不同水力条件下河道三角形丁坝冲淤特征的研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（上）-122-生 态 与 环 境 工 程丁坝是应用广泛的河道建筑物，主要作用为保护河岸不受来流冲蚀而导致河堤损坏，同时在改善航道，维护河相方面发挥重大作用。为防止修筑的丁坝在水流作用下产生破坏，学者们进行了多方面研究，钱盛杰等1对涌潮作用下弯道丁坝局部冲刷试验进行了研究，研究结果表明：在涌潮作用下，位于弯道的丁坝局部冲刷坑比直道段深0.402.50m。刘丹丹等2通过水流冲刷试验，研究了不同丁坝间距下的水流特性，研究结果表明：随着丁坝间距的缩短，坝下游水位下降变缓。李文勇3对不同透水状况下丁坝水力特性进行了研究，研究结果表明：不透水丁坝的分离角、最大冲刷深度、冲刷面积均大于透水丁坝。以上学者对丁坝的局部冲淤特征进行了研究，对丁坝间的水力特性进行了分析，本文参考以上研究结论，通过模拟河道试验，根据河道矩形和三角形丁坝周围的冲刷形态，在不同水力条件下，对丁坝的冲淤特征进行了研究，对河道的冲刷深度、冲刷孔体积变化及泥沙沉积变化进行了分析。1 试验材料与方法1.1 试验材料通过矩形直水槽试验（图 1），对三角形和矩形丁坝冲刷沉积规律进行研究。水槽侧壁采用树脂玻璃，设置玻璃的厚度为 10cm，水槽的尺寸为 730cm75cm（长度 宽度）。在水槽末端设置尾门，通过调节尾门的高度来控制水槽内水流深度，在水槽出水口设置储水池，从储水池中流出的水流经过测量井，通过测量井可测量水槽内水流流量。水槽截面图如图 1（a）所示。在水槽底部，均匀覆盖直径为0.5mm0.8mm 的泥沙。本次试验采用 8mm 的透明玻璃制备矩形丁坝和三角形丁坝，在试验过程中确定矩形丁坝和三角形丁坝的冲刷模式及冲淤特征。将制备完成的丁坝以4个为一组安装在水槽壁上，与水槽壁垂直。丁坝的有效长度和间距分别为水槽宽度的 20%（Le=0.15m）和丁坝有效长度的3 倍（Sl=0.45m）。所有试验均采用非淹没矩形丁坝，三角形丁坝倾斜在水槽壁和水槽床间，水槽壁上的丁坝顶部与水面在同一水平面。当弗劳德数（Fr）分别为 0.185、0.205、0.225 和 0.245 时，水流流量分别为 0.019m/s、0.021m/s、0.023m/s 和 0.025m/s，控制水槽内水深为 0.15m。在清水条件下进行试验，试验时间都设定为 150min，每次试验结束后，排干床层，使用激光测距仪（精度为 0.001m）测量床层地形。为研究单三角丁坝周围的流态，并与单矩形丁坝周围的流态进行比较，采用长 10m、宽 0.8m 的矩形截面直水槽。在试验中，单个三角形和矩形丁坝的有效长度为水槽宽度的20%（Le=16cm），丁坝与水槽壁成 90（与水流方向垂直）。所有试验均采用电磁测速仪（精度为 2%或 0.5cm/s）测量三维速度分量。为消除水流中移动的沉积颗粒造成的干扰，两种试验中使用的水槽床均没有沉积物。1.2 试验方法在单矩形丁坝试验中，测量了 0.25m、0.45m、0.65m、0.72m、0.82m、0.90m、1m、1.15m、1.35m、1.75m、1.95m和 2.55m 断面的三维速度分量。在 0.72m 横截面处加设单矩形丁坝。在每个横截面上，距离墙水槽 0.06m、0.16m、0.26m、0.36m、0.46m、0.56m、0.66m 和 0.76m 处选择 15条垂直线。在水槽床上方 0.04m、0.08m、0.12m 和 0.15m处测量水流三维速度分量，根据设置的刻度位置，每个截面须记录约 40 个速度数据。而设置在丁坝附近的截面上，选择相对较密的间距。因此，在靠近丁坝的横截面处采集的数据较多。在单三角丁坝试验中，测量了 0m、0.25m、0.45m、0.65m、0.72m、0.82m、0.90m、1m、1.15m、1.35m、1.55m、1.75m、1.95m、2.25m 和 2.55m 截面上的三维速度分量。并且将三角形棱堤设置在 0.72m 的横截面处。其他设置与单个矩形丁坝的设置类似，为测量每个横截面的三维速度分量，设置约 15 条竖线（间距为 0.05m）。同时在每个横截面上，在水槽床上方 0.04m、0.08m、0.12m 和 0.15m 处测量每条垂直线上的三维速度分量。2 试验结果与分析2.1 河道最大冲刷深度变化在控制河岸侵蚀的构筑物周围经常发生冲刷情况。冲刷孔大小和范围受多个因素的影响，包括水力条件、沉积不同水力条件下河道三角形丁坝冲淤特征的研究谢可飞（河北省沧州水文勘测研究中心，河北 沧州 061000）摘 要：为了防止河道丁坝前端在水流作用下，冲刷孔扩大导致结构破坏，本文在不同水力条件下，对河道三角形丁坝的冲淤特征进行了研究，结果表明：水流流动对三角形丁坝的影响较小，三角形丁坝的最大冲刷深度小于矩形丁坝；三角形丁坝表面积较小，水流冲击较小，其冲刷孔体积小于矩形丁坝冲刷孔体积。3）在水流作用下，三角丁坝侵蚀产生的沉积物纵向沉积在河道附近，而矩形丁坝则沉积在丁坝尖端，矩形丁坝沉积物的横向发展大于三角形丁坝，且三角丁坝的最大沉积小于矩形丁坝。关键词：水槽试验；三角形丁坝；矩形丁坝；冲刷深度；泥沙沉积中图分类号：TV87 文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.4（上）-123-生 态 与 环 境 工 程物和结构的几何形状。冲刷孔过大会使结构倾覆和破坏，从而导致河岸破坏。因此，研究影响冲刷孔深度和体积的因素十分重要。根据不同试验可得横向最大冲刷剖面，不同试验下最大冲刷深度的变化情况显示：三角形丁坝的最大冲刷深度小于矩形丁坝。在三角形丁坝中，矩形丁坝的表面积大，与水接触的面积也大，因此，当水流流动时，水流对矩形丁坝的作用相对明显，对三角形丁坝的影响较小，因此，三角形丁坝因水流作用在丁坝附近形成漩涡。在三角形丁坝（流型剖面）附近，流速增加引起的河床剪应力（由于流动截面变窄）小于矩形丁坝（流型剖面）。当 Fr为 0.185、0.205、0.225 和 0.245 时，三角形坝的最大冲刷深度分别比矩形坝小 66.8%、51.3%、43.9%和 21.8%。由于马蹄涡强度增加，水流速度和床层剪应力也相应增加，Fr会使最大冲刷深度增加。因此，Fr=0.185 和 Fr=0.245 分别对应最小和最大冲刷深度。表 1 为不同试验得到的结果。与矩形丁坝相比，计算三角形丁坝最大冲刷深度（SDI）减少的百分比如公式（1）所示。SDI=（ds/dsR）100 （1）式中：dsR为矩形丁坝最大冲刷深度，cm；ds 为三角形丁坝与矩形丁坝最大冲刷深度之差，cm。2.2 河道冲刷孔体积变化不同试验中冲刷孔体积随弗劳德数的变化如图2所示。图中纵轴为冲刷孔体积与流动深度三次幂的无因次比（V/h）。由图可知，三角形丁坝冲刷孔体积小于矩形丁坝冲刷孔体积，说明当三角形丁坝表面积较小时，水流对三角形丁坝的冲击较小，因此，水流在三角形丁坝附近的速度较低。当 Fr为0.185、0.205、0.225 和 0.245 时，矩形丁坝和丁坝冲刷孔体积分别为 0.55、1.02、1.56 和 1.60 倍，三角形丁坝流深三次幂分别为 0.11、0.19、0.60 和 0.73 倍。当 Fr为 0.185、0.205、0.225和 0.245 时，与矩形丁坝相比，三角形丁坝冲刷孔体积分别缩小 80%、81.3%、61.5%和 54.3%。图 2 冲刷孔体积随 Fr的变化冲刷孔体积与流动深度比(（V/h3）0.1850.185三角形丁坝 矩形丁坝0.2050.2050.2250.2250.2450.245弗劳德数（Fr）2.01.61.20.80.40.02.01.61.20.80.40.0结果表明，由于形成了更强的涡旋以及更大的流速和床层剪应力，因此冲刷孔体积随着 Fr增加而变大。最小和最大冲刷孔体积分别在 Fr为 0.185 和 0.245 处获得，各试验的V/h 值见表 1。图 1 试验水槽和丁坝截面示意图（a）试验水槽（b）矩形丁坝（c）三角形丁坝丁坝问距S1丁坝长度Le丁坝长度Le丁坝长度Le0.75m水深h水深h7.3m0.8m0.8m水流方向水位线水位线进水口 水池三角形 丁坝出水口 水池矩形 丁坝表 1 河道中矩形丁坝和三角形丁坝的试验结果丁坝类型Frds（m）ds/hV/hhs/hSDI（%）矩形0.1850.0590.390.550.2800.2050.0790.531.020.4100.2250.0950.631.560.5000.2450.1050.701.600.510三角形0.1850.0210.140.110.0866.80.2050.040.270.190.1551.30.2250.0550.370.600.2543.90.2450.0830.550.730.2921.8中国新技术新产品2024 NO.4（上）-124-生 态 与 环 境 工 程2.3 泥沙沉积变化水流对河岸上建筑物周围的冲刷，会对该建筑物以及河岸的稳定和安全造成严重威胁，而建筑物下游的泥沙沉积是河岸的稳定以及新河岸的形成和发展的优势。在水流作用下，不同的丁坝形状将在丁坝产生不同的流动模式，而河流挟带的悬浮物可能沉积在河床和丁坝的下游，从而形成新的丁坝，可以将河岸与沉积物间的距离作为确定创建新河岸方面的合适标准。而水流的流速、流量的变化以及丁坝的形状和规格均会对新的丁坝产生影响。因此，对三角形和矩形丁坝形成的沉积及其影响因素进行研究是十分重要的。根据试验结果，当三角形丁坝受到水流侵蚀时，丁坝因侵蚀产生的沉积物，在水流作用下纵向沉积在水槽壁附近，而矩形丁坝的侵蚀与三角形丁坝的情况相反，在水流作用下，大部分的沉积物沉积在矩形丁坝的尖端，包括矩形丁坝的下游部分区域。河岸附近的纵向沉积是最重要的，在这个过程中，侵蚀孔被填满，新的河岸形成（特别是在曲流的外岸），矩形丁坝沉积物的横向发展大于三角形丁坝。图 3 为不同试验中沉积高度与水槽壁距离的变化情况。纵轴和横轴分别为无量纲距离比（即最大沉积从水槽壁到通道宽度的距离）和弗劳德数。与三角形丁坝相比，矩形丁坝的最大沉积距离水槽壁较远，由此可知，在水流冲刷作用下，三角形丁坝用沉积在河道底部的沉积物填充了因水流侵蚀面产生的侵蚀孔，减少了河岸侵蚀，同时形成新的河岸（特别是曲流的外河岸）。经过计算，当 Fr为 0.185、0.205、0.225 和 0.245 时，与矩形丁坝相比，三角形丁坝的最大沉积与水槽壁的距离明显缩短，分别缩短了 20%、46.7%、60%、100%。在三角形和矩形丁坝中，随着 Fr增加，最大沉积发生在靠近水槽壁的地方。图4为不同试验中沉积高度随弗劳德数的变化。纵轴为无因次比 hs/h（最大沉积与流动深度）。在试验过程中，随弗劳德数的变化，水槽底部的最大沉积也随之变化，结果表明，三角丁坝的最大沉积小于矩形丁坝，三角丁堤的最大沉积小于矩形丁堤，当 Fr为 0.185、0.205、0.225 和 0.245 时，与矩形丁坝相比，三角形丁坝的最大沉积分别减少了 70%、62%、49.3%和 41%。在两种丁坝类型中，Fr增加均会导致最大沉积增加。最小和最大沉积分别发生在 Fr=0.185 和 0.245。增加 Fr会使冲刷增加和侵蚀产生的泥沙体积变大，从而导致泥沙沉积增加，进而产生更大的点坝。3 结论本文模拟河道试验，根据河道矩形和三角形丁坝周围的冲刷形态，在不同水力条件下，对丁坝的冲淤特征进行了研究，对河道的冲刷深度、冲刷孔体积变化及泥沙沉积变化进行了分析，可得出以下结论。1）三角形丁坝与水流接触的表面积比矩形丁坝小，水流流动对三角形丁坝的影响较小。在三角形丁坝附近，流速增加引起的河床剪应力小于矩形丁坝，当 Fr为 0.185 时河道冲刷深度最小，当 Fr为 0.245 时河道冲刷深度最大。2）在三角形和矩形丁坝中，冲刷孔体积随着 Fr增加而变大。当 Fr为 0.185 时冲刷孔体积最小，当Fr为 0.245 时冲刷孔体积最大，且三角形丁坝冲刷孔体积小于矩形丁坝冲刷孔体积。3）在三角形和矩形丁坝中，随着Fr增加，最大沉积发生在靠近水槽壁的地方。当 Fr为 0.185时最大沉积与水槽壁距离最近，当 Fr为 0.245 时最大沉积与水槽壁距离最远，与三角形丁坝相比，矩形丁坝的最大沉积离水槽壁更远。参考文献1 钱盛杰，陈刚，金新，等.涌潮作用下弯道丁坝局部冲刷试验研究 J.浙江水利科技，2022，50（6）：32-35，41.2 刘丹丹，吕阳川，杨雄.不同丁坝间距对水流特性的影响研究 J.宁夏工程技术，2023，22（2）：128-133.3 李文勇.不同透水状况下丁坝水力特性的研究 J.大坝与安全，2023（2）：13-18.图 3 沉积高度离水槽壁距离的变化图 4 沉积高度随 Fr的变化0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.00.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0最大沉积高度与流动深度比（hs/h）沉积高度与到水槽壁距离比(（S2/B）0.1850.1850.1850.185三角形丁坝 矩形丁坝三角形丁坝 矩形丁坝0.2050.2050.2050.2050.2250.2250.2250.2250.2450.2450.2450.245弗劳德数（Fr）弗劳德数（Fr）0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.000.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00