丁坝形状对弯道沿程水面线影响分析

常开志

(贵州省毕节市七星关区大河乡人民政府,贵州 毕节 551718)

1 概 述

在治河工程中,丁坝是应用广泛的水工建筑物,长丁坝可使水流动力轴发生偏转趋向对岸,短丁坝可调整水流保护河岸。丁坝的修建,局部改变了河流的流动形态,避免了河岸不受来流直接冲蚀。为了探求丁坝附近水流的流动结构,学者们进行了多方面研究。范晓飚等[1]对双丁坝流场及回流特性进行了数值研究,结果表明,当坝距一定时,随着河宽缩窄率的增加,丁坝上游壅水高度及范围增大,挑流作用增强。王荣华等[2]研究了空隙尺寸对透水丁坝局部冲刷的影响,结果表明,坝后冲刷坑深度和体积与空隙尺寸呈负相关性。刘丹丹等[3]研究了不同丁坝间距对水流特性的影响,结果表明,最下游丁坝回流长度随着丁坝间距的减小而减小。池苗苗[4]研究了透水群桩丁坝对水流特性影响,结果表明,在交错排列工况下,群桩下游水流流速从主流向河岸逐渐减速。黄硕等[5]对河口航道双丁坝影响下异重流运动特性进行了研究,结果表明,双丁坝改变了航道内的流场,异重流在经过束窄断面后会向第二个丁坝后部区域横向扩散。彭秀竹等[6]对黄河下游透水丁坝瞬溃后水力及冲淤特性进行了研究,结果表明,溃坝对主槽的输沙能力影响较弱,但显著影响了坝区泥沙的起动和沉降。

上述文献对丁坝流场及回流特性进行了研究,并分析了不同丁坝参数对水流特性的影响。本文参考以上文献研究成果,通过水槽试验,研究不同形状丁坝对弯道沿程水面线的影响,分析无丁坝时沿程水面线变化、丁坝断面不同时沿程水面线变化以及二级丁坝长度不同和多级丁坝级数改变时沿程水面线变化。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

本次试验在室内水力学实验室进行,试验水槽为U形高精度变坡水槽,见图1。水槽上游和下游直线段长度15m,上下游直线段由180°弯道连接,弯道中心线半径2.2m,水槽宽度0.8m,高度1.0m。水槽由槽身、水槽支架、自动变坡系统以及供水和回水系统组成。水槽入水口设有储水池,在进行试验时,采用水泵将水抽入储水池,水流经过储水池进入水槽入水口,从入水口流入水槽内,随后流经整个水槽,最后经过水槽尾门进入回水系统。为了模拟明渠均匀流,设置水槽的底坡为0.2%的顺坡。

图1 U形变坡水槽

水流流量由供水系统控制水泵的流量完成,水流流速采用PIV流速测量系统进行测量,该设备能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息。水位测量采用超声波水位测量仪,该设备固定在水槽测量断面上方,与数据采集系统连接,可实时测量水位变化。

2.2 试验方法

本次试验主要研究不同形状的丁坝对弯道沿程水面线的影响。试验设置4种不同形状的丁坝,分别为单级丁坝、长二级丁坝、短二级丁坝和三级丁坝,丁坝采用透明有机玻璃制成,丁坝形状见图2。

图2 各丁坝形状示意图(单位:mm)

设置单级丁坝、长二级丁坝和三级丁坝的挡水面积基本一致,挡水面积均控制在51～51.4cm2范围内,所有丁坝的厚度均为3cm。将丁坝设置弯道进口凹岸处,该位置断面与弯道进口断面夹角为45°,根据丁坝形状,共设计5种不同的工况,见表1。本次试验水流流量控制在0.05m3/s,水槽中水流深度控制在0.15m。

表1 试验工况

在水槽不同位置设置7个流速断面,流速断面与水槽弯道进口断面夹角分别为10°、25°、45°、60°、90°、135°、175°,将流速测量断面编号为L1-L7。在水槽弯道附近设置11个水位测量断面,弯道处的水位测量断面每间隔30°设置一个,并在丁坝前后位置各增加1个,共增加2个水位测量断面,以水流方向为基准,水位测量点设置在距左右两岸0.2m附近,将水位测量断面编号为S1-S11。各流速断面、水位断面及丁坝位置见图3。

图3 断面及丁坝位置分布图

3 试验结果与分析

3.1 无丁坝时沿程水面线变化

根据试验数据,无丁坝时沿程水面线变化见图4。

图4 无丁坝时水面线变化

由图4可知,当水流由直线水槽进入弯道内,在惯性作用下,在弯道内产生离心力;在离心力作用下,水流在凹岸的水面线高于凸岸。凹岸水位从S1断面到S2断面过程中,快速上升;经过S2断面后,水位保持平稳;经过S4断面后,水位继续上升;在S9断面时,快速减小,然后再增大;到达S11断面时,水位达到最大,最大值为16.7cm。凸岸水位从S1断面到S4断面时,小幅度减小;经过S4断面后,再逐渐增大;到达S6断面后再减小,然后再逐渐增大;经过S9断面后,水位大幅度上升;在S11断面时,水位达到最大,最大值为16.8cm。在水流进入弯道时,凹岸的水位大于凸岸;在水流离开弯道时,凸岸的水位大于凹岸。

3.2 丁坝断面不同时沿程水面线变化

根据试验数据,丁坝断面不同时沿程水面线变化见图5。

图5 丁坝断面不同时水面线变化

由图5可知,单级丁坝的水位变化与二级丁坝的水位变化基本相同。在弯道凹岸区域,由于丁坝的阻水作用,单级丁坝和二级丁坝的水位均快速增大,在S3断面时,水位达到最大,最大值均为18.2cm;水流经过S3断面后,水位大幅度下降;在S4断面水位达到最小,最小值均为14cm;在丁坝约束水流的作用下,水位经过S4断面后快速上升,在该阶段,工况1水位上升速度大于工况2;在断面S8时,两个工况水位基本保持一致;水流经过S8断面后,水位变化减小。在弯道凸岸区域,工况2水位先减小再增大,而工况3水位先增大再减小然后再增大;由于丁坝束窄水流的作用,水流面积减小,流速增大,水位在S5断面区域降到最低,最小值均为12.3cm;水流经过S5断面后,丁坝束窄水流作用减弱,水位快速上升;在断面S9时,两个工况水位基本保持一致;在S11断面时水位变化减小,基本处于稳定状态。

3.3 二级丁坝长度不同时沿程水面线变化

根据试验数据,二级丁坝改变长度时沿程水面线变化见图6。

图6 二级丁坝长度不同时水面线变化

由图6可知,当二级丁坝第二级长度减小时,工况3和工况4的沿程水位变化趋势基本相同,相较于工况4,工况3沿程水位变化幅度大,上升和下降变化显著。在弯道凹岸区域,工况3和工况4的水位均先增大再减小,然后再增大,由于丁坝的阻水作用,工况3和工况4的水位均在S3断面达到最大;水流经过S3断面后,由于丁坝束窄水流的作用,水流流速增大;水位在S4断面区域降到最低,工况3和工况4最低水位分别为14、14.6cm;随着水流的持续前行,水位快速上升,到达S9断面时,两个工况的水位基本保持一致。在弯道凸岸区域,工况3的水位先增大再快速减小,然后再增大,工况4水位先减小再增大;在水流到达S5断面时,工况3和工况4水位均达到最低,最低值分别为12.3、14cm,工况3水位下降幅度大,变化显著;水流经过S5断面后,丁坝束窄水流作用减弱,水位快速上升,到达S11断面时,水位基本相等。随着二级丁坝第二级长度的增加,丁坝的阻水作用增大,水槽内壅水高度相应增大,丁坝上游和下游水位差随之增大。

3.4 多级丁坝级数改变时沿程水面线变化

根据试验数据,多级丁坝级数改变时沿程水面线变化见图7。

图7 多级丁坝级数改变时水面线变化

由图7可知,当丁坝级数从二级变为三级时,工况3和工况5的沿程水位变化趋势基本相同。在弯道凹岸区域,由于丁坝的阻水作用,二级丁坝和三级丁坝的水位均快速增大,在S3断面时,水位达到最大,最大值分别为18.3、18.5cm;水流经过S3断面后,水位大幅度下降,工况3在S4断面水位达到最小,工况5在S5断面水位达到最小,最小值分别为14、13.8cm;在丁坝约束水流的作用下,水位快速上升,在断面S6时,两个工况水位基本保持一致;水流经过S8断面后,两个工况水位均小幅度变化,在断面S11时,水位基本保持相同。在弯道凸岸区域,工况5水位先减小再增大,而工况3水位先增大再减小然后再增大;由于丁坝束窄水流的作用,水流面积减小,流速增大,工况3和工况5水位在S5断面区域降到最小,最小值分别为12.3、11.2cm;水流经过S5断面后,丁坝束窄水流作用减弱,水位快速上升,在断面S11时,两个工况水位基本保持一致。在丁坝下游,工况3的水位始终大于工况5,丁坝级数的增加减小下游水位的上升,丁坝级数越少,水位越高。

3.5 丁坝不同形状时沿程水面线变化汇总

根据试验数据,丁坝不同形状时沿程水面线变化汇总,见图8。

图8 丁坝不同形状时水面线变化

由图8(a)可知,当水槽弯道处未设置丁坝时,水流在弯道处凹岸的水位变化平缓,在流出弯道后水位快速上升,到达S11断面时,水位达到最大。当弯道设置丁坝后,在水槽弯道凹岸处,工况2-工况5沿程水位变化趋势基本相同,随着水流流入弯道,由于丁坝的阻水作用,水位逐渐上升,在S3断面水位达到最大;水流经过S3断面后水位快速下降,在丁坝束窄河流的作用下,水位在S4断面-S5断面范围内下降到最低;随着水流持续流动,水位大幅度升高,在弯道出口呈小幅度变化,然后逐渐趋于平稳。

由图8(b)可知,当水槽弯道处未设置丁坝时,水流在弯道处凸岸的水位变化平缓,在流出弯道后水位快速上升,到达S11断面时,水位达到最大。当弯道设置丁坝后,由于丁坝束窄水流的作用,在水槽弯道凸岸处,水位快速下降,到达S5断面时,水位降到最低;随着水流的持续流动,水位快速上升,当到达S10断面时,各工况水位基本一致,变化不大。

由图8可知,当水槽弯道处未设置丁坝时,在弯道处的两岸,水位变化平缓,水流在惯性作用下,凹岸处的水位大于凸岸处;当水槽弯道处设置丁坝后,工况4沿程水位变化最小,工况5沿程水位变化最大,其阻水作用最强。不同形状的丁坝对水面线的影响均集中在水槽弯道处,当水流流出弯道后,水位变化趋势减小,逐渐趋于平稳。

4 结 论

本文通过水槽试验,研究了不同形状丁坝对弯道沿程水面线的影响,分析了无丁坝时沿程水面线变化、丁坝断面不同时沿程水面线变化以及二级丁坝长度不同和多级丁坝级数改变时沿程水面线变化。结论如下:

1)当水槽弯道未设置丁坝时,在弯道处的凹凸两岸,水位变化平缓,且凹岸处的水位大于凸岸处。当水槽弯道设置的丁坝断面不同时,单级丁坝的水位变化与二级丁坝基本相同,在弯道凹岸区域,水流到达S3断面时,水位最大;到达S4断面时,水位最小。在弯道凸岸区域,水流到达S5断面时,水位最小;到达S11断面时,水位趋于平稳。

2)当二级丁坝第二级长度减小时,在弯道凹岸区域,水位在S3断面时最大,在S4断面时最小;在弯道凸岸区域,水位在S4断面时最小,丁坝第二级长度增大,阻水作用随之增大。当丁坝级数从二级变为三级时,在弯道凹岸区域,水位在S3断面时最大,在S4-S5断面范围内最小;在弯道凸岸区域,水位在S5断面时最小,且丁坝级数越多,水位越高。

3)当水槽弯道处设置丁坝后,短板二级丁坝沿程水位变化最小,三级丁坝沿程水位变化最大,其阻水作用最强;不同形状的丁坝对水面线的影响均集中在水槽弯道处,当水流流出弯道后,水位趋于平稳。