以第2个丁坝布置处为界，随着丁坝高度的增加，丁坝前断面的纵向流速不断减小，丁坝后断面的纵向流速不断增大。

表5 丁坝高度对纵断面的沿程流速分布的影响 单位：cm/s

丁坝透水率对纵断面的沿程流速分布的影响，见表 6。可以看出，随着丁坝透水率的减小，丁坝布置区横断面纵向流速不断减小，流速最低点出现在第1或第2丁坝布置处。靠近丁坝的中间、左岸断面的纵向流速沿程先降低，丁坝布置区出现了明显的波动，丁坝布置区后纵向流速沿程不断上升。而远离丁坝的右岸断面纵向流速沿程不断上升，其中丁坝透水率对右岸纵向流速影响较小。

表6 丁坝透水率对纵断面的沿程流速分布的影响 单位：cm/s

选用q=300m2/h进行横向流速分析，j代表横向流速测点距弯道底板的垂直距离，j<0表明该点流速方向由凹岸指向凸岸，j>0表明流速方向由凸岸指向凹岸。丁坝参数对弯道横向流速的影响，见表 7。由此可以看出，横向流速的绝对值随着丁坝长度的增加不断增大。丁坝高度为50mm时，横向流速绝对值最大；随着丁坝高度和丁坝透水率的增加，横向流速的绝对值不断减小。丁坝高度为75mm时，横向流速绝对值最小；0.01m水平面上的流速均小于0，方向由凹岸指向凸岸，表明此处为底流区，0.03～0.05m水平面上的流速均大于0，流速方向由凸岸指向凹岸，认为此处为表流边界区。总体来看，横向流速j<0时为底流区；横向流速j>0时为表流区，随着水深的增加，流速不断减小。

表7 丁坝参数对弯道横向流速的影响

3 结论

溢洪道承担着维护工程稳定、疏浚泄洪的作用。通过水工模型试验，对非对称进口来流溢洪道滑行水流阻力特性进行了研究。布置丁坝后，弯道水面横比降减小，水面均匀度提升。小流量时，不适合采用过高的丁坝，随着透水率的减小及丁坝高度、长度的增加，最大水面横比降减小，水面均匀度增加，丁坝前断面纵向流速降低。丁坝长度和透水率的变化对丁坝后断面流速的影响较小，但丁坝高度的增加会导致纵向流速的增大。总体来看，横向流速小于0时为底流区；横向流速大于0时为表流区，且随着水深的增加流速不断减小。最佳丁坝透水率为15.5%，长度为B/2，高度为4B/25。研究结果可为溢洪道工程应用和设计提供技术与理论支撑。