動床丁壩壅水試驗(yàn)研究

1、動床丁壩壅水試驗(yàn)研究-工程設(shè)計動床丁壩壅水試驗(yàn)研究摘要：定床條件下丁壩的壅水研究成果已經(jīng)很多， 而動床條件下 丁壩壅水鮮有報導(dǎo)。本研究利用水梢試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合， 在定床 方面，討論了丁壩挑角對壅水的影響；在動床方面，提出了補(bǔ)償流量 的概念，結(jié)合定床壅水公式，給出動床淹沒群壩壅水計算方法，計算 結(jié)果與水梢實(shí)測資料相符。關(guān)鍵詞：阻擋流量，補(bǔ)償流量,局部水頭損失，壅水1前言丁壩以其造價低廉、施工簡單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航道整治、防 洪護(hù)岸等工程中。修建丁壩后，束窄了原有河床，改變了水流條件， 增加了局部水頭損失，從而引起丁壩上游水面壅高，給河道行洪帶來 負(fù)面的影響。對于淹沒丁壩的壅水許多學(xué)者進(jìn)行了

2、不少相關(guān)的研究， 研究內(nèi)容多是從阻力的角度來建立局部水頭損失系數(shù)與流量壓縮比 的關(guān)系，進(jìn)而得出壅水。以往對丁壩上游壅水的研究多限于定床情況， 而實(shí)際河道當(dāng)中放置丁壩后河床會受到?jīng)_刷， 過水?dāng)嗝婷娣e得到一定 補(bǔ)償，丁壩引起的壅水也會相應(yīng)減小。動床丁壩壅水特別是洪水位的 壅高對工程有實(shí)際的指導(dǎo)意義，這關(guān)系到河道的行洪能力和防洪安 全，因此有必要對此開展研究。2淹沒丁壩壅水理論分析2.1定床壅水計算1、阻擋流量丁壩上游壅水的根本原因，在于丁壩的不透水性，使對水流起阻 擋和壓縮作用。這樣，原來可以通過丁壩壩體的那部分水流必須繞過 壩體從壩頂溢過或從壩頭以外至對岸流過。為此，通常定義，由于丁 壩阻擋原水

3、流使之繞過壩體通過的那部分流量為阻擋流量。對于矩形河梢，布設(shè)丁壩時假定流速沿河梢寬度分布均勻，而流 速沿水深的分布假定符合指數(shù)分布規(guī)律即式（1）:式中u為距床面距離為y處的流速，U0為垂線平均流速，m為 指數(shù)，H0為原水深。根據(jù)以往的研究，可取 m=6,因此阻擋流量有 如下表達(dá)式4式中L為壩長，D為壩高。此公式僅適用于單壩情況。同時引入丁壩對水流的阻擋和壓縮程度的參數(shù)-流量壓縮比 刀=,其中Q為河梢總流量。2、壅水計算方法2如圖所示，I - I為丁壩上游最大壅水?dāng)嗝?，無丁壩和有丁壩時 的水深分別為hl、h1+&流速分別為V1及V1 + "。H-II斷面取 在丁壩下游水位不變處

4、，且有、無丁壩時的水深為h2,流速為V2。能量方程式（4）、（5）相減，化簡后得到（6）由試驗(yàn)資料即可確定局部水頭損失，亦可以表示成式（7）形 式，其中為局部水頭損失系數(shù)已有的研究成果1表明，單壩局部水頭損失系數(shù)是流量壓縮比 刀密函數(shù),上述式（4） （6）是對于丁壩局部水頭損失與壅水關(guān)系的推導(dǎo)。淹沒單壩的局部水頭損失可以通過式（8）和（7）求得，淹沒多丁壩 的局部水頭損失的影響因素比淹沒單丁壩復(fù)雜，一般來說，其局部水頭損失不能視為同一條件下各單丁壩水頭損失系數(shù)的簡單疊加，因?yàn)槎稳褐g的間距遠(yuǎn)較單個丁壩對水流的影響范圍小。應(yīng)強(qiáng)等人67 認(rèn)為，對通常所稱的雙丁壩情況而言，其中的下游丁壩可視為在已

5、建 上游丁壩的條件下的單丁壩水流問題； 對通常所稱的三丁壩而言，下 游丁壩也可以看做是在已建上游雙丁壩條件下的單丁壩水流問題；四丁壩及諸如對口 丁壩等其他情況， 也可以做類似分析。因此群壩的局 部水頭損失可以認(rèn)為其中Qbi為第i壩阻擋流量?？梢?，如果已知各丁壩的阻擋流量， 通過式（7）和（8）就可以求出群壩的局部水頭損失，再通過式（6） 可求出壅水值。2.2動床壅水理論計算方法1、補(bǔ)償流量不同于定床，在動床情況下，建壩后床面不斷沖刷、調(diào)整，壩頭 形成局部沖刷坑，同時床面也發(fā)生普遍沖刷，這就使得過水?dāng)嗝婷娣e 得到一定增加，削弱了丁壩的阻水效果，起到一定的補(bǔ)償作用。與阻 擋流量的概念類似，這里引入

6、補(bǔ)償流量的概念：即河道中設(shè)置丁壩后 河床受到?jīng)_刷，使得丁壩所在斷面過流面積增加， 通過增加面積的那 部分流量稱為補(bǔ)償流量，記為。由建壩前后斷面流量和輸沙量相等作 為基本條件可知，河床被丁壩縮窄后由于沖刷所增加的面積應(yīng)小于原來被丁壩縮窄的面積3。另外，考慮補(bǔ)償流量后的流量壓縮比為不二（Qb-Qc）/Q。補(bǔ)償流量的計算方法與丁壩阻擋流量的計算方法類似， 只是在計算時近似的將增加的那部分過水面積平均到丁壩斷面上，B為河梢寬度，可以得出：式中Dc為丁壩斷面B1上平均沖刷深度。此公式僅適用于單壩 情況。2、壅水計算方法動床條件下考慮補(bǔ)償流量后，單丁壩局部水頭損失系數(shù)可表示 為：淹沒單壩的局部水頭損失可以

7、通過式（11）和（7）求得。對于 群壩，同樣，下游壩流量的補(bǔ)償可以看成上游已建壩情況下的單壩水 流泥沙問題。比如對于雙壩情況，已有定床單壩實(shí)測流速分布及動床 下游壩丁壩斷面B1上的平均沖深Dc,補(bǔ)償流量可以通過流速在 Dc 范圍內(nèi)的積分求得，三丁壩、四丁壩及諸如對口丁壩等其他情況，也 可以做類似分析。在計算動床條件下群壩總的局部損失時， 仍可根據(jù) 阻力疊加原理，認(rèn)為其為各壩水頭損失的疊加：其中Qbi為第i壩阻擋流量，其中Qci為第i壩補(bǔ)償流量?？梢?已知了丁壩的阻擋流量及補(bǔ)償流量通過式（11）和（12）可以求出群 壩的局部水頭損失，再由式（6）即可求出壅水。3試驗(yàn)研究試驗(yàn)?zāi)康模禾接懚ù槽账碚?/p>

8、在本水梢中適用性； 探討定床F丁壩挑角對壅水的影響；探討動床壅水試驗(yàn)在寬4m,長35m的混凝土寬水梢中進(jìn)行，水梢底坡Jb=0.0004,糙率為0.01020.0126。在實(shí)驗(yàn)區(qū)布置九把電子水尺來觀 測沿程水位的變化，流速的測量采用微型螺旋槳測速儀， 地形的測量 采用了最新的超聲地形自動測量儀。水梢的上游由矩形薄壁堰控制流 量，下游尾門控制水位。本水梢實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸呒斑x沙均以西、 北江為例進(jìn)行概化。試驗(yàn)采 用兩種長度的實(shí)體木丁壩，丁壩參數(shù)如表 1。選用=1.13t/m3, d50=0.29mm的木屑作為模型沙。四種工況如表 2所示。表1丁壩參數(shù)表表2工況條件4試驗(yàn)結(jié)果分析4.1 定床壅水理論圖4為

9、淹沒單壩t；Qb/Q關(guān)系，與已有成果式（8）吻合較好。 采用應(yīng)強(qiáng)公式6得出阻擋流量計算值，再通過上述式（9）和（6） 得出壅水計算值。圖5、圖6表明淹沒群壩阻擋流量及壅水計算值與 水梢實(shí)測值吻合較好。圖4淹沒單壩SQb/C關(guān)系圖5淹沒群壩阻擋流量計算值與實(shí)測值比較（cm3/s）圖6淹沒 群壩壅水計算值與實(shí)測值比較（cm）4.2 定床條件下丁壩挑角（120°、90°及60°）對上游壅水的影響 圖7三長壩正挑、上挑及下挑工Qb/Q關(guān)系如圖7,給出了三長壩兩倍間距不同挑角下t；Qb/Q關(guān)系，從以上的圖可以看出局部水頭損失系數(shù)上挑丁壩最大，下挑丁壩最小，正 挑介于二者之間

10、。在流量壓縮比 Qb/Q較小的時候，三種情況下局部 水頭損失系數(shù)相差不大，隨著流量壓縮比逐漸的增大，丁壩挑角對局 部水頭損失系數(shù)的影響愈加明顯。以西、北江為例，枯水時，丁壩的局部水頭損失系數(shù)亦即壅水上挑比正挑要大25%,下挑比正挑要小23%,上挑及下挑丁壩的過流能力有增減；在洪水及大洪水，上挑下 挑正挑丁壩的局部水頭損失趨于相同，可認(rèn)為丁壩挑角對行洪能力影 響不大。4.3 動床壅水1、補(bǔ)償流量表3補(bǔ)償流量及流量壓縮比注：工況為中水，b=100cm,S=1b（b壩長，S壩間距）如表3,從本水梢試驗(yàn)結(jié)果可以看出補(bǔ)償流量均小于阻擋流量，即0小1,補(bǔ)償流量從上游到下游逐漸減??；流量壓縮比與定床相比均減

11、小，首壩的流量壓縮比依然保持最大，與定床時呈現(xiàn)相似的 規(guī)律。2、壅水值比較表4壅水值比較注：S=1b表4給出了三種水位下，單壩及四壩的動床、定床實(shí)測值及動床 計算值。比較動床壅水計算值及實(shí)測值，吻合較好。上述壅水計算中采用 的是實(shí)測補(bǔ)償流量，在實(shí)際的應(yīng)用需要計算出補(bǔ)償流量， 計算時床面 沖刷要考慮兩部分，一部分為壩頭局部沖刷，另一種為普遍沖刷。比較動床及定床壅水實(shí)測值，動床情況下，河床受到?jīng)_刷，過水 面積增加，丁壩阻擋的流量得到補(bǔ)償，壅水高度均小于定床。隨著流 量的加大，丁壩阻水作用減弱，壅水逐漸減小，壅水遠(yuǎn)小于定床情況， 單壩、群壩均呈現(xiàn)相同的規(guī)律。在各個方案的最大流量中，動床壅水 還不及定

12、床的15%。上述已提及本水梢試驗(yàn)設(shè)計選擇了西、 北江進(jìn)行概化，四長壩大 洪水(Q=165.6L/s)模型最大壅水高度為0.006cm左右，按照模型相似 比尺還原到原型，最大壅水高度也僅為 0.6cm。以上說明洪水時丁壩 的阻水作用已很微弱，丁壩難以抬高水位，對河道內(nèi)的防洪水位影響 甚微。5結(jié)論及建議(1)枯水時，丁壩挑角對河道過流能力有影響；洪水時，丁壩 挑角對河道行洪能力幾乎無影響。(2)提出了補(bǔ)償流量的概念，應(yīng)用到淹沒群壩動床壅水計算， 計算數(shù)據(jù)與水梢實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好。(3)通常條件下，航道整治工程對行洪能力影響甚微。(4)本概化模型試驗(yàn)在矩形直立邊壁水梢中進(jìn)行，而實(shí)際的天 然河岸多為緩坡，因此河岸坡度對丁壩壅水的影響有待于進(jìn)一步的研 究。(5)本文從補(bǔ)償流量的角度初步探討動床壅水計算，提供了新 的研究思路，至于應(yīng)用到實(shí)際的天然河流中要有待于進(jìn)一步的檢驗(yàn)。參考文獻(xiàn):1孔祥柏等.丁壩對水流的影響實(shí)驗(yàn)J.水利水運(yùn)科學(xué)研 究,1983,(2):36-77.2李國斌.淹沒丁壩水流試驗(yàn)及三維數(shù)值計算D.南京:南京水利 科學(xué)研究院研究生論文,1989.3趙連白.淹沒丁壩群水力計算的試