透水丁坝纵向流速分布试验研究

贠宝革

(重庆交通大学 河海学院，重庆 400074)

丁坝自应用于实际工程以来，对其水力特性的研究就从未停止过。潘海静[1]等通过断面流速分布相似和大尺度涡叠加的方法，研究了丁坝水流恢复区长度的计算；郑宇华[2]等通过超声水位和PIV流速测量技术，对不同水力坡度下非淹没丁坝紊动强度在主流区的变化规律、坝后回流区范围和近壁流速变化进行了研究；欧阳澍[3]等通过三维数值水槽的方法对梯形透空式潜坝透水率和淹没程度对坝后回区流速变化影响进行了研究；张婧[4]等通过水槽概化模型研究了不同绕流结构体对三维时均流速的影响；钟亮[5-6]等通过室内水槽试验开展了非淹没复试断面丁坝流速分布，通过数值模拟的方法研究了阶梯形丁坝对来流和回流的影响；孙志林[7]等通过水槽实验研究了丁坝周围流动和局部冲刷；韩晗[8]等通过水槽试验对回流区流速分布和泥沙输移进行了研究；顾杰等[9]通过超声水位和PIV流速测量技术，对U形水槽中不同水力坡度淹没丁坝断面流速进行了研究；黄小利等[10]通过ADV测量研究了水槽堆积体附近流速变化规律；张玉等[11]通过水槽试验对挑流石作用下丁坝周围流速变化进行了研究；杨兰[12]等通过数值模拟的方法研究了非淹没丁坝周围流场变化和局部冲刷；杨静等[13]通过丁坝水流紊动实验对主流区、回流区和回流负流区进行了流速与切应力的研究。学者多是基于实体丁坝进行研究，而实际工程中采用散抛石丁坝，具有一定的透水特性，模型试验中实体丁坝不能准确反应抛石丁坝水力特性，本文为进一步还原实际河道中丁坝附近水力特性，采用透水丁坝的形式，通过改变丁坝淹没程度、空隙率和空隙尺寸条件，对丁坝上游回水区、下游回水区和主流区的纵向流速在垂向分布进行研究。以便更好服务于实际工程中丁坝的维修加固提。

1 模型设计

试验在重庆交通大学航道试验厅长为30 m、宽为2 m、高为1 m的矩形玻璃水槽中进行。通过对长江上游已建丁坝的统计分析并结合实验室实际情况，决定应用1:40的正挑丁坝作为模型丁坝。丁坝横断面为梯形断面，坝头为圆弧形坝头，迎水坡坡比m1=1：1.5，背水坡坡比m2=1:2，坝顶宽b=7.5 cm，坝高d=10 cm，坝长L=50 cm；控制水深分别采用刚淹没丁坝H1=11 cm，淹没水深H2=14 cm和H3=17 cm；控制流量分别采用Q1=65 L/s，Q2=95 L/s，Q3=135 L/s；空隙率分别采用P1=6.8%，P2=14.1%，P3=22.5%；空隙尺寸分别采用R1=16 mm，R2=20 mm，R3=32 mm，模型丁坝实例见图1；相应试验工况见表1。在丁坝附近布置13个观测断面，每个断面上布置7个观测点，每个观测点采用3点法(0.2H，0.6H，0.8H)采样流速数据。丁坝及观测断面布置示意如图2。

图1 模型丁坝实例示意

表1 实验工况

图2 丁坝及观测断面布置示意

2 研究方法

采用控制单一变量法，通过控制不同淹没程度，不同空隙率，不同空隙尺寸以达到研究纵向流速在水深方向的分布规律。首先以丁坝为基点从左到右，从下到上的方向，其坐标值均采用相对坐标值表示：平面以X/L和Y/L表示；垂向以相对水深(H-h)/H表示，其中h是从水面向下的水深；平面速度以V与上游控制边界处平均速度V0的比值V/V0表示；淹没程度以Z/H表示，其中Z=H-d表示淹没水深。以此研究丁坝上游回水区A、下游回水区B和主流区C的纵向流速分布规律。平面上的流速分区如图3所示。

图3 平面流速分区示意

3 纵向流速在垂线上的分布

3.1 不同淹没条件下纵向流速分布

以透水丁坝R1=16 mm，P1=6.8%为例。研究不同淹没程度条件下，上游回流区A，下游回流区B，主流区C各选取两个观测点进行流速分析。

3.1.1上游回流区(A区)

由图4可知，上游回流区在相同空隙条件下，流速大小跟淹没程度呈正相关。在回水区范围内无论是底层流速还是表层流速都小于控制断面的平均流速。淹没程度为0.1倍水深时，丁坝上游0.38倍坝长处0.2倍水深对应0.31倍控制平均流速；0.4倍水深对应0.42倍控制平均流速；0.8倍水深对应0.35倍控制平均流速；流速呈现从底层到表层先增大后减小的现象，1.88倍坝长处服从相同的变化规律。淹没程度为0.7倍水深时，丁坝上游0.38倍坝长处0.2倍水深对应0.5倍控制平均流速；0.4倍水深对应0.7倍控制平均流速；0.8倍水深对应0.81倍控制平均流速；流速从底层到表层逐渐增大，1.88倍坝长处服从相同的变化规律。这是由于在淹没系数较小的条件下，丁坝的阻水作用比较突出，翻坝水流较小，中层水流受到丁坝迎水坡的阻挡产生上反水流减小表层流速；当淹没系数较大的条件下，丁坝的阻水作用减弱，翻坝水流较大，液体的粘滞性起主要作用带动表层水体流动而没有形成明显的表层流速减小现象。

图4 透水丁坝在不同淹没条件下上游回流区测点V/V0的垂向分布示意

3.1.2下游回流区(B区)

由图5可知，下游回水区在不同淹没条件下，表层流速大小跟淹没程度呈正相关。在下游1.68倍坝长处，不同淹没条件下，无论是底层流速还是表层流速都小于控制平均流速。淹没程度为0.4倍水深时，流速从底层到表层呈现逐渐增大的变化趋势，1.68倍坝长处服从相同的变化规律。淹没程度为0.7倍水深服从相同的变化规律。在坝下游0.48倍坝长处，距左岸0.5倍位置，淹没程度为0.1倍水深出现0.2倍水深流速最大，0.4倍水深和0.8倍水深流速相对偏小且大小相近。这是因为在淹没系数较小的条件下，距离背水坡坡脚较近处，翻坝水流较小，坝后水深小，坝顶和坝后水位差大，水流从坝顶下泄后，由于背水坡的存在产生急速向下的水流直接楔进水底致使底层流速大于表层流速，而较远处因水流的掺混作用而消失；淹没系数相对较大条件下，翻坝水流较大，坝顶和坝后水位差较小，没有产生明显的下潜水流，流速从底层到表层呈现逐渐增大的现象。

图5 透水丁坝在相同空隙条件下下游回流区测点V/V0的垂向分布示意

3.1.3主流区(C区)

由图6可知，主流区在相同空隙条件下，流速与淹没程度呈负相关。在不同淹没条件下，丁坝下游0.48倍坝长处，无论是底层流速还是表层流速都大于控制平均流速。淹没程度为0.7倍水深时，流速从底层到表层呈现逐渐增大的现象，1.68倍坝长处服从相同的变化现象。淹没程度为0.1倍水深和淹没程度为0.4倍水深服从相同的变化规律。淹没程度为0.1倍水深时，最大流速出现在1.68倍坝长处；淹没程度为0.7倍水深时，最大流速出现在0.48倍坝长处；说明随着淹没程度的增大，最小收缩断面明显上移。这也符合坝上回流区和坝下回流区随淹没程度变化的流速分布规律。随着淹没程度的增大丁坝挑流作用和束水能力减弱。

图6 透水丁坝在不同淹没条件下主流区测点V/V0的垂向分布示意

3.2 不同空隙率下纵向流速分布

以透水丁坝R1=16 mm，H2=14 cm为例，研究不同空隙率条件下，上游回流区A，下游回流区B，主流区C各选取两个观测点进行流速分析。

3.2.1上游回水区(A区)

由图7可知，上游回水区在相同空隙尺寸条件下，底层流速与空隙率呈正相关。在不同空隙率条件下，无论是底层流速还是表层流速都小于控制平均流速。空隙率P1=6.8%时，流速从底层到表层呈现逐渐增大的现象。空隙率P2=14.1%和P3=22.5%服从相同的变化规律。上游1.88倍坝长处对应水深条件下的流速都大于0.38倍坝长处相应流速值。空隙率P1=6.8%时，1.88倍坝长处沿竖直方向流速呈现先增大后减小的现象；空隙率P3=22.5%时，1.88倍坝长处沿垂线方向流速呈现先减小后增大的现象。这是由于0.38倍坝长处，距离丁坝较近，丁坝空隙的淹没出流作用强，流速从底层到表层呈现逐渐增大的现象；1.88倍坝长处，距离丁坝较远，当空隙率较小时，迎水坡产生上反水流折减了一部分表面流速所致；空隙率较大时，折减作用消失，且出现0.4倍水深对应控制平均流速减小现象。

图7 透水丁坝在不同空隙率条件下上游回流区测点V/V0的垂向分布示意

3.2.2下游回水区(B区)

由图8可知，表层流速随空隙率的增大呈现逐渐增加的现象。当空隙率P1=6.8%时，丁坝下游0.48倍坝长处0.2倍水深对应0.1倍控制平均流速；0.4倍水深对应0.2倍控制平均流速；0.8倍水深对应0.95倍控制平均流速；流速从底层到表层呈现逐渐增大的现象，1.88倍坝长处服从相同的分布规律。空隙率P2=14.1%和P3=22.5%时服从相同的变化现象。因为随着空隙尺寸的增加水越作用减弱，表层旋滚作用逐渐消失。

图8 透水丁坝在不同空隙率条件下下游回流区测点V/V0的垂向分布示意

3.2.3主流区(C区)

由图9可知，主流区在相同空隙尺寸条件下，表层流速与空隙率呈负相关，在丁坝下游1.68倍坝长处，从底层到表层流速与空隙率呈严格负相关。空隙率P1=6.8%时，流速从底层到表层呈现逐渐增大的现象。1.68倍坝长处符合相同的变化规律。空隙率P2=14.1%、P3=22.5%和P1=6.8%变化规律一致。空隙率P1=6.8%和P2=14.1%之间流速差值较小，P1=6.8%和P3=22.5%之间流速差值较大。空隙率越大对主流区的分流作用越强。

图9 透水丁坝在不同空隙率条件下主流区测点V/V0的垂向分布示意

3.3 不同空隙尺寸下纵向流速分布

以透水丁坝P2=14.1%，H2=14 cm为例，研究不同空隙尺寸条件下，上游回流区A，下游回流区B，主流区C各选取两个观测点进行流速分析

3.3.1上游回水区(A区)

由图10可知，上游回水区在相同空隙率条件下，表层流速与空隙尺寸呈正相关，底层流速与空隙尺寸呈负相关。空隙尺寸R1=16 mm时，丁坝上游0.38倍坝长处，流速从底层到表层呈现逐渐增大的现象。1.68倍坝长处符合相同的变化规律。空隙尺寸R2=20 mm、R3=32 mm和R1=16 mm的变化规律一致。空隙率一定时，空隙尺寸越小则空隙数目越多，空隙在丁坝上的分布越均匀，不同水深对应的流速梯度越小，这是造成表层流速和底层流速随空隙尺寸变化相反的原因。

图10 透水丁坝在不同空隙尺寸条件下上游回流区测点V/V0的垂向分布示意

3.3.2下游回水区(B区)

由图11可知，空隙尺寸R2=20 mm时，丁坝下游0.48倍坝长处0.2倍水深对应0.18倍控制平均流速；0.4倍水深对应0.42倍控制平均流速；0.8倍水深对应0.92倍控制平均流速；流速从底层到表层呈现逐渐增大的现象，1.68倍的坝长处符合相同的变化规律。空隙尺寸R3=16 mm的变化规律与R2=32 mm服从相同的现象，且其速度均小于控制平均流速。在丁坝下游1.68倍坝长，距左岸0.5倍坝长位置，0.8倍水深处R3=16 mm流速偏小，可能是流速仪悬桨被缠绕所致。相同空隙率条件下空隙尺寸相对较大不同相对水深流速变化越小，空隙尺寸越大对水越的折减作用越明显。

图11 透水丁坝在不同空隙尺寸条件下下游回流区测点V/V0的垂向分布示意

3.3.3主流带区(C区)

由图12可知，主流区在相同空隙率条件下，整体流速均大于控制平均流速；空隙尺寸R1=16 mm的表层流速最小，R3=32 mm的表层流速其次，R2=20 mm的表层流速最大；丁坝下游0.48倍坝长处底层流速R1=16 mm最大，R2=20 mm其次，R3=32 mm最小，即底层流速与空隙尺寸呈负相关。空隙尺寸R1=16 mm时，流速从底层到表层呈现逐渐增大的现象。1.68倍坝长处符合相同的变化规律。空隙尺寸R2=20 mm、R3=32 mm和R1=16 mm的变化规律一致。空隙尺寸R3=32 mm时，丁坝下游0.48倍坝长处0.2倍水深对应控制流速小于1.68倍坝长处0.2倍水深对应的流速；R2=20 mm时，丁坝下游0.48倍坝长处0.2倍水深对应控制流速大于1.68倍坝长处0.2倍水深对应的流速。主流区在相同空隙率下，空隙尺寸越大则最大流速距离丁坝下游越远。

图12 透水丁坝在不同空隙尺寸条件下主流区测点V/V0的垂向分布示意

4 结论与展望

通过水槽模型概化试验，针对不同淹没程度、不同空隙尺寸和不同空隙率因素分析，得出丁坝上游回水区、下游回水区和主流区纵向流速在垂线的变化规律如下：

1)在相同空隙率、相同空隙尺寸条件下，上游回流区流速均小于控制平均流速且流速大小与淹没程度呈正相关。下游回流区仅表层流速与淹没程度呈正相关；主流区流速均大于控制平均流速且流速大小与淹没程度呈负相关；流速从底层到表层呈逐渐增大的现象。

2)在相同淹没程度、相同空隙尺寸条件下，上游回流区流速均小于控制平均流速且底层流速与空隙率呈正相关。下游回流区1.68倍坝长处流速均小于控制平均流速；空隙率P1=6.8%时，流速从底层到表层呈逐渐增大的现象。主流区流速均大于控制平均流速且表层流速与空隙率呈负相关，下游1.68倍坝长处从底层到表层流速与空隙率呈负相关。

3)在相同淹没程度、相同空隙率条件下，上游回水区流速均小于控制平均流速且表层流速与空隙尺寸呈正相关，底层流速与空隙尺寸呈负相关；流速从底层到表层呈逐渐增大的现象；主流区流速均大于控制平均流速；流速从底层到表层呈逐渐增大的现象。