透水丁坝空隙率对河道水位的影响

杨同文

(山东省调水工程运行维护中心棘洪滩水库管理站，山东 青岛 266109)

0 引言

丁坝是使用广泛的河道整治建筑物，具有增加航道水深，控制分流的作用。透水性丁坝与实体丁坝对主河道的水深的影响是否一致，针对此问题，学者们进行了多方面研究。杨帆[1]进行了群桩不同空间分布对周围水流的影响的研究，研究结果表明：与直线排列结构相比，交错式结构下，从主流流向河岸的水流逐渐减速；侯仲荃等[2]基于Flow-3D的新型半圆形构件水动力特性进行了研究，研究结果表明：新型半圆形构件分为上下两块区域，上方水流流速、紊动能明显大于下层；杨帆[3]进行了组桩密度和排列对流动特性和围绕泥沙淤积影响的研究，研究结果表明：群桩堤坝可以降低群桩下游流速，增加沿岸的泥沙淤积，减少主流区的泥沙淤积；安鹏等[4]进行了间距对错口插板透水丁坝缓流效果影响的研究，研究结果表明：透水丁坝间距越大，上游插板透水丁坝坝后缓流及流速均匀性越好；刘恒博[5]对采用透水排桩对河道影响的数值模拟进行了分析，分析结果表明：半透水排桩的特殊构造，使流经该结构的水流不能形成循环流，从而降低了河岸附近的侵蚀强度；李有为[6]对透水性碎石丁坝绕流及块体受力的数值模拟进行了研究，研究结果表明：不同坝体透水性条件下的主流区及尾流区的速度分布有明显的差异，但尾流区内的剪切流速的分布具有一定的相似性。

以上学者研究了群桩的分布对周围水流的影响，总结了水流的流动特性。本文参考以上学者的研究结论，通过模拟透水丁坝周围水流动力场，研究透水丁坝不同孔隙率对河道水位的影响，对丁坝坝身附近和坝头前端的水位变化进行分析。

1 数值模型建立

1.1 基本理论

本文将流体设定为不可压缩流体，方程式为：

(1)

根据流体的动量守恒定律，由N-S方程式描述：

(2)

(3)

(4)

式中，Ax、Ay、Az—流体在x、y、z方向单元面内流过区域的面积分数；u、v、w—x、y、z方向上的速度分量，m/s；VF—单元内流体流动区域的体积分数；ρ—流体密度，kg/m3；Gx、Gy、Gz—流体x、y、z方向上的黏滞力加速度，m/s2；p—作用在流体上的压力，N/m2。

由于RNGk-ɛ模型可以准确的描述低强度湍流和强剪切区域的流动，因此本文采取RNG k-ɛ紊流模型进行模拟计算。

1.2 模型设计

本文采用FLOW-3D软件模拟透水丁坝在不同空隙率条件下，其周围的水动力场。透水丁坝置于矩形玻璃水槽中，水槽长36m，宽2.4m，高0.18m。为与自然河道保持一致，首先统计上游丁坝的尺寸，再根据统计结果，结合本次试验条件，缩小实际丁坝尺寸作为模型丁坝。

模型丁坝坝身横断面为梯形，坝头为圆弧形，丁坝长72cm，高12cm，坝底宽57.6cm，坝顶宽9.6cm，丁坝的迎水坡比为1∶1.8，背水坡比为1∶2.2，坝头向水坡比为1∶2.4。透水丁坝坝身的空隙为圆形空隙，空隙的半径为15cm。试验设置了不同的空隙率，分别为5.8%、10.7%、13.7%、15.7%、18.6%、21.5%、23.5%。以实体丁坝作为对比，实体丁坝的空隙率为0。将水槽水流流量控制在80L/s，坝前水位控制在15cm。详细试验工况见表1。

表1 试验工况

数值模型模拟的水槽范围以丁坝主中心，取丁坝上游和下游各一段，总长为5.6m。试验分布了9个横断面和8个纵断面，取横断面和纵断面交界处为水位测量点，水位测量点分布如图1所示。

图1 水位测量点分布位置(单位：mm)

水流方向采用流量边界，其余边界均采用无滑动边界条件，入口流量为80L/s，坝前水位为15cm，出口水位为12cm，垂直上方为大气压，设置为压力边界，赋予大气压[7]。

根据丁坝所处方位，将试验区分为3个区域，分别为坝身段、坝头段、主流带，其中Z1～Z2纵断面为坝身段，Z3～Z6段为坝头段，Z7～Z8段为主流带区。本文分析了坝身段、坝头段各位置水位，因主流带区各位置水位离坝头较远，暂不考虑。

2 计算结果分析

2.1 坝身附近各位置水位变化

根据试验数据，坝身段各位置水位随坝身空隙率变化曲线如图2所示。

图2 丁坝不同空隙率对坝身水位影响

图2(a)中，随着丁坝空隙率的增大，水位呈先减小再增大，然后再减小趋势。当丁坝为实体丁坝，即空隙率为0时，水位值为12.03cm。随着水流的持续流动，当空隙率为10.7%时，水流进入空隙，该断面水位降低，其水位值为11.84cm，然后水位逐渐上升。当空隙率为13.7%时，水位值达到最大，最大值为12.04cm，水位达到最大后，然后快速下降，当空隙率大于18.6%时，水位基本保持相同，水流流速处于平稳状态。

图2(b)中，随着丁坝空隙率的增大，水位呈先增大再减小，然后再增大趋势。当丁坝为实体丁坝，即空隙率为0时，水位值为10.8cm，因水流流过A1断面，由于丁坝的阻水作用，水流集中在坝前，A1断面水位升高，A2断面水位偏低，随着水流的持续流动，水位开始逐渐上升。当空隙率为10.7%时，A1断面水位开始下降，水流开始流过A2断面，A2断腿面水位值升高，水位值为11.04cm。当空隙率为13.7%时，水位下降，水位值为10.78cm，当空隙率为大于18.6%时，水位逐渐上升，且变化趋势不稳定。

图2(c)中，随着丁坝空隙率的增大，水位呈先增大再减小，然后再快速增大趋势。当丁坝为实体丁坝，即空隙率为0时，水位值为10.32cm，由于丁坝阻水作用，该断面水位变化趋势与A2断面基本相似。当丁坝空隙率为5.8%和10.7%时，其水位基本保持一致。当空隙率为13.7%时，水位下降，水位值为10.3cm。随着空隙率的增大，流过A3断面的水流增大，水位升高，当空隙率大于18.6%时，水位达到最大，且空隙率的增大对该断面水位无明显影响，水流流速平稳。

图2(d)中，随着丁坝空隙率的增大，水位变化与A3断面基本相似，均呈先增大再减小，然后再快速增大趋势。当丁坝为实体丁坝，即空隙率为0时，水位值为10.33cm，当空隙率为10.7%时，水位升高，水位值为10.65cm，当空隙率为13.7%时，水位下降，水位值为10.37cm，当空隙率为15.7%时，水位与空隙率为13.7%时的水位基本相同。随着空隙率的增大，流过A4断面的水流增大，水位升高，当空隙率大于18.6%时，水位达到最大，且空隙率的增大对该断面水位无明显影响，水流流速平稳。

由图2可知，随着丁坝空隙率的增大，坝前水位先减小再增大，然后再减小，坝中和坝后水位先增大再减小，然后再快速增大，最后水位趋于平稳。当空隙率小于10.7%时，A1断面水位上升，由于丁坝阻水作用，部分水流进入丁坝空隙，未到达下游断面，部分水流绕过丁坝流入下游，因此A2、A3、A4断面水较低。当空隙率为13.7%～15.7%时，丁坝孔隙增大，A1断面水位达最大后，随后水位下降，而下游断面水位开始升高，其中处于丁坝内部的A2断面水位升高较快。当空隙率大于18.6%时，水流迅速通过A1断面，故A1断面水位较低，随着水流的持续流动，坝中和坝后断面水流流速平稳，水位升高趋于稳定状态。

综上所述，在坝身上游区，当透水丁坝空隙率为小空隙率(5.8%)和中空隙率(13.7%～15.7%)时，丁坝阻水效果与实体丁坝基本一致，当丁坝空隙率为10.7%时，阻水效果弱于实体丁坝，当丁坝空隙率为大空隙率(18.6%～23.5%)时，河道水流迅速，其阻水效果明显小于实体丁坝。对于抬高坝后水位，大空隙率(18.6%～23.5%)效果最好，小空隙率(5.8%～10.7%)效果次之，中空隙率(13.7%～15.7%)效果稍差。

2.2 坝头前端各位置水位变化

根据试验数据，坝头前端各位置水位随坝身空隙率变化曲线如图3所示。

图3 丁坝不同空隙率对坝头前端水位影响

图6 不同断面H点的围岩变形曲线

图3(a)中，随着丁坝空隙率的增大，水位先小幅增大再减小，然后再逐渐增大再快速减小，最后趋于稳定。当丁坝为实体丁坝，即空隙率为0时，水位值为11.39cm。随着水流的持续流动，当空隙率为5.8%时，由于丁坝的阻水作用，该断面水位上升，其水位值为11.41cm。当空隙率为10.7%时，水流流入空隙，水位下降，其水位值为11.37cm，然后随着丁坝空隙增大，水流进入空隙流量增大，水位上升，当空隙率为18.6%时，水位快速下降，当水位达到11.5cm时，水位处于平稳状态，水流流速稳定。

图3(b)中，随着丁坝空隙率的增大，水位呈先增大再减小，然后再增大趋势。当丁坝为实体丁坝，即空隙率为0时，水位值为10.88cm。随着水流的持续流动，当空隙率为5.8%时，由于丁坝的阻水作用，该断面水位上升，其水位值为10.99cm，当空隙率为13.7%时，水流流入空隙，水位下降到最小，最小值为10.87cm，当水位达到最小后，然后随着空隙率的增大快速上升，当空隙率大于18.6%时，水位达到11.12cm，水流流速平稳，水位达对稳定状态。

图3(c)中，随着丁坝空隙率的增大，水位呈先增大再减小，然后再增大趋势。当丁坝为实体丁坝，即空隙率为0时，水位值为10.53cm。随着水流的持续流动，当空隙率为10.7%时，水流进入空隙，由于丁坝的阻水作用，该断面水位上升，水位值为10.99cm。当空隙率为13.7%时，水位下降到最低，最小值为10.87cm。当空隙率断续增大时，水位随着空隙率的增大快速上升，当空隙率大于18.6%时，水位达到11.04cm，水流流速平稳，水位达对稳定状态。

图3(d)中，随着丁坝空隙率的增大，水位变化与B3断面基本相似，均呈先增大再减小，然后再增大趋势。当丁坝为实体丁坝，即空隙率为0时，水位值为10.34cm。随着水流的持续流动，当空隙率为10.7%时，水流进入空隙，由于丁坝的阻水作用，该断面水位上升，水位值为10.67cm。当空隙率为13.7%时，水位下降到最低，最小值为10.37cm。当空隙率为15.7%时，水位与空隙率为13.7%时的水位基本相同，随着空隙率的增大，流过B4断面的水流增大，水位升高，当空隙率大于18.6%时，水位达到最大，最大值为11.03cm，水流流速平稳，水位达对稳定状态。

由图3可知，随着丁坝空隙率的增大，坝前水位呈现上下波动现象，坝中和坝后水位呈先增大再减小，然后再快速增大趋势，最后水位趋于平稳。当空隙率小于10.7%时，B1断面水位上升，由于丁坝阻水作用，部分水流进入丁坝空隙，未到达下游断面，部分水流绕过丁坝流入下游，因此B2、B3、B4断面水较低。当空隙率为13.7%～15.7%时，丁坝孔隙增大，B1断面水位达最大后，随后水位下降，而下游断面水位开始升高，其中处于B2断面水位升高较快。当空隙率大于18.6%时，水流迅速通过B1断面，故B1断面水位较低，随着水流的持续流动，坝中和坝后断面水流流速平稳，水位升高趋于稳定状态。

综上所述，在坝头前端，当透水丁坝空隙率为小空隙率(5.8%～10.7%)时，丁坝阻水效果与实体丁坝基本一致，当中空隙率(13.7%～15.7%)时，阻水效果优于实体丁坝，当丁坝空隙率为大空隙率(18.6%～23.5%)时，河道水流迅速，其阻水效果明显小于实体丁坝。

3 结论

通过模拟透水丁坝周围水流动力场，本文分析了透水丁坝孔隙率对河道水位的影响，得如下结论。

(1)坝身段A1断面，当空隙率小于15.7%时，水位先减小再增大，空隙率在大于15.7%时，水位快速减小然后趋于稳定。坝身段A2～A4断面，当空隙率小于15.7%时，水位先增大再减小，空隙率在大于15.7%时，水位随着孔隙率的增大而增大，最终趋于平稳。

(2)坝头位置前端B1断面，当空隙率小于15.7%时，水位呈上下波动趋势，空隙率在大于15.7%时，水位快速减小然后趋于稳定。在坝头位置前端B2～B4断面，空隙率小于15.7%时，水位先增大再减小，空隙率在大于15.7%时，水位随着孔隙率的增大而增大，最终趋于平稳。

(3)抬高坝身下游区水位，大空隙率(18.6%～23.5%)效果最好，小空隙率(5.8%～10.7%)效果次之，中空隙率(13.7%～15.7%)效果稍差。