透水丁坝在溢洪道泄槽弯道段的应用与优化

赵凯

（辽宁北方环保建设工程有限公司，辽宁铁岭112000）

1 工程概况

2 试验设计

2.1 试验目的与任务

在试验过程中，结合水库的实际情况，建立试验模型，探究在溢洪道泄槽弯道段设立透水丁坝在改善水流流态方面的效果，并分析位置、角度和条数的具体影响，以获取最佳设计参数。

2.2 试验模型

试验中依据重力相似准则并按照1∶60 的比尺进行试验模型设计[4]，模型的制作范围包括溢洪道进水段、泄槽段以及上下游连接段。为了拟合溢洪道混凝土糙率，溢洪道各段均采用有机玻璃制作，误差不超过1%，其余部分均采用PVC 板材制作，误差不超过2%[5]。试验过程中使用刻度尺测量水深，流量则采用宽薄壁量水堰测量，试验流速采用毕托管测量[6]。透水丁坝采用厚1 cm 的PVC板制成，断面为长20 cm、高6 cm 的矩形，透水孔为直径1.4 cm 的对称分布圆孔。

2.3 试验方案

此次试验主要是研究透水丁坝参数对溢洪道泄槽段弯道水流形态的影响，结合溢洪道设计资料，透水丁坝的长度、高度以及透水率参数已经确定。因此，此次研究主要考虑其角度、位置以及数量的具体影响[7]。结合相关文献和资料，选择溢洪道泄槽段弯道凸岸1/4，1/2 和3/4 部位，透水丁坝的角度也就是丁坝本身与泄槽段弯道在该点的切线的夹角，选择45°，60°，75°等3 个数值，丁坝数量为1 个、2 个和3 个。设置无丁坝方案作为其余方案的比较方案[8]。每种试验方案设置50，80，100，120，150 m3/h 等5 种不同流量。

3 试验结果与分析

3.1 不同布置角度

利用试验中获取的水深数据，计算出弯道水面均匀度，并根据计算结果绘制出如图1 所示的不同布置角度下的水面均匀度变化曲线。由图1可知，相对于没有丁坝设置的工况，在设置透水丁坝的条件下，水面均匀度明显增大。同时，水面均匀度总体而言会随着单宽流量的增大而增大。这说明，设置透水丁坝可以对改善水流流态起到明显的改善作用。而且，在大流量情况下，水面均匀度会随着布置角度的增大而增大，也就是布置的最佳角度为75°，其次是60°，45°的效果最差。

图1 不同布置角度下的水面均匀度变化曲线

利用试验中获取的水深数据，计算出弯道水面最大横比降，并根据计算结果绘制出如图2 所示的不同布置角度下的水面最大横比降变化曲线。由图2 可知，透水丁坝布置在弯道1/4 部位时，布置角为60°时的水面最大横比降最小；其余两个位置下，布置角为75°时的水面最大横比降最小，且明显小于无丁坝设计工况下的水面最大横比降。综合上述，透水丁坝在弯道的1/4 位置时，最优布置角度为60°；在弯道的1/2 和3/4 部位时，最优布置角度为75°。

图2 不同布置角度下的水面最大横比降变化曲线

3.2 透水丁坝个数

固定最优布置角度不变，设置不同的位置、不同条数透水丁坝，通过模型试验的方法获得透水丁坝条数对弯道水面流态的改善情况。为了方便表示，将弯道1/4、1/2 和3/4 部位设置的透水丁坝分别编号为丁坝1、丁坝2、丁坝3。例如，单丁坝2表示在弯道1/2 部位设置1 条透水丁坝；双丁坝13表示分别在弯道的1/4 和3/4 部位分别设置1 条透水丁坝，共2 条丁坝。

对不同透水丁坝数量工况下的泄槽段弯道水深进行测量，并根据测量数据计算出弯道横比降的平均减少率。总体而言，弯道横比降的减少率会随着丁坝数量的增多而增加，说明丁坝数量越多，改善弯道水面流态的效果越好，特别是设置3条透水丁坝的情况下改善效果最佳。例如，在单宽流量为160 m2/h 的情况下，单丁坝的横比降平均减少率的最大值为55.63%，双丁坝的横比降平均减少率的最大值为58.68%，三丁坝的横比降平均减少率为64.21%；在单宽流量为240 m2/h 的情况下，单丁坝的横比降平均减少率的最大值为49.89%，双丁坝的横比降平均减少率的最大值为54.23%，三丁坝的横比降平均减少率为60.21%。

此外，在泄槽弯道段的3/4 部位设置透水丁坝的条件下，无论其他条件如何，泄槽段弯道横比降平均减少率均表现为大幅提升，这说明弯道3/4 部位设置透水丁坝对改善水面流态具有十分显著的作用。究其原因，透水丁坝主要通过改变弯道部位的水流流向，将部位凹岸部位的部分水流导向凸岸，从而有效减少两侧的水面高度差。由于弯道1/4 部位刚刚形成弯道环流，因此两岸水面高度相差不大，因此设置透水丁坝的效果十分有限。而弯道的1/2 和3/4 部位已经充分形成弯道环流，两岸的水面高度差较大，因此设置透水丁坝可以获得显著的效果。

根据试验数据计算不同工况下的弯道水面均匀度提高率，总体而言，弯道水面均匀度提高率会随着丁坝数量的增多而增加，说明丁坝数量越多，改善弯道水面流态的效果越好，特别是设置3 条透水丁坝的情况下改善效果最佳。例如，在单宽流量为160 m2/h 的情况下，单丁坝的水面均匀度提高率最大值为11.28%，双丁坝的水面均匀度提高率最大值为21.04%，三丁坝的横比降平均减少率为26.29%；在单宽流量为240 m2/h 的情况下，单丁坝的水面均匀度提高率最大值为10.71%，双丁坝的横比降平均减少率的最大值为15.34%，三丁坝的横比降平均减少率为22.53%。此外，在丁坝数量相同的条件下，透水丁坝的布置位置越靠近下游，泄槽段弯道水面均匀度提高率越大，说明改善水面流态的作用越强。

4 结论