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 楊渠鋒

 （貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司  貴陽(yáng)  550081）

摘要  雙丁壩的布置會(huì)直接影響整治工程，對(duì)河床演變產(chǎn)生重要的影響，選擇較優(yōu)的丁壩布置形式具有實(shí)際工程意義。通過(guò)水槽模型概化試驗(yàn)，測(cè)得不同工況下雙丁壩周?chē)�流速的分布情況，并繪制不同條件下雙丁壩周?chē)�流速分布圖，結(jié)合理論分析，得到了流量、壩間距、壩長(zhǎng)、壩頭形式組合等因素對(duì)雙丁壩周?chē)�流速的影響�?guī)律。

關(guān)鍵詞  模型試驗(yàn)  雙丁壩  流速分布

 丁壩具有束水歸槽，守護(hù)岸堤并改善航道條件的作用。丁壩的修建改變了水體的水流特性，壩體周?chē)�流速�?huì)發(fā)生明顯的變化，常福田等通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)槽內(nèi)布設(shè)丁壩后的水流流速沿程變化規(guī)律的對(duì)比分析，提出了丁壩群壩間距的最佳布置原則，并由此推導(dǎo)得出丁壩壩間距布置的關(guān)系式。張可利用物模試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)形式丁壩對(duì)其壩體周?chē)�流速的影響�?guī)律。陳稚聰、黑鵬飛等通過(guò)概化水槽試驗(yàn)，把丁壩回流區(qū)沿橫向劃分為負(fù)流速區(qū)、正流速區(qū)和主流區(qū)3個(gè)區(qū)域，沿縱向劃分為回流減流區(qū)與回流增流區(qū)2個(gè)區(qū)域，并對(duì)回流尺度、回流流量沿縱向的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。不難看出，當(dāng)前大部分學(xué)者的研究重點(diǎn)著眼于單個(gè)丁壩周?chē)�的流速分布�?guī)律，對(duì)雙丁壩的流速分布研究還比較少，而在長(zhǎng)江上游有比較多的航道整治工程現(xiàn)已采用了雙丁壩的結(jié)構(gòu)型式，典型的工程，如金鐘磧、小米灘、關(guān)刀磧等。

 本文利用物模試驗(yàn)與理論相結(jié)合，從流量、壩間距與壩長(zhǎng)出發(fā)，研究不同工況下雙丁壩對(duì)水體流速的變化規(guī)律，以期對(duì)山區(qū)河流工程中壩體選取、布置，以及更好地發(fā)揮雙丁壩的作用有一定的參考價(jià)值。

1  試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1試驗(yàn)設(shè)備

 試驗(yàn)在長(zhǎng)、寬、高分別為30，2，1m矩形水槽中進(jìn)行。進(jìn)口流量由DCMS流量控制系統(tǒng)控制，上丁壩壩前水位通過(guò)水位測(cè)針來(lái)控制，實(shí)時(shí)水位通過(guò)超聲自動(dòng)水位測(cè)量系統(tǒng)量測(cè)。流速采用Ho-rizon ADV三維流速測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，系統(tǒng)采樣頻率為30 Hz，每個(gè)測(cè)點(diǎn)采樣時(shí)長(zhǎng)為30 s。

1.2試驗(yàn)方案

對(duì)于大型河流（如本文研究的長(zhǎng)江），模型太大，模擬難度大，因此一般方法是將水流及丁壩作為二維問(wèn)題處理。由于試驗(yàn)水槽寬度只有2m，而所依托工程河段較寬，為了考慮壩長(zhǎng)對(duì)束窄河床的影響，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膲伍L(zhǎng)應(yīng)按水面收縮比與原型相等進(jìn)行設(shè)計(jì)，即試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膲伍L(zhǎng)應(yīng)滿足式(1)。

式中：L，B分別為丁壩壩長(zhǎng)與河寬。

統(tǒng)計(jì)分析長(zhǎng)江上游典型工程中丁壩尺寸并考慮試驗(yàn)水槽條件，確定上丁壩壩長(zhǎng)為50 cm，下丁壩壩長(zhǎng)分別為55，70 cm，壩頂寬7.5 cm，壩高10cm;根據(jù)《航道整治工程技術(shù)規(guī)范》對(duì)丁壩壩身結(jié)構(gòu)的規(guī)定，壩身橫斷面采用梯形斷面，丁壩迎水坡坡度為1：1.5，背水坡坡度為1：2，向河坡坡度為1:5，見(jiàn)圖1。壩間距選取1.5，2.0，2.5倍上丁壩壩長(zhǎng)。試驗(yàn)流量分別采用65，95及135L/s 3級(jí)流量；試驗(yàn)水深采用丁壩淹沒(méi)時(shí)的3種水深，分別為h=11，14和17 cm;山區(qū)河流卵石灘雙丁壩一般采用雙正挑和雙下挑，試驗(yàn)丁壩挑角分別為90。與120。。綜上各因素，試驗(yàn)共選取74組工況。

1.3測(cè)點(diǎn)布置

流速測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2，圖中2丁壩挑角為120。。

2試驗(yàn)成果分析

2.1  橫斷面垂線平均流速分布

2.1.1  流量不同時(shí)垂線平均流速分布

選取上丁壩壩長(zhǎng)為50 cm、下丁壩壩長(zhǎng)為70cm，挑角為90。時(shí)圓弧直頭丁壩在3種流量下的3個(gè)工況，對(duì)2丁壩周?chē)鷻M斷面3，8，12號(hào)做斷面不同流量的流速對(duì)比圖，見(jiàn)圖3。

 由圖3可見(jiàn)，斷面各測(cè)點(diǎn)流速隨流量增加而增大。3號(hào)斷面最為明顯，主要因其位于上丁壩壩體前沿，水流結(jié)構(gòu)較好。8，12號(hào)斷面各測(cè)點(diǎn)流速隨流量增加而增大的趨勢(shì)在壩體之間與下丁壩回流區(qū)的部分測(cè)點(diǎn)較明顯，主流區(qū)測(cè)點(diǎn)不明顯，這是因?yàn)樗�流�?jīng)過(guò)上丁壩發(fā)生跌水：當(dāng)流量Q= 65L/s時(shí)下丁壩壩前雖有雍水但幾乎不存在翻壩水流；當(dāng)Q=135 L/s時(shí)下丁壩處有翻壩水流。下丁壩對(duì)上游來(lái)流的束水壅水使過(guò)壩主流區(qū)水位升高，Q=135 L/s與Q=95 L/s時(shí)翻壩水流使主流區(qū)流量減少，且翻壩水流隨流量的增加而增大，而Q=65 L/s使所有上游來(lái)水繞過(guò)丁壩，所以3種工況下繞壩主流區(qū)流量差別不大，主流區(qū)各測(cè)點(diǎn)的流速隨流量增加而增大的趨勢(shì)不明顯。

2.1.2壩間距不同時(shí)垂線平均流速分布

選取上丁壩壩長(zhǎng)為50 cm，下丁壩壩長(zhǎng)為70cm，流量為95 L/s，挑角為120。時(shí)圓弧直頭丁壩在3種壩間距下的3個(gè)工況，對(duì)2丁壩周?chē)鷻M斷面3，9，14號(hào)做斷面不同壩間距的流速對(duì)比圖，見(jiàn)圖4。

 由圖4可見(jiàn)，壩間距對(duì)各橫斷面流速影響不大。壩間9號(hào)斷面回流區(qū)與壩后14號(hào)斷面回流區(qū)在距左岸0.5 m處左右有最小值，這是由于上丁壩與下丁壩在壩頭處產(chǎn)生的卡門(mén)漩渦消能所致。上丁壩壩前3號(hào)斷面由于受丁壩影響較小，橫斷面流速由左岸至右岸流速過(guò)度較平緩，在右岸附近流速趨于平穩(wěn)。

2.1.3壩長(zhǎng)不同時(shí)垂線平均流速分布

選取流量為95 L/s，上丁壩壩長(zhǎng)為50 cm，下丁壩壩長(zhǎng)為55，70 cm，挑角為90。圓弧形直頭丁壩的2種工況，對(duì)丁壩周?chē)?，9，17號(hào)橫斷面進(jìn)行斷面流速對(duì)比，其不同壩長(zhǎng)的流速見(jiàn)圖5。

 由圖5可見(jiàn)，上丁壩上游3號(hào)斷面左岸區(qū)域下丁壩較長(zhǎng)的流速較大，這是由于下丁壩較長(zhǎng)的工況雙丁壩對(duì)上游聯(lián)合雍水效果較好，翻壩水流與跌水較明顯，導(dǎo)致表層翻壩水流與底層繞壩水流流速較大。由于水流受上丁壩翻壩水流跌水影響較小，并受上下丁壩掩護(hù)，壩間斷面9號(hào)靠左岸部分流速差別不大。對(duì)于下游17號(hào)斷面，由于70 cm下丁壩較55 cm下丁壩壩體長(zhǎng)，70 cm長(zhǎng)壩的挑流和壅水作用較55 cm短壩明顯，從而致使70 cm長(zhǎng)下丁壩的壩后回流區(qū)的區(qū)域變大，回流區(qū)靠右岸處流態(tài)較為緩和。

2.2橫剖面橫向流速分布

選取流量為95 L/s，上丁壩L-50 cm、下丁壩L-70 cm，挑角為120。雙圓弧直頭丁壩附近的3，8及13號(hào)斷面，并做各斷面橫向流速沿水深的等值線圖6。

 由圖6可見(jiàn)，橫向流速在丁壩壩前3號(hào)斷面隨水深的增加而增大，且流速隨水深變化的速率隨水深的增加而減小，流速最大出現(xiàn)在壩頭附近；壩間8號(hào)斷面靠左岸的回流區(qū)橫向流速較小，在靠近壩頭處受壩身挑流作用，橫向流速較大，中底層流速沿水深的分布與3號(hào)一致，表層流速隨水深的增加而減��；由于水流繞過(guò)下丁壩開(kāi)始擴(kuò)散，沿程能量發(fā)生耗損，下丁壩下游13號(hào)斷面橫向流速表層表現(xiàn)為正值并隨水深的增加而減小，中底層表現(xiàn)為負(fù)值并隨水深的增加而增加，且流速最大值較上游斷面小，受下丁壩的掩護(hù)，左岸壩后區(qū)域流速數(shù)值較小。

2.3整個(gè)測(cè)區(qū)流速分布

選取上丁壩長(zhǎng)50 cm、下丁壩長(zhǎng)70 cm，挑角120。圓弧勾頭，2.5倍壩間距，Q=95 L/s，H=14cm的工況做丁壩周?chē)�三維垂線平均流速分布等值線圖7（圖中0處為上丁壩壩軸線與水槽壁交點(diǎn)，正值為上游，負(fù)值為下游，下丁壩壩軸線與左岸水槽壁位于X =l. 25 m處）。

 由圖7可見(jiàn)，測(cè)區(qū)內(nèi)縱向流速最大，其次是橫向流速，垂向流速最小。受雙丁壩的影響，每個(gè)維向上的流速發(fā)生較大變化的地方位于雙丁壩周?chē)�，�?duì)于縱向流速受丁壩阻流壅水作用，右岸束窄段主流區(qū)流速增大，壩間回流區(qū)流受上下丁壩掩護(hù)流速明顯減小，下丁壩壩后回流區(qū)受丁壩掩護(hù)流速也較小；上游來(lái)流受阻流作用，流向發(fā)生改變，在丁壩附近順丁壩流動(dòng)，使水流橫向流速在丁壩附近變大，當(dāng)水流繞過(guò)丁壩后，橫向流速數(shù)值逐漸減��；垂向流速數(shù)值在整個(gè)測(cè)區(qū)都很小，在丁壩附近數(shù)值有所增大，受壅水作用壩前部分水流翻過(guò)壩身及壩頭處產(chǎn)生渦流，致使上下丁壩周?chē)�、壩身間回流區(qū)和下丁壩壩后回流區(qū)流態(tài)較亂，呈現(xiàn)較明顯的三維特性，垂向流速也因此表現(xiàn)出來(lái)了。

3結(jié)論

 雙丁壩周?chē)�的橫向流速分布規(guī)律為：最大流速分布在2丁壩壩頭處；上丁壩壩前雍水區(qū)流速在橫斷面方向流速變化不大，越靠近壩頭流速越大；2丁壩間，由上下丁壩壩頭連線附近向左右兩岸方向流速有所減小且右岸主流區(qū)流速沿程減�。幌露�壩下游流速整體較小。雙丁壩周?chē)�的縱向流速分布規(guī)律為：上丁壩壩前雍水區(qū)流速較主流區(qū)小且由右向左減小；兩壩身間回流區(qū)流速較小且大于下丁壩壩后回流區(qū)，這兩個(gè)區(qū)域由左至右流速增加；縱向流速在整個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)分布非常小，在壩身附近發(fā)生改變且數(shù)值有所增大，上、下丁壩壩頭后方縱向流速有最大值且下丁壩的大于上丁壩的。

 通過(guò)流速分布規(guī)律的分析，對(duì)山區(qū)河流雙丁壩的設(shè)計(jì)及布置的建議有：

 (1)兩丁壩的壩頭應(yīng)合理加固護(hù)坡與護(hù)腳，提高壩頭穩(wěn)定性。

 (2)下丁壩引起的橫向和縱向沖刷弱于上丁壩，所以在保證結(jié)構(gòu)合理穩(wěn)固的前提下，下丁壩壩體規(guī)�？蛇m當(dāng)減小。

 (3)壩間距取上丁壩壩長(zhǎng)的1.5～2.5倍對(duì)山區(qū)順直河道影響不大。