長(zhǎng)江上游透水丁壩水面線分布試驗(yàn)研究

許百?gòu)?qiáng)，喻 濤，王平義，楊小文，張秀芳

(1. 重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074； 3. 長(zhǎng)江重慶航道局，重慶 400010)

丁壩具有束水攻沙、壅高上游水位及改善航道水流條件的作用。丁壩的布設(shè)改變了原有河道的局部水面條件和水流流態(tài)，作為一種航道整治建筑物廣泛應(yīng)用于航道整治工程中。Uijttewaal[1]通過(guò)物理模型試驗(yàn)得出丁壩設(shè)計(jì)的細(xì)微變化對(duì)水流之間的相互作用、河床的形態(tài)以及泥沙輸移等都會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜影響，對(duì)于綜合考慮河流系統(tǒng)在生態(tài)、航運(yùn)及防洪方面的優(yōu)化有很大意義；Mostafa等[2-3]通過(guò)動(dòng)床試驗(yàn)得出透水丁壩不會(huì)改變主航道中心線處的水深，而實(shí)體丁壩主航道中心線處的水深會(huì)發(fā)生一些變化；李明龍等[4]通過(guò)水槽概化模型試驗(yàn)得出雙丁壩對(duì)丁壩周圍水面線的影響規(guī)律；張可[5]通過(guò)水槽概化模型試驗(yàn)得出不同結(jié)構(gòu)形式丁壩對(duì)丁壩周圍水面線的影響規(guī)律；許光祥等[6]通過(guò)物理模型試驗(yàn)獲得了丁壩及其臨近斷面水位變化值與丁壩束窄度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式；李志勤等[7]通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了VOF模型對(duì)模擬丁壩影響范圍內(nèi)自由水面的可行性；周銀軍等[8]通過(guò)玻璃水槽動(dòng)床試驗(yàn)研究了樁柱式透水丁壩的水流特性；Yu等[9]通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究了不同類型丁壩的穩(wěn)定性；丁晶晶等[10]通過(guò)水槽試驗(yàn)將透水框架用于改進(jìn)丁壩壩頭，通過(guò)最優(yōu)透空率使透水壩頭控制壩頭局部沖刷，從而獲得最好防沖效果；鄭驚濤[11]通過(guò)水槽試驗(yàn)研究了透水框架壩在集魚效應(yīng)、提高魚類棲息適合度等方面的生態(tài)效應(yīng)；賀偉軍等[12]較為詳細(xì)地對(duì)透水丁壩的研究?jī)?nèi)容和方法進(jìn)行了介紹,推薦了透水丁壩在相關(guān)工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)以及未來(lái)的主要發(fā)展方向；劉煥芳等[13]通過(guò)模型試驗(yàn)結(jié)合能量方程，推導(dǎo)出了樁柱式透水丁壩的壅水高度經(jīng)驗(yàn)公式；李玉建等[14]通過(guò)推求單排井柱樁形式的透水丁壩上下游的流速公式與計(jì)算的塔里木河實(shí)際平均流速比較，從而驗(yàn)證了單排井柱樁形式的透水丁壩對(duì)水流的阻緩作用。以上學(xué)者及科研人員通過(guò)物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型等方法對(duì)丁壩周圍水面線等進(jìn)行了研究。模型試驗(yàn)的丁壩形式多為實(shí)體不透水丁壩，而長(zhǎng)江上游的航道整治措施中多采用拋石透水丁壩，對(duì)長(zhǎng)江上游梯形橫截面圓弧頭透水丁壩的水面研究甚少，考慮透水性對(duì)此類丁壩水面線的影響更是鮮見相關(guān)文獻(xiàn)。

本文通過(guò)水槽概化模型試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法，從流量、空隙率和空隙尺寸等因素出發(fā)研究不同工況下透水丁壩對(duì)水面線的影響規(guī)律，所得結(jié)果對(duì)選取透水丁壩空隙率和空隙尺寸以及更好地發(fā)揮透水丁壩在航道整治中的作用，具有一定參考價(jià)值。

1 模型試驗(yàn)

本試驗(yàn)在重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室30 m×2 m×1 m(長(zhǎng)×寬×高)的矩形玻璃水槽中進(jìn)行。由DCMS流量控制系統(tǒng)控制進(jìn)口流量，實(shí)時(shí)水位由UBL-2超聲波浪/水位采集分析儀跟蹤測(cè)讀，丁壩位置水深由水位測(cè)針讀取。水位測(cè)點(diǎn)及斷面布置見圖1。

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江上游丁壩尺寸的統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合試驗(yàn)水槽實(shí)際寬度，確定透水丁壩壩長(zhǎng)50 cm，壩高10.0 cm，壩頂寬7.5 cm，壩底寬42.5 cm，丁壩橫截面采用梯形斷面，壩頭采用圓弧直頭形式；丁壩迎水坡坡比為1∶1.5，背水坡坡比為1∶2.0(圖1)。試驗(yàn)中透水丁壩空隙為圓形，3種空隙直徑尺寸(R)分別為16，20和32 mm；流量(Q)采用65，95和135 L/s三級(jí)流量，分別對(duì)應(yīng)水深是H=11，14和17 cm；模型試驗(yàn)丁壩挑角為90°。通過(guò)組合不同空隙率(P=6.8%，P=10.6%，P=14.1%，P=17.4%，P=22.5%)、不同空隙尺寸(R=16 mm,R=20 mm,R=32 mm)和不同水流條件(Q=65 L/s(H=11 cm),Q=95 L/s(H=14 cm),Q=135 L/s(H=17 cm))，進(jìn)行了36組工況的試驗(yàn)。

圖1 丁壩橫斷面及水位測(cè)點(diǎn)分布(單位：cm)

2 縱向水面線分析

2.1 不同空隙率下縱向水面線變化

當(dāng)空隙尺寸為16 mm時(shí)，選取工況5(P=6.8%,R=16 mm,Q=95 L/s，H=14 cm)、工況11(P=14.1%,R=16 mm,Q=95 L/s,H=14 cm)、工況17(P=22.5%,R=16 mm,Q=95 L/s,H=14 cm)進(jìn)行研究，同時(shí)選取實(shí)體丁壩的工況2(P=0,R=0,Q=95 L/s,H=14 cm)作為參照，分別繪出2#,5#,8#縱斷面水面線進(jìn)行對(duì)比分析(圖2)。

當(dāng)空隙尺寸為20 mm時(shí)，選取工況20(P=6.8%,R=20 mm,Q=95 L/s,H=14 cm)、工況23(P=14.1%,R=20 mm,Q=95 L/s,H=14 cm)、工況26(P=22.5%,R=20 mm,Q=95 L/s,H=14 cm)進(jìn)行研究，同時(shí)選取實(shí)體丁壩的工況2作為參照，分別繪出2#,5#,8#縱斷面水面線進(jìn)行對(duì)比分析(圖2)。

圖2 不同空隙率條件下透水丁壩不同縱斷面水面線分布

空隙尺寸為32 mm時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果與空隙尺寸20 mm時(shí)類似。

對(duì)比分析以上幾組工況的縱向水面線可見，小空隙率時(shí)的工況5和大空隙率時(shí)的工況26，相比實(shí)體丁壩，在上游壅水效果基本一致情況下，對(duì)增加丁壩右岸束窄段水深、改善下游水深以及降低水面縱比降上，實(shí)際效果都更好。

圖2還表明，左岸丁壩處2#縱斷面，各個(gè)工況下丁壩處跌水均十分明顯，5#縱斷面的中間部分測(cè)點(diǎn)由于受到繞壩水流影響，在壩頭附近水深出現(xiàn)較大波動(dòng)，8#縱斷面因距壩體相對(duì)較遠(yuǎn)一些，水深變化比5#縱斷面要平穩(wěn)些。

在相同流量、相同空隙尺寸和不同空隙率條件下，相比實(shí)體丁壩，透水丁壩在上游壅水效果變化不大情況下，對(duì)改善右岸束窄段水深、下游水深和降低縱比降等方面效果明顯。通過(guò)對(duì)比效果較好的幾組工況，小空隙率時(shí)透水丁壩的效果相對(duì)最佳，大空隙率時(shí)次之，中空隙率時(shí)效果要差一些。

由于在不同流量條件下，透水丁壩在水槽的水流形態(tài)整體呈現(xiàn)相近規(guī)律，在Q=65 L/s時(shí)，水深較淺剛剛淹沒(méi)丁壩，而Q=135 L/s時(shí)，由于流量和水深都較大，丁壩對(duì)水流的影響效果減弱，同時(shí)受篇幅所限，側(cè)重以Q=95 L/s為例，對(duì)透水丁壩周圍水面線進(jìn)行分析研究。

2.2 不同空隙尺寸條件下縱向水面線變化

空隙率6.8%時(shí)，選取工況5、工況20、工況29(P=6.8%,R=32 mm,Q=95 L/s,H=14 cm)，同時(shí)選取實(shí)體丁壩的工況2作為參照對(duì)比，分別繪出2#,5#,8#縱斷面水面線進(jìn)行對(duì)比分析(圖3)。

當(dāng)空隙率為14.1%時(shí)，選取工況11、工況23、工況32(P=14.1%，R=32 mm，Q=95 L/s，H=14 cm)，同時(shí)選取實(shí)體丁壩的工況2作為參照對(duì)比，分別繪制出在2#，5#，8#縱斷面的水面線進(jìn)行對(duì)比分析(圖3)。

從圖3可見，從靠近左岸丁壩處的2#斷面、壩頭附近的5#斷面和遠(yuǎn)離丁壩靠近右岸8#斷面不同斷面出發(fā)，受透水丁壩影響，左岸丁壩處的2#縱斷面的水面線跌水十分明顯；壩頭附近的5#縱斷面，受繞壩水流影響在壩頭附近水深出現(xiàn)上下較大波動(dòng)；8#縱斷面相對(duì)遠(yuǎn)離壩體，水深變化相比5#縱斷面要平穩(wěn)些，但由于受丁壩影響，整個(gè)右岸束窄段的水面線波動(dòng)還是比較大。

在相同流量、相同空隙率和不同空隙尺寸條件下，相比實(shí)體丁壩，透水丁壩在上游壅水效果變化不大情況下，對(duì)改善右岸束窄段水深、下游水深和降低縱比降方面效果明顯。通過(guò)對(duì)比效果較好的幾組工況，小空隙尺寸時(shí)的透水丁壩效果相對(duì)最佳，大空隙尺寸時(shí)次之，中空隙尺寸效果要差一些。

圖3 不同空隙尺寸條件下透水丁壩不同縱斷面水面線分布

3 橫向水面線分析

3.1 不同空隙率條件下橫向水面線變化

當(dāng)空隙尺寸為16 mm時(shí)，選取工況5、工況11、工況17，同時(shí)以實(shí)體丁壩的工況2作為參照，分別繪出2#，3#，4#和7#橫斷面水面線進(jìn)行對(duì)比分析(見圖4)。

圖4 不同空隙率條件下透水丁壩不同橫斷面水面線分布

對(duì)比以上幾組工況的橫向水面線，相比實(shí)體丁壩，透水丁壩在上游壅水效果變化不大情況下，在改善下游水深及降低橫比降等方面，實(shí)際影響效果都要優(yōu)于實(shí)體丁壩，其中工況5，即小空隙率下的透水丁壩在增加右岸束窄段水深和改善下游水深方面效果相對(duì)最佳。

同理，可得到空隙尺寸為20和32 mm時(shí)，不同工況下2#，3#，4#和7#橫斷面水面線，分析結(jié)果表明，在丁壩上游處2#橫斷面的左岸水位壅高明顯，橫向水面線總體呈現(xiàn)左岸高右岸低；在壩體軸線3#橫斷面由于受到壩體阻水作用的影響，出現(xiàn)明顯跌水，在壩頭附近水深降低十分明顯；水流過(guò)壩后，4#橫斷面的整體水面線呈現(xiàn)左岸低右岸高，壩后水深較淺；當(dāng)水流繼續(xù)往下游流動(dòng)一段距離，在遠(yuǎn)離丁壩的7#橫斷面水面線開始趨于平穩(wěn)，橫向水面差較小。

在相同流量、相同空隙尺寸和不同空隙率條件下，各工況在同一橫斷面上水面線變化也有比較明顯的差異，相比實(shí)體丁壩，透水丁壩在改善壩后水深和降低橫比降等方面效果較為明顯，同時(shí)明顯改變右岸束窄段的水深，水流過(guò)壩后的左岸水深普遍增加，在壅高上游水位、降低橫比降、增加右岸束窄段水深、改善下游水深等方面，其效果也較為顯著，通過(guò)對(duì)比效果較好的幾組工況，透水丁壩在小空隙率時(shí)的效果相對(duì)最佳，大空隙率時(shí)次之，中空隙率時(shí)效果要差一些。

3.2 不同空隙尺寸條件下橫向水面線變化分析

當(dāng)空隙率為6.8%時(shí)，選取工況5、工況20、工況29，同時(shí)以實(shí)體丁壩的工況2作為參照，分別繪出2#，3#，4#和7#橫斷面水面線進(jìn)行對(duì)比分析(見圖5)。

圖5 不同空隙尺寸條件下透水丁壩不同橫斷面水面線分布

同理，可得到空隙率為14.1%和22.5%時(shí)，2#，3#，4#和7#橫斷面的水面線。分析結(jié)果表明，丁壩上游處2#橫斷面的左岸水位壅高明顯，橫向水面線總體呈現(xiàn)左岸高右岸低；在壩體軸線3#橫斷面由于受到壩體的阻水作用影響，出現(xiàn)明顯跌水，在壩頭附近水位降低十分明顯；水流過(guò)壩后，在4#橫斷面的整體水面線呈現(xiàn)左岸低右岸高，壩后水深較淺；當(dāng)水流繼續(xù)往下游流動(dòng)一段距離，在遠(yuǎn)離丁壩7#橫斷面的水面線開始趨于平穩(wěn)，橫向水面差較小。

在相同流量、相同空隙率和不同空隙尺寸條件下，各工況在同一橫斷面上水面線變化也有比較明顯的差異，相比實(shí)體丁壩，透水丁壩在改善壩后水深和降低橫比降等方面效果較為明顯，同時(shí)明顯改變右岸束窄段的水深，普遍增加水流過(guò)壩后的左岸水深，在壅高上游水位、降低橫比降、增加右岸束窄段水深、改善下游水深等方面的效果較為明顯，通過(guò)對(duì)比效果較好的幾組工況，透水丁壩在小空隙尺寸時(shí)的效果相對(duì)最佳，大空隙尺寸時(shí)次之，中空隙尺寸效果要差一些。

分析出現(xiàn)以上水流現(xiàn)象的主要原因是：由于透水丁壩具有一定透水性，水流通過(guò)透水丁壩的空隙對(duì)下游水流進(jìn)行了有效補(bǔ)充，改善了壩后水深，同時(shí)減小了右岸主流區(qū)繞壩水流的流速，繞壩水流對(duì)壩后水量的補(bǔ)充減弱，從而增加了右岸水深；此外，由于透水丁壩的空隙條件有限，其本身的阻水緩流作用依舊明顯，相比實(shí)體丁壩，透水丁壩對(duì)上游的壅水效果相差不大，在過(guò)壩流、繞壩流和越壩流的聯(lián)合作用下，明顯改善了右岸束窄段和下游段的水深；由于透水丁壩在不同空隙率和不同空隙尺寸條件下的空隙數(shù)量和密度的分布不同，造成丁壩對(duì)水流阻力和流速的影響有所差異，因此對(duì)上下游水位的影響也有所不同。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用水槽概化模型試驗(yàn)，分析研究了不同空隙率和不同空隙尺寸等因素對(duì)透水丁壩周圍水面線的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 在同一流量、同一空隙尺寸和不同空隙率條件下，透水丁壩在壅高上游水位、降低橫縱比降、增加右岸束窄段水深、改善下游水深等方面要優(yōu)于實(shí)體丁壩，在小空隙率(即本試驗(yàn)所采用的空隙率6.8%)時(shí)其效果相對(duì)最佳，大空隙率時(shí)次之，中等空隙率時(shí)效果差一些。

(2) 在同一流量、同一空隙率和不同空隙尺寸條件下，透水丁壩在壅高上游水位、降低橫縱比降、增加右岸束窄段水深、改善下游水深等方面要優(yōu)于實(shí)體丁壩，在小空隙尺寸(即本試驗(yàn)所采用的空隙尺寸16 mm)時(shí)其效果相對(duì)最佳，大空隙尺寸時(shí)次之，中等空隙尺寸時(shí)效果差一些。

在其他影響因素相同的條件下，透水丁壩對(duì)其上游壅水、改善丁壩周圍水流流態(tài)、減輕丁壩水毀等具有積極作用。因?yàn)槭芟抻跁r(shí)間和場(chǎng)地等因素，只做了清水定床試驗(yàn)，下一步將補(bǔ)充動(dòng)床試驗(yàn)，從定量上給出相對(duì)最佳的透水丁壩空隙率和空隙尺寸。