U型弯道水槽内T型和L型组合丁坝群对水流特性影响试验研究

杨海鹏，杨亚杰，景何仿，何 斌，李 昕，张茹凤

(北方民族大学土木工程学院，宁夏 银川 750021)

丁坝在保护河岸、改善航道条件、保护海滩、改善局部生态环境等方面都有重要作用。L型和T型丁坝是特殊的两类丁坝，在调顺水流动力轴线、抑制河床横向变形，束水归槽等方面的作用更为显著。

对于布置直丁坝及丁坝群后对水流结构的影响方面，国内外已有较多的研究成果。Sayed等(2015)[1]通过对单丁坝与丁坝群的对比试验，得到丁坝的最佳距离，Chen等(2019)[2]通过对60°弯道内的非淹没直丁坝进行了数值模拟研究，类似研究成果还有[3-8]。

对于布置T型和L型丁坝后对水流结构的影响方面，国内外也有一些研究成果Ghodsian等[9](2009)对弯道内T型丁坝附近冲刷坑内的三维流场进行测量研究，类似研究成果还有[10-12]。

对于T型和L型组合丁坝群的研究，虽然已有一些研究成果，然而成果较少，还有待进一步深入，尤其是弯道中布置T型和L型组合丁坝群方面，研究结果更少。本文在U型弯道水槽中布设T型和L型的组合丁坝群，用PIV等仪器分别对不同丁坝组合下水流流速和水位等物理量进行测量，研究弯道内布置丁坝群后对水力特性的影响规律，研究结果在河道整治和航运工程建设等领域中具有工程应用前景。

1 试验仪器设备与试验方法

1.1 试验仪器设备

1.1.1水槽测量系统

本试验在北方民族大学水力学试验室的U型弯道水槽中进行，水槽、PIV测速系统及T型和L型丁坝模型如图1所示。进口段直槽长16m，出口段直槽长16m，中间段为180°弯道，弯道中心线半径为2m，水槽宽度为0.8m。测量设备由水位测量系统、流速测量系统组成。水位测量系统由JFC软件和8个无线水位计组成，可实时读取、显示并存储水位数据；流速测量系统由PIV view软件和高速相机、激光发射器等组成，通过对水中粒子的抓拍、分析，可得到所需流速数据。

图1 试验装置

1.1.2丁坝

本试验中，在水槽布置的丁坝为T型丁坝和L型丁坝，其中L型丁坝坝身长L=15cm，坝翼长Lt=20cm，厚度b=2cm，高h=30cm；T型丁坝坝身长L=15cm，坝翼长Lt=20cm(上翼取10cm，下翼取10cm)，厚度b=2cm，高h=30cm，丁坝模型材料为亚克力板。

1.2 试验方法

1.2.1工况布置

本次物理试验在清水条件下进行，控制水槽内流量48L/s，尾门开度61%，保持尾门水位12cm，水槽坡度0.1%。组合丁坝群布置在U型弯道的凹岸，与弯道进口断面夹角分别为36°、54°、72°(编号为A、B、C)处，丁坝间距固定为75cm，具体工况实施方案见表1。

表1 典型工况基本参数

1.2.2数据采集位置

水槽观测断面、观测线位置及丁坝位置如图2所示。

图2 数据采集位置

丁坝布置在与弯道进口断面夹角为36°、54°、72°处(编号A、B、C)，数据采集位置沿程设置8个观测断面，与弯道进口断面的夹角分别为0°、25°、45°、60°、90°、120°、150°、180°(编号1-8)。其中，编号1—8为水位测量观测断面，编号2—7为流速测量观测断面。每个观测断面沿横向设置5条测线，分别距凸岸5、25、40、55、75cm(编号a-e)。

2 试验结果与分析

对试验所得数据使用Matlab和Excel等软件进行处理，得到不同工况下弯道水槽中水位、横比降、纵比降、流速、水头损失及水力坡降的规律，并对结果进行比较分析。

2.1 水位分布比较

对水位的变化规律，本文主要分析水位沿程分布，横、纵比降，典型断面横向水位变化等。

2.1.1水位沿程分布

在每个观测断面处，采用凸岸与凹岸水位平均值代表该断面水位，将不同工况、不同断面的水位进行比较，如图3所示。

图3 不同工况下水位沿程分布

通过对比不同工况下不同断面处的水位可知：①布置丁坝群后，在第1个丁坝(丁坝A)上游，水位均出现壅高现象，工况4情况下水位壅高最大，其次是工况3，最后是工况2；之后由于丁坝束窄过水断面面积，丁坝后发生水跌，所以在第2个丁坝(丁坝B)附近水位达到最低，此后水位开始回升，在断面7处达到极大值后，逐渐靠近无丁坝群时的水位；②从水面纵比降来看，工况3最大，工况4次之，然后是工况2，工况1最小。

2.1.2水位沿横向分布

水位沿横向变化规律分析，选择典型断面(断面2、3、5、7)的凸岸、中心线以及凹岸3个测点(位于测线a、c、e)，得到典型断面处不同工况下水位沿横向分布，如图4所示。

图4 典型断面处不同工况下水位沿横向分布

分析可知：①无论是否布置丁坝群，由于弯道离心力，弯道水位沿横向从凸岸到凹岸整体呈上升趋势，符合弯道水流运动的一般规律；②在凹岸布置丁坝群后，上游断面(断面2)和下游断面(断面7)的水位均高于不布置丁坝情形(工况1)，断面2处在工况4情况下水位抬升最为明显，断面7在工况2情况下水位抬升明显；③在凹岸布置丁坝群后，断面3和断面5的水位均低于不布置丁坝情形(工况1)，断面3在工况4情况下水位降低最为明显，断面5在工况3情况下水位降低最为明显。

2.1.3不同工况下水面横比降比较

水面横比降计算公式为：

Jr=(Za-Zb)/B

(1)

式中，Za、Zb—凹岸和凸岸水位；B—水槽宽度用。在无丁坝时，水面横比降是由于弯道离心力产生的，而布置丁坝后，水面横比降由弯道离心力和丁坝阻力共同作用而产生。将8个横断面处在各种工况下水面横比降进行计算，见表2。

表2 不同工况下水面横比降沿程分布 单位：%

从表2可知：①工况1时，水面横比降沿程虽有增有减，但变化不大，在弯顶断面处(断面5)达到最大值；②在凹岸布置丁坝群后，水面横比降的最大值出现在弯顶断面前后，工况2和工况3在断面4处水面横比降达到最大值，而工况4在断面6处达到最大值；③对比4种工况下水面横比降的最大值可以发现，工况4最大(断面6处)，工况3次之(断面4处)，工况2再次之(断面4处)，工况1最小(断面5处)。

2.2 流速分布

对于流速的分布规律研究，主要包括对流速的沿程分布和典型断面流速沿横向分布两个方面，其中典型断面取断面2、3和5。

2.2.1流速沿程分布分析

利用PIV对水流速度进行测量，使用Matlab软件计算得到断面处凹岸、凸岸附近两条流速测线上流速的大小，如图5所示。

图5 流速沿程分布

通过研究发现，在凹岸布置丁坝群后，对凹岸和凸岸的流速影响较大，主要表现在以下几个方面：①在凹岸附近，由于丁坝群的阻流作用，在丁坝群之间，水流流速逐渐减小，在断面5达到流速最小值，然后逐渐增加，但始终低于未布置丁坝的情形；③在凸岸附近，由于丁坝的挑流作用，流速普遍大于未布置丁坝的情形，流速从断面2开始逐渐增大，到断面4处达到最大值，然后逐渐减小；③ 3种布置方式中，工况3对水流影响最为明显，在凹岸处水流流速降幅最大，最小流速位于断面5处，而在凸岸处水流流速增幅最大，最大流速值位于断面4处，这说明工况3能有效减小凹岸水流流速，而增大凸岸水流流速，从而不但可减小水流对于凹岸的冲刷现象，而且可减小凸岸附近泥沙的淤积现象。

2.2.2流速沿横向分布

对弯道中水流流速沿横向分布进行比较分析，本文选取弯顶断面5为典型断面，绘制各工况下流速沿横向的分布，如图6所示。

图6 典型断面处4条测线流速沿横向分布

从图6可知：①未布置丁坝群前(工况1)，在弯道离心力的作用下，弯顶断面处凹岸附近流速大于凸岸，而布置丁坝群后，由于丁坝群的阻流作用，在弯道离心力和丁坝群的共同作用下，流速沿横向呈减小的趋势；②对比不同工况可以发现，凸岸附近流速，以工况3最大，其次为工况2和工况4，工况1最小；凹岸附近流速，以工况3最小，其次为工况4和工况2，工况1最大。

因此，在弯道凹岸处布置丁坝群后，对流速沿横向分布影响很大。布置丁坝群后，凸岸流速增大，而凹岸流速减小，从而将减小水流对凹岸处的冲刷和凸岸处泥沙的淤积。相比较而言，工况3更有利于防止凹岸冲刷和凸岸淤积现象。

2.3 水头损失及水力坡降

水流在运动过程中单位质量液体的机械能的损失称为水头损失，其产生的原因有内因和外因两种，外界对水流的阻力是产生水头损失的主要外因，液体的黏滞性是产生水头损失的主要内因，也是根本原因。

为了分析丁坝前后水头损失，根据液体运动的能量方程有：

(2)

式中，Z1、Z2—两断面处的水位，m；P1、P2—两断面处的大气压强，N/m2；V1、V2—两断面处的流速，m/s；ρ—水的密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；hw—两断面处的水头损失，m；

由于试验中水槽处于同一大气压下，所以任意两断面的大气压强相同，从而得到两断面之间的水头损失为：

(3)

根据水头损失hw可计算出水力坡降J。令L为两断面之间的实际距离，有计算公式：

(4)

2.3.1沿程水头损失及水力坡降

取断面处的水位和流速为断面平均值，计算得到弯道断面2—7之间的水头损失及水力坡降，见表3。

表3 不同工况下弯道进出口水头损失及水力坡降

由于工况1没有布置丁坝，弯道中的水头损失和水力坡降主要由弯道壁面的阻力和水的黏滞性组成，而工况2、3、4均布置了丁坝群，除上述阻力外，增加了丁坝对水流的阻力作用，水头损失和水力坡降均大于未布置丁坝群的情形。而且工况4产生的水头损失最大，工况3水头损失比工况4小，工况2水头损失是3种丁坝群布置方式中最小的。故工况1情况下，水头损失和水头坡降均最小，其次是工况2和工况3，工况4水头损失和水力坡降均最大。

2.3.2不同工况下相同丁坝位置前后水头损失及水力坡降

为了更加深入地研究丁坝群产生的水头损失，将丁坝群中每个丁坝位置(位置A、B、C)前后产生的水头损失及水力坡降进行计算，其中位置A前后水头损失及水力坡降取断面2和断面3为研究断面，位置B前后水头损失及水力坡降取断面3和断面4为研究断面，位置C前后水头损失及水力坡降取断面4和断面5为研究断面，断面处的水位和流速均取凹、凸岸的平均值，得到数据见表4：

表4 不同工况下丁坝位置前后水头损失及水力坡降

通过分析可得到：①在A、B、C三个丁坝所处位置，未布置丁坝时(工况1)产生的水头损失和水利坡降是最小的，在3个位置处依次增大；布置丁坝后3个位置处水头损失和水力坡降均有不同程度的增加，但位置A处增大幅度较大，其次是位置B处，最后是位置C处；②丁坝群中3个丁坝产生的水头损失是不同的，其中第1个丁坝所处位置水头损失最大，其次是第2个丁坝，第3个丁坝处产生的水头损失最小；(3)在3个位置处，不同工况下水头损失也不同，工况4情形下，不同位置处水头损失在4个工况中均最大，其他依次是工况3、工况2和工况1。

3 结论

研究利用粒子图像测速系统(PIV)等仪器测量了在U型弯道水槽内凹岸侧布置T型、L型、T+L+T型3种不同的组合丁坝群前后的水流流速与水位等物理量，对比分析不同布置条件下，丁坝群对弯道内水位、水面比降、流速分布及水头损失等物理量的影响。主要结论如下：

(1)在弯道凹岸处布置丁坝群后，丁坝群对附近水位产生较大影响。第1个丁坝(丁坝A)上游出现雍水，之后由于丁坝束窄过水断面面积，丁坝后发生水跌，所以在第2个丁坝(丁坝B)附近水位达到最低，此后水位开始回升，在断面7(与弯道进口断面夹角为150°)处达到极大值后，逐渐恢复至无丁坝群时的水位；其中T+L+T型丁坝对上游水位壅高最为明显，L+L+L型丁坝产生的水面纵比降最大。

(2)无论是否布置丁坝，弯道内均会产生一定水面横比降，且水面横比降沿程有一定的变化，在弯道顶部附近达到最大值。不布置丁坝时，在弯顶断面处水面横比降达到最大值(1.04%)，布置同型丁坝群(T+T+T型、L+L+L型)后，在断面4(与弯道进口断面夹角为60°)处达到最大值(1.96%、2.46%)，而布置异型丁坝群(T+L+T型)后，水面横比降最大值(2.81%)出现在断面6(与弯道进口夹角为120°)处。

(3)在凹岸布置丁坝群后，对弯道内流速分布有较大影响。其中在凹岸附近，丁坝群之间水流流速逐渐减小，在弯顶断面处达到最小值，然后又逐渐增加，但始终低于未布置丁坝的情形；在凸岸附近，流速普遍大于未布置丁坝的情形，流速开始逐渐增大，到弯顶断面前到最大值，然后逐渐减小；其中L+L+L型组合丁坝群对水流影响最为明显，能有效减小凹岸水流流速，增大凸岸水流流速，可减小凹岸冲刷和凸岸淤积现象。

(4)未布置丁坝群时水头损失和水头坡降均最小，布置丁坝群后异型丁坝群(T+L+T型)产生的水头损失最大，引起的水力坡降相应也最大，然后依次是L+L+L型和T+T+T型两个同型丁坝群。同时在3个不同位置的丁坝所产生的水头损失和水力坡降也不同，第1个丁坝前后产生的水头损失和水力坡降最大，其次是第2个丁坝，第3个丁坝处最小。

本研究对于河道治理、航道改善、维护河相以及保护水生态多样化方面都有着重要的现实指导意义，但在实验过程中也存在不足，天然河道水位有季节性变化，但在本研究中未进行充分考虑，试验工况设计还需完善，望本文能够对后来研究学者以借鉴。