透水性对丁坝周围能量变化的影响试验研究

贠宝革， 喻 涛*， 王平义

(1.重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室， 重庆 400074； 2.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心， 重庆 400074)

丁坝作为航道整治中最常用的一种阻水建筑物，具有束窄水流、壅高水位、改变原有河道局部水流流态和水沙条件的作用。任志等[1]通过水力插板形式的模型试验得出防冲促淤的最佳空隙率；张凯等[2]详细分析了模型沙粒径、束窄度、透水率、挑脚的变化对坝头冲深的影响；许百强等[3]通过水槽概化模型研究了空隙尺寸、空隙率对水面线的影响；魏文礼等[4]应用数值模拟的方法研究了弯道中布设丁坝对改善水流流态和岸坡稳定的影响；李瑶等[5]通过水槽试验提出了一种适用于弯曲溢洪道的新型消能工，得到了高坎收缩程度和凹岸边墙半径是影响回流的主要因素；常留红等[6]通过水槽试验研究了透水率指标对空心梯形块丁坝透水特性的主要影响；Ahmed等[7]通过动床试验得出透水坝主航道中心线处的水深不会改变，而实体坝主航道中心线处的水深会发生一些变化；陈杏文等[8]从动能修正系数的定义出发通过水槽试验研究了近岸缓流区河道动能修正系数的计算方法和沿程变化规律；Yu等[9]借助水槽试验，研究了丁坝周围紊动与局部冲刷之间的关系。王文森等[10]通过粒子图像测速技术(particle image velocimetry，PIV)试验和Flow3D数值模拟相结合的方法研究了梯形透水潜坝的水面线与空隙率的关系；Padhi等[11]研究了砾石床对湍动能的影响；Kumar等[12]通过模型试验对非淹没式勾头丁坝的紊动特性进行了研究，得到了紊动能和床面切应力的关系；Marta等[13]对螺栓鱼道中的紊动能进行了分析，发现了速度和紊动能分布的差异；Springer等[14]通过计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)的方法研究了明渠流动中的气-液传质系数与平均湍动能的关系;马冰等[15]采用水沙耦合的二维浅水模型结合河道内流量增加法构建栖息地模拟模型，研究了丁坝间距对水沙运动结构和水生生物栖息地的影响。

实际工程中的散抛石丁坝常常被学者概化为实体丁坝忽略其透水特性进行水力特性研究。相应研究成果不能较好地解决丁坝破坏问题，致使每年洪水过后都需要对丁坝进行维修加固。洪水过程中丁坝作为能量转换的承载者势必会遭受能量突变带来的破坏，因此研究丁坝周围的能量变化过程就显得尤为重要。现通过研究散抛石丁坝透水特性对坝身段、坝头前端和主流区的位能、动能和总能量的影响，揭示丁坝最易破坏部位。为丁坝结构的优化设计提供参考，也为丁坝的新建及维修加固提供技术支撑和科学指导。

1 模型试验设计

本试验在矩形玻璃水槽中完成，水槽尺寸为30 m×2 m×1 m(长×宽×高)。流量采用由清华大学和尚水公司联合开发研制的流量控制与测量系统(discharge control and measurement system，DCMS)，控制水深(丁坝迎水坡坡脚处水深)由水位测针读取，实时水位由超声波浪/水位采集分析仪跟踪测读。实时流速采用重庆交通大学西南水运科学研究所自行研发的流速采集系统。具体水位、流速测点位置如图1所示。

图1 试验水位、流速测点布置图Fig.1 Layout of measuring points for velocity of test water level

通过对长江上游丁坝尺寸的总体统计研究，并结合实验室的实际试验条件，实验采用1∶40的正挑丁坝作为模型丁坝。模型丁坝的坝长为50 cm，坝顶宽度为7.5 cm，坝高为10 cm，坝底宽为42.5 cm。模型丁坝的横截面采用实际工程中的梯形断面以便还原工程实际，坝头采用圆弧直头形式。模型丁坝的迎水坡坡比采用1∶1.5，背水坡坡比采用1∶2。试验中以流量Q1=95 L/s，对应水深H1=14 cm为例(其他流量和水深条件下符合相同的变化趋势)；空隙尺寸R1=16 mm、R2=20 mm和R3=32 mm三种规格；空隙率P1=6.8%、P2=14.1%和P3=22.5%三种类型。相同水流条件，不同空隙尺寸，不同空隙率的试验研究。进行的试验工况如表1所示。

表1 试验工况表

2 能量计算方法

将试验区划分为坝身段、坝头前端和主流带区，其中坝身段为1#、2#纵断面，坝头前端为5#、6#纵断面，主流带区为8#、9#纵断面。能量计算基于伯努利方程[16]进行相关试验数据的计算分析，即

3 透水性对丁坝周围能量分布影响

3.1 相同空隙尺寸不同空隙率条件下透水丁坝周围能量变化

以相同流量Q1=95 L/s，相同空隙尺寸R1=16 mm，不同空隙率P1=6.8%、P2=14.1%和P3=22.5%条件下，坝身段(1#纵断面)、坝头前端(6#纵断面)和主流带区(8#纵断面)为例，对其位能、动能、总能量的变化进行分析，结果如图2～图4所示。

3.1.1 坝身段能量变化分析

由图2可知，坝身段(1#纵断面)，在不同空隙率条件下，坝前位能大于坝后位能，且整体上遵循先减小后增大，最终趋于稳定的变化规律。P1=6.8%和P2=14.1%在下游背水坡坡脚处位能相同，P3=22.5%的略小。在下游较远处P2=14.1%位能最大，P1=6.8%其次，P3=22.5%的最小。空隙率太大或空隙率太小均不利于减小丁坝上下游位能差值。

图2 不同空隙率条件下坝身位置位能、动能和总能量分布图Fig.2 Distribution of potential energy， kinetic energy and total energy of dam body at different void ratio

动能整体上遵循从上游到下游逐渐减小最后趋于稳定的变化规律。动能大小与空隙率呈正相关。在相同流量条件下，空隙率越大则空隙数目相对越多，同时通过坝体空隙水体越多，不同流速水体掺混作用越弱，动能转化越少。空隙率P2=14.1%的纵断面2#点值突越，是由流速测量装置正对空隙所致。

总能量变化趋势与位能变化趋势一致。总能量在空隙率P2=14.1%和P1=6.8%相同位置之间的能量差值比位能稍大；总能量在空隙率P1=6.8%和P3=22.5%之间的能量差值比位能稍小。相同空隙尺寸条件下，空隙率增加则动能增大，相应总能量会随之增大。

3.1.2 坝头前端能量变化分析

由图3可知，坝头前端(6#纵断面)位能整体上在小范围内上下波动，没有明显的变化规律。空隙率P3=22.5%时，丁坝上下游位能差值最小；空隙率P1=6.8%其次；空隙率P2=14.1%最大。空隙率P1=6.8%的位能相对较大且波动较小。在丁坝上游空隙率P1=6.8%的位能大于空隙率P2=14.1%的位能；空隙率P2=14.1%的位能大于空隙率P3=22.5%的位能；丁坝上游位能与空隙率呈负相关。

图3 不同空隙率条件下坝头前端位能、动能和总能量分布图Fig.3 Distribution of potential energy, kinetic energy and total energy at the head of the dam under different void ratios

动能整体上遵循先增大后减小的变化规律。在相同空隙尺寸条件下，动能大小与空隙率成反比。相同空隙尺寸条件下，空隙率越小则空隙数目越少，通过的流量越少，丁坝的束水作用越强，坝头挑流作用越明显，动能越大。空隙率P1=6.8%和P2=14.1%对应位置的动能差值较小，其相应位置动能均大于空隙率P3=22.5%，但空隙率P3=22.5%的动能变化幅度要小于空隙率P1=6.8%的和空隙率P2=14.1%的。

总能量变化趋势与位能变化趋势一致，总能量大小与空隙率近似呈负相关关系。

3.1.3 主流带能量变化分析

由图4可知，主流带区(8#纵断面)位能整体在较小范围内往复波动，不存在明显的变化规律；丁坝上游位能与空隙率呈负相关关系。空隙率P1=6.8%和P3=22.5%在丁坝下游出现一次位能增加的过程；空隙率P1=6.8%的位能在坝上游比坝下游稍大。空隙率P2=14.1%和P3=22.5%的位能恰好相反，下游比上游稍大。

图4 不同空隙率条件下主流带区位能、动能和总能量分布图Fig.4 Potential energy, kinetic energy and total energy distribution of the main flow zone under different void ratios

动能整体呈现先增大后减小最终趋于平稳的现象。空隙率P2=14.1%的动能最大，P1=6.8%的其次，两者动能差值较小；P3=22.5%的最小。之所以动能与空隙率不存在严格的负相关关系是因为空隙率越小，坝头挑流作用越强，将主流带区挑向对岸更远处；空隙率过大时，水流从空隙通过量较多，起到明显的分流作用，使主流带区动能明显减小。

总能量的变化趋势与位能一致。丁坝上游的总能量与空隙率呈负相关关系。空隙率P2=14.1%的总能量整体大于P3=22.5%的,同位能相比存在明显差异。这是因为在主流区域动能较大引起的。

3.2 相同空隙率不同空隙尺寸条件下透水丁坝周围能量变化

以相同流量Q1=95 L/s，相同空隙率P2=14.1%，不同空隙尺寸R1=16 mm，R2=20 mm和R3=32 mm条件下，坝身段(1#纵断面)、坝头前端(6#纵断面)和主流带区(8#纵断面)为例，对其位能、动能、总能量的变化进行分析，结果如图5～图7所示。

3.2.1 坝身段能量变化分析

由图5可知，坝身段(1#纵断面)整体上遵循上游位能最大过坝后位能陡降，位能在坝下逐渐升高，在距离丁坝较远处位能趋于一个稳定值，但坝下位能皆小于坝上位能。从空隙尺寸来看R1=16 mm时，位能过坝过程中消耗位能最小，在较远处趋于平稳时位能也最大。空隙尺寸R2=20 mm和R3=32 mm时，位能过坝过程中消耗能量和较远处趋于平稳时位能差值较小，但过坝消耗能量比R1=16 mm的多，坝后较远处平稳时位能也小于R1=16 mm的透水丁坝。在相同空隙率条件下，空隙尺寸越小则空隙数目相对越多，水流通过时消耗能量越少，坝后位能越大。

动能整体上遵循从上游到下游逐渐减小最终趋于平稳的变化规律。空隙尺寸R1=16 mm和R3=32 mm在丁坝背水坡坡脚处动能激增是因为空隙率P2=14.1%时，流速测量装置对着空隙所致。空隙尺寸R1=16 mm，R2=20 mm和R3=32 mm在上游迎水坡坡脚处动能值近似相等，在下游距离丁坝较远处动能值近似相等。空隙率一定的条件下，空隙尺寸改变对上游迎水坡坡脚处的动能影响较小，下游丁坝较远处符合相同的变化规律。

总能量变化趋势与位能一致，这是由于空隙率P2=14.1%时，靠近坝身段流速较小，位能远远大于动能造成的。

3.2.2 坝头前端能量

由图6可知，坝头前端(6#纵断面)位能从上游到下游遵循先减小后增大的变化规律。空隙尺寸R1=16 mm在坝后较远处位能大于坝前迎水坡坡脚处位能。空隙尺寸R2=20 mm和R3=32 mm与R1=16 mm的现象相反。这是由于在坝头前端存在明显的绕流现象，造成坝头附近局部范围内水面线降低。空隙尺寸越小则扰流作用越明显，从而出现空隙尺寸R1=16 mm坝前位能小于坝后位能现象。

图6 不同空隙尺寸条件下坝头前端位能、动能和总能量分布图Fig.6 Distribution of potential energy， kinetic energy and total energy at the head of the dam under different void sizes

动能整体上遵循先增大后减小的变化规律。在空隙率一定的条件下，动能与空隙尺寸呈负相关关系。相同空隙率下，空隙尺寸越小则空隙数目越多，反而更不利于水流通过。空隙尺寸越小，坝头挑流作用越强，使坝头前端的动能越大。

总能量与位能变化趋势相同，大小分布明显；R1=16 mm的最大，R2=20 mm的较大，R3=32 mm的最小。

3.2.3 主流带能量变化分析

由图7可知，主流带(8#纵断面)区位能不存在明显的变化规律；在距离丁坝较远处位能与空隙尺寸呈负相关关系。空隙尺寸R1=16 mm的下游较远处位能高于丁坝上游位能，R2=20 mm和R3=32 mm的下游较远处位能略小于丁坝上游位能。这是由于丁坝的存在改变了原有过水断面面积，使丁坝附近水面线降低。

图7 不同空隙尺寸条件下主流带区位能、动能和总能量分布图Fig.7 Potential energy， kinetic energy and total energy distribution of the main flow zone under different void sizes

动能整体上遵循先增大后减小的变化规律。空隙尺寸R1=16 mm的动能从上游到下游都明显大于R2=20 mm的和R3=32 mm的。R2=20 mm的和R3=32 mm的动能差值较小。动能与空隙尺寸不在严格遵循负相关关系。这是由于空隙尺寸不同时，影响丁坝的挑流能力，使主流带区相应流速位置发生改变。在空隙率一定的条件下，空隙尺寸越小，束窄水流效果越明显。

总能量变化趋势与位能一致。在同一纵断面相应位置上空隙尺寸R1=16 mm的总能量都明显大于R2=20 mm的和R3=32 mm的。丁坝上游总能量与空隙尺寸呈负相关关系。

4 结论与展望

通过水槽概化模型，针对不同空隙尺寸和不同空隙率因素分析，得出丁坝附近位能、动能和总能量的变化规律如下。

(1)相同空隙尺寸条件下，丁坝上游位能与空隙率呈负相关关系。动能在坝身段呈现逐渐减小的现象，且动能大小与空隙率呈正相关关系；在坝头前端呈现先增大后减小的现象，且动能大小与空隙率呈负相关关系；在主流带区动能变化规律与坝头前端一致，但动能与空隙率不再严格服从负相关关系。不同区域的总能量变化规律与其对应的位能变化规律一致，总能量与空隙率近似呈负相关关系。

(2)相同空隙率条件下，丁坝下游较远处位能与空隙尺寸呈负相关关系。动能在坝身段呈逐渐减小的现象；在坝头前端呈现先增大后减小的现象，且动能大小与空隙尺寸呈负相关关系；在主流带区动能变化规律与坝头前端一致，但动能与空隙尺寸不再严格服从负相关关系。不同区域的总能量变化规律与其对应的位能变化规律一致，总能量与空隙尺寸近似呈负相关关系。

在其他影响因素不变的条件下，调整空隙尺寸与空隙率可以有效改变坝体周围能量分布，对研究坝体承载变化、坝体稳定及认识坝体损坏机理具有积极作用。因受时间和试验场地限制，只进行了清水定床试验，下一步将补充动床试验，从定量上分析透水特性与能量的关系。