臺階式丁壩水動力特性及防沖效應

丁晶晶，陸 彥，陸永軍

(南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210029)

丁壩是一種常見的航道整治建筑物，在改善航道條件、保護岸灘以及保持水生環境多樣性等方面發揮著重要作用。而另一方面，丁壩壩頭床面往往由于壩頭復雜的水流動力而形成局部沖刷坑，降低了壩體的穩定性，容易誘發丁壩水毀。為此，很多學者在丁壩壩頭局部沖刷的形成機理方面做了大量研究[1-6]，這些研究普遍認為，壩頭的水流結構主要包括壩頭集中繞流、下潛流及壩頭后方豎軸漩渦，三者的綜合作用是產生壩頭局部沖刷而導致丁壩水毀的主要動力。據此，人們采取了各種各樣的措施來控制壩頭局部沖刷坑的發展，這些措施或減弱丁壩附近水流動力，如合理設置丁壩壩長、壩高、間距、挑角等，以盡量平順壩頭水流[7-8]；或提高壩頭附近床面的抗沖性，如壩頭采用拋石、拋異形塊或混凝土鉸鏈排等墊層護底[9-10]；或兩者結合，如采用四面體透水框架護腳，兼具減速和防沖兩方面的功能效果[11]。此外，為防治丁壩水毀，很多新型的丁壩結構形式也得到了相應研究，如W.S.J.Uijttewaal[12]提出了下部為常規丁壩，上部為透水樁壩的組合式丁壩；周銀軍等[13]研究了樁式透水丁壩水流及沖淤特性；王振等[14]研究了鉛絲籠丁壩附近的水流特性。

針對壩頭主要的水流動力，本文提出一種新型丁壩結構形式，即將傳統的順坡式壩頭設置成臺階式，以期利用各級臺階分散壩頭繞流，同時利用臺階臺面阻擋下潛流。本文通過定床和動床水槽試驗研究其改善壩頭水流條件，減小壩頭局部沖刷的效果。

1 臺階式丁壩周圍水動力特性研究

1.1 試驗設計

(a) 常規丁壩 (b) 三級臺階丁壩圖1 臺階式丁壩模型結構(單位： cm)Fig.1 Schematics of experimental spur dike models (unit: cm)

臺階式丁壩周圍的水動力特性研究主要通過定床試驗，在矩形變坡水槽中進行。水槽長42 m，寬0.8 m，深0.8 m，坡度可調范圍為1/400～1/60。水槽通過時差式超聲波流量計控制進口流量，通過尾門控制試驗水深，試驗中利用聲學多普勒流速儀(Acoustic Doppler Velocimeter)ADV分別測量丁壩周圍近底(距床面約3 mm)水流特征值。定床試驗采用的常規丁壩及臺階式丁壩均為木質，通過鉚釘安裝于水槽底部，丁壩軸線與水流方向垂直。常規丁壩模型壩高10 cm，壩身長20 cm，丁壩上、下游邊坡相同，均為2:1，壩頭坡度為1:1。臺階式丁壩與常規丁壩尺寸基本相同，唯一區別在于壩頭是否設置臺階。為使丁壩擋水效果盡量接近，臺階式丁壩結構尺寸根據其擋水面積與常規丁壩擋水面積相等而確定。試驗丁壩結構形式及尺寸如圖1。定床水動力試驗考慮非淹沒及淹沒2種水流條件下的比較，兩種水流條件分別為Q=12 L/s，H=10 cm和Q=24 L/s，H=20 cm。

1.2 試驗結果及分析

1.2.1時均流速分布 臺階式壩頭通過各級臺階逐級分散壩頭的集中繞流，各級臺階形成的集中繞流相互錯開，使得上一級臺階的繞流無法與下級臺階產生的繞流產生疊加作用，這樣的逐級分散集中繞流，使得最下一級臺階產生的集中繞流得到很大程度的緩解。圖2給出了2級流量下時均流速Umag的分布。通過對比分析，常規丁壩和臺階丁壩形式壩頭均存在集中繞流，而無論是淹沒還是非淹沒狀態下，臺階式丁壩壩頭近底流速均有大幅減小，并且由于臺階臺面的挑流作用，最大流速區向下游推移，有遠離壩頭的趨勢。

(a) 常規丁壩(Q=12 L/s，H=10 cm) (b) 臺階式丁壩(Q=12 L/s，H=10 cm)

(c) 常規丁壩(Q=24 L/s，H=20 cm) (d) 臺階式丁壩(Q=24 L/s，H=20 cm)圖2 時均流速Umag的分布(單位：cm/s)Fig.2 Contours of mean velocity (unit：cm/s)

1.2.2壩頭下潛流 圖3為壩頭周圍下潛流分布。從圖中可見，臺階平臺對下潛流起著逐級阻擋的作用；與常規丁壩相比，至床面時下潛流流速已顯著減小。另外，從圖4丁壩斷面流速矢量圖中可見，與常規丁壩相比，臺階式下潛流角度相對要緩得多，避免了壩頭下潛流直接沖擊床面，對減小局部沖刷坑深度有利。

(a) 常規丁壩(Q=12 L/s，H=10 cm) (b) 臺階式丁壩(Q=12 L/s，H=10 cm)

(c) 常規丁壩(Q=24 L/s，H=20 cm) (d) 臺階式丁壩(Q=24 L/s，H=20 cm)圖3 壩頭下潛流分布(單位： cm/s)Fig.3 Contours of down-flow (unit： cm/s)

1.2.3壩頭渦量強度分布 ADV無法直接測得漩渦的大小，可以利用渦量強度的分布來表示壩頭脫離渦的強弱。渦量強度是用來描述流體旋轉的物理量，其方向符合右手法則，平面渦量強度根據ADV實測的平均流速由式(1)計算：

(1)

式中：Ω為平面渦量強度；ω為旋轉角速度；u，v為分別為ADV實測的縱向和橫向的時均流速，△x，△y分別縱向和橫向的測點間距。

圖5為丁壩周圍渦量強度的分布。從圖中可見，臺階式壩頭的渦量強度均有一定程度的減小，強渦量范圍也相應減小。具體表現為：一方面由于臺階式壩頭集中繞流有一定的減弱，壩頭流速梯度相應減小，消弱了壩頭漩渦產生的條件；另一方面，水流在上一級臺階分離產生的渦流與在下一級臺階產生的渦流相互錯開，且脫離渦旋轉方向相同，在兩渦之間交界面上旋轉速度相反，在一定程度上相互抵消，相應地也減弱了脫離渦的渦量強度。

(a) 常規丁壩(Q=12 L/s，H=10 cm) (b) 臺階式丁壩(Q=12 L/s，H=10 cm)

(c) 常規丁壩(Q=24 L/s，H=20 cm) (d) 臺階式丁壩(Q=24 L/s，H=20 cm)圖5 渦量強度分布(單位： s-1)Fig.5 Contours of vorticity (unit： s-1)

2 臺階式壩頭沖淤特性

從臺階丁壩水動力特性試驗來看，臺階式丁壩有利于減弱近壩頭區的水動力強度，并使得最大紊動強度區相應外移，這些都有利于壩頭穩定。動床試驗主要目的是驗證臺階壩頭減小局部沖刷的效果，并研究臺階尺度對減小沖刷效果的影響。

2.1 試驗設計

動床試驗在平坡水槽中進行，水槽長60 m，寬4 m，深0.5 m。平坡水槽試驗流量通過進口處矩形薄壁堰控制，試驗水深通過尾門控制；動床試驗段位于水槽中段，長約10 m，鋪沙厚度0.3 m；在下游近尾門處設置沉沙池，防止模型沙隨水流進入水庫。

常規丁壩模型高約6 cm，長1 m，迎水坡1:1.5，背水坡1:2，壩頭坡比1:5；臺階式丁壩模型尺寸參數與常規丁壩模型類似，不同在于壩頭是否設置臺階。模型沙采用均勻木屑，d50=0.11 mm，ρ=1.13 t/m3，不均勻系數σ=1.05。另外在相同水流條件下，壩頭沖刷與過流斷面的束窄程度有關，試驗中使臺階式丁壩與常規丁壩具有相同的擋水面積，近似地認為其束水程度相同。試驗方案的選擇主要考慮臺階式丁壩的臺階級數、寬度及壩身是否設置臺階等對壩頭局部沖刷的影響。試驗中的地形測量采用清華大學尚水公司生產的超聲地形自動測量系統，測量精度±1 mm。為簡化起見，臺階壩頭每一級的高度將按級數平均分配。各組次的試驗條件見表1。

表1 試驗組次和試驗條件Tab.1 Experimental conditions

試驗流量同樣考慮非淹沒和淹沒兩種組次，分別為Q=26.81 L/s，H=6 cm和Q=81.0 L/s，H=10.2 cm。試驗中，通過超聲波地形儀量測局部沖刷坑深度，當沖刷坑深度基本不再變化時，試驗即停止。

2.2 試驗結果及分析

2.2.1沖淤特性 組次A0為常規丁壩，不管淹沒或非淹沒條件下，實體丁壩壩頭都形成了較大的局部沖刷坑，非淹沒工況時，沖刷坑最大深度為16 cm，淹沒條件下最大深度為24 cm，并且最大沖深處均緊貼壩頭，對壩頭的穩定不利(見圖6)。

(a) Q=26.81 L/s，H=6.0 cm (b) Q=81.0 L/s，H=10.2 cm圖6 A0組次，常規丁壩沖淤地形(單位： cm)Fig.6 Contours of local scour around the conventional spur dike in Case A0 (unit: cm)

不同規格的臺階式丁壩沖刷地形圖中可以看出，臺階的存在，對下潛流有很好的抑制作用，同時臺階臺面對壩頭繞流起到挑流作用。這兩種作用在沖刷地形上表現為，局部沖刷坑最大深度相應減小，最大沖刷坑位置也遠離壩頭，有利于壩體穩定。表2統計了各臺階丁壩壩頭的最大沖刷坑，臺階壩頭的設置可以使壩頭局部沖刷坑減小20%以上，最大能達到50%。

表2 各組次沖刷坑最大深度Tab.2 The maximum scour depth of every case

2.2.2壩頭臺階級數對沖刷坑的影響 為分析臺階式壩頭臺階級數對沖刷坑的影響，選擇A2(2級)和A3(3級)2個方案進行比較，這兩種方案壩高相同，且臺階寬度相同，均為5 cm。

圖7和8分別給出了2級和3級臺階時，沖刷完成后的地形等值線圖?？梢?，不管是2級還是3級臺階，壩頭沖刷坑深度均有很大程度的減小。臺階式壩頭主要作用是在逐級阻擋下潛流的同時，分級向外挑出每級壩頭的集中繞流。相對來說，級數越多，最底一級壩頭處床面所承受下潛流及集中繞流越小，同時，壩頭后方形成的脫離渦的動力也越弱，所以臺階級數越多的丁壩其減小局部沖刷的效果越好。在Q=26.81 L/s和Q=81.0 L/s條件下，2級臺階壩頭沖刷坑深度減小幅度分別達25%和20%，3級臺階壩頭的分別達25%和29%，3級臺階減小局部沖刷坑深度的效果要優于2級臺階壩頭；此外，從最大沖刷坑位置來看，與2級臺階壩頭相比，3級臺階壩頭處最大沖刷坑位置明顯外移，對穩定壩頭更有利。而2級臺階時，由于最底一級壩頭高度相對較大，壩頭處下潛流及集中繞流也相對較大，致使壩頭沖刷坑深度較深，位置也緊貼壩頭。

(a) Q=26.81 L/s，H=6.0 cm (b) Q=81.0 L/s，H=10.2 cm圖7 組次A2沖淤地形(單位： cm)Fig.7 Contours of local scour around the spur dike with stepped head in Case A2 (unit: cm)

(a) Q=26.81 L/s，H=6.0 cm (b) Q=81.0 L/s，H=10.2 cm圖8 組次A3沖淤地形(單位： cm)Fig.8 Contours of local scour around the spur dike with stepped head in Case A3 (unit: cm)

2.2.3壩頭臺階寬度對沖刷坑的影響 對比A1(圖9)和A2(圖7)組次，均為2級臺階，寬度分別為2和5 cm。臺階寬度越大，意味著對下潛流阻擋效果越好，隨著壩頭臺階寬度的增大，其最大沖刷坑深度相應減小，在Q=26.81 L/s和Q=81.0 L/s條件下，臺階寬度為2 cm壩頭沖刷坑深度減小分別達到19%和20%，5 cm寬度的臺階式壩頭局部沖刷坑減小分別達到25%和20%。此外，從圖中可見，較寬臺階臺面的挑流效果更好，最大沖刷坑深度相應外移，有利于壩體穩定。

(a) Q=26.81 L/s，H=6.0 cm (b) Q=81.0 L/s，H=10.2 cm圖9 組次A1沖淤地形(單位： cm)Fig.9 Contours of local scour around the spur dike with stepped head in Case A1 (unit: cm)

2.2.4壩身設置臺階對沖刷坑的影響 對比A3(圖8)和A4(圖10)兩試驗組次，均為3級臺階，且寬度均為5 cm，其中A4方案壩身下游側設置與壩頭同寬的臺階。

從圖10可見， A4組次即在壩身下游邊坡采用臺階式，沖刷坑深度明顯減小，在2級流量下，最大沖刷坑深度減小達到56%和41%，同時，位置也明顯外移。這是因為，壩頭繞流時，最大下潛流及壩頭脫離渦的形成位置主要位于壩頭下游側，壩身下游設置臺階，相當于增大了該處的防護寬度，更有利于阻擋下潛流及漩渦對壩頭床面的直接作用，挑流作用也更明顯。

(a) Q=26.81 L/s，H=6.0 cm (b) Q=81.0 L/s，H=10.2 cm圖10 方案A4沖淤地形(單位： cm)Fig.10 Contours of local scour around the spur dike with stepped head in Case A4 (unit: cm)

3 結 語

根據對壩頭局部沖刷主要動力的研究，提出了設置臺階式壩頭的新型丁壩結構型式，以減弱壩頭的水流動力，并通過水槽試驗研究了臺階式壩頭的水動力特性及沖淤特性。研究表明，丁壩壩頭的臺階能逐級分散壩頭的集中繞流和分離流，同時，臺階臺面也能逐級阻擋壩頭下潛流，并具有挑流作用，使得近壩頭區床面處水動力得以減弱，最大流速或最大紊動強度區相應外移。相應地，壩頭局部沖刷坑深度得到很大程度的控制，且最大沖刷坑位置遠離壩頭，有利于壩頭穩定。試驗還研究了臺階級數、寬度以及壩身邊坡是否設置臺階等對局部沖刷的影響，研究表明臺階級數越多，寬度越寬，其減小局部沖刷的效果越好；壩身下游邊坡設置臺階增大了臺階臺面阻擋下潛流及挑流的面積，從而提高了控制局部沖刷的效果。

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