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1、动床丁坝壅水试验研究 - 工程设计 动床丁坝壅水试验研究摘要：定床条件下丁坝的壅水研究成果已经很多，而动床条 件下丁坝壅水鲜有报导。本研究利用水槽试验和理论分析相结合， 在定床方面，讨论了丁坝挑角对壅水的影响；在动床方面，提出了 补偿流量的概念，结合定床壅水公式，给出动床淹没群坝壅水计算 方法，计算结果与水槽实测资料相符。关键词：阻挡流量,补偿流量,局部水头损失,壅水1 前言丁坝以其造价低廉、施工简单等优点，广泛应用于航道整治、 防洪护岸等工程中。修建丁坝后，束窄了原有河床，改变了水流条 件，增加了局部水头损失，从而引起丁坝上游水面壅高，给河道行 洪带来负面的影响。对于淹没丁坝的壅水许多学者进
2、行了不少相关 的研究，研究内容多是从阻力的角度来建立局部水头损失系数与流 量压缩比的关系，进而得出壅水。以往对丁坝上游壅水的研究多限 于定床情况，而实际河道当中放置丁坝后河床会受到冲刷，过水断 面面积得到一定补偿，丁坝引起的壅水也会相应减小。动床丁坝壅 水特别是洪水位的壅高对工程有实际的指导意义，这关系到河道的 行洪能力和防洪安全，因此有必要对此开展研究。2 淹没丁坝壅水理论分析2.1 定床壅水计算1、阻挡流量 丁坝上游壅水的根本原因，在于丁坝的不透水性，使对水流 起阻挡和压缩作用。这样，原来可以通过丁坝坝体的那部分水流必 须绕过坝体从坝顶溢过或从坝头以外至对岸流过。为此，通常定义， 由于丁坝
3、阻挡原水流使之绕过坝体通过的那部分流量为阻挡流量。对于矩形河槽，布设丁坝时假定流速沿河槽宽度分布均匀， 而流速沿水深的分布假定符合指数分布规律即式（1）：式中 u 为距床面距离为 y 处的流速，U0 为垂线平均流速，m 为指数，H0 为原水深。根据以往的研究，可取 m=6，因此阻挡流量 有如下表达式4式中 L 为坝长，D 为坝高。此公式仅适用于单坝情况。同时引入丁坝对水流的阻挡和压缩程度的参数-流量压缩比 =,其中 Q 为河槽总流量。2、壅水计算方法2如图所示，-为丁坝上游最大壅水断面，无丁坝和有丁坝 时的水深分别为 h1、h1+z；流速分别为 V1 及 V1+ V。- 断面 取在丁坝下游水位
4、不变处，且有、无丁坝时的水深为 h2，流速为 V2。能量方程式（4） 、 （5）相减，化简后得到（6）由试验资料即可确定局部水头损失，亦可以表示成式 （7）形式，其中为局部水头损失系数已有的研究成果1表明，单坝局部水头损失系数是流量压缩 比 =的函数， 上述式（4）（6）是对于丁坝局部水头损失与壅水关系的推 导。淹没单坝的局部水头损失可以通过式（8）和（7）求得，淹没 多丁坝的局部水头损失的影响因素比淹没单丁坝复杂，一般来说， 其局部水头损失不能视为同一条件下各单丁坝水头损失系数的简单 叠加，因为丁坝群之间的间距远较单个丁坝对水流的影响范围小。 应强等人67认为，对通常所称的双丁坝情况而言，其
5、中的下游丁 坝可视为在已建上游丁坝的条件下的单丁坝水流问题；对通常所称 的三丁坝而言，下游丁坝也可以看做是在已建上游双丁坝条件下的 单丁坝水流问题；四丁坝及诸如对口丁坝等其他情况，也可以做类 似分析。因此群坝的局部水头损失可以认为其中 Qbi 为第 i 坝阻挡流量。可见，如果已知各丁坝的阻挡 流量，通过式（7）和（8）就可以求出群坝的局部水头损失，再通 过式（6）可求出壅水值。2.2 动床壅水理论计算方法1、补偿流量不同于定床，在动床情况下，建坝后床面不断冲刷、调整， 坝头形成局部冲刷坑，同时床面也发生普遍冲刷，这就使得过水断 面面积得到一定增加，削弱了丁坝的阻水效果，起到一定的补偿作 用。与
6、阻挡流量的概念类似，这里引入补偿流量的概念：即河道中 设置丁坝后河床受到冲刷，使得丁坝所在断面过流面积增加，通过 增加面积的那部分流量称为补偿流量，记为。由建坝前后断面流量 和输沙量相等作为基本条件可知，河床被丁坝缩窄后由于冲刷所增加的面积应小于原来被丁坝缩窄的面积3。另外，考虑补偿流量后 的流量压缩比为 ，=(Qb-Qc)/Q。补偿流量的计算方法与丁坝阻挡 流量的计算方法类似，只是在计算时近似的将增加的那部分过水面 积平均到丁坝断面上，B 为河槽宽度，可以得出：式中 Dc 为丁坝断面 B1 上平均冲刷深度。此公式仅适用于单 坝情况。2、壅水计算方法动床条件下考虑补偿流量后，单丁坝局部水头损失
7、系数可表 示为：淹没单坝的局部水头损失可以通过式（11）和（7）求得。对 于群坝，同样，下游坝流量的补偿可以看成上游已建坝情况下的单 坝水流泥沙问题。比如对于双坝情况，已有定床单坝实测流速分布 及动床下游坝丁坝断面 B1 上的平均冲深 Dc，补偿流量可以通过流 速在 Dc 范围内的积分求得，三丁坝、四丁坝及诸如对口丁坝等其 他情况，也可以做类似分析。在计算动床条件下群坝总的局部损失 时，仍可根据阻力叠加原理，认为其为各坝水头损失的叠加：其中 Qbi 为第 i 坝阻挡流量，其中 Qci 为第 i 坝补偿流量。可 见已知了丁坝的阻挡流量及补偿流量通过式（11）和（12）可以求 出群坝的局部水头损失
8、，再由式（6）即可求出壅水。3 试验研究试验目的：探讨定床壅水理论在本水槽中适用性；探讨 定床下丁坝挑角对壅水的影响；探讨动床壅水。 试验在宽 4m ，长 35m 的混凝土宽水槽中进行，水槽底坡 Jb=0.0004，糙率为 0.01020.0126。在实验区布置九把电子水尺来 观测沿程水位的变化，流速的测量采用微型螺旋桨测速仪，地形的 测量采用了最新的超声地形自动测量仪。水槽的上游由矩形薄壁堰 控制流量，下游尾门控制水位。本水槽实验模型比尺及选沙均以西、北江为例进行概化。试 验采用两种长度的实体木丁坝，丁坝参数如表 1。选用 1.13t/m3，d50=0.29mm 的木屑作为模型沙。四种工况如
9、表 2 所示。表 1 丁坝参数表表 2 工况条件4 试验结果分析4.1 定床壅水理论图 4 为淹没单坝 Qb/Q 关系，与已有成果式（8）吻合较好。 采用应强公式6得出阻挡流量计算值，再通过上述式（9）和（6） 得出壅水计算值。图 5、图 6 表明淹没群坝阻挡流量及壅水计算值 与水槽实测值吻合较好。图 4 淹没单坝 Qb/Q 关系 图 5 淹没群坝阻挡流量计算值与实测值比较（cm3/s）图 6 淹 没群坝壅水计算值与实测值比较（cm ）4.2 定床条件下丁坝挑角（120、90及 60）对上游壅水的影 响图 7 三长坝正挑、上挑及下挑 Qb/Q 关系 如图 7，给出了三长坝两倍间距不同挑角下 Q
10、b/Q 关系，从 以上的图可以看出局部水头损失系数上挑丁坝最大，下挑丁坝最小， 正挑介于二者之间。在流量压缩比 Qb/Q 较小的时候，三种情况下 局部水头损失系数相差不大，随着流量压缩比逐渐的增大，丁坝挑 角对局部水头损失系数的影响愈加明显。以西、北江为例，枯水时， 丁坝的局部水头损失系数亦即壅水上挑比正挑要大 25%，下挑比正 挑要小 23%，上挑及下挑丁坝的过流能力有增减；在洪水及大洪水， 上挑下挑正挑丁坝的局部水头损失趋于相同，可认为丁坝挑角对行 洪能力影响不大。4.3 动床壅水1、补偿流量表 3 补偿流量及流量压缩比注：工况为中水，b=100cm,S=1b(b 坝长，S 坝间距)如表
11、3，从本水槽试验结果可以看出补偿流量均小于阻挡流 量，即 0，1，补偿流量从上游到下游逐渐减小；流量压缩比 与定床相比均减小，首坝的流量压缩比依然保持最大，与定床时呈 现相似的规律。2、壅水值比较表 4 壅水值比较注：S=1b表 4 给出了三种水位下，单坝及四坝的动床、定床实测值及 动床计算值。 比较动床壅水计算值及实测值，吻合较好。上述壅水计算中 采用的是实测补偿流量，在实际的应用需要计算出补偿流量，计算 时床面冲刷要考虑两部分，一部分为坝头局部冲刷，另一种为普遍 冲刷。比较动床及定床壅水实测值，动床情况下，河床受到冲刷， 过水面积增加，丁坝阻挡的流量得到补偿，壅水高度均小于定床。 随着流量
12、的加大，丁坝阻水作用减弱，壅水逐渐减小，壅水远小于 定床情况，单坝、群坝均呈现相同的规律。在各个方案的最大流量 中，动床壅水还不及定床的 15%。上述已提及本水槽试验设计选择了西、北江进行概化，四长 坝大洪水(Q=165.6L/s)模型最大壅水高度为 0.006cm 左右，按照模型 相似比尺还原到原型，最大壅水高度也仅为 0.6cm。以上说明洪水 时丁坝的阻水作用已很微弱，丁坝难以抬高水位，对河道内的防洪 水位影响甚微。5 结论及建议（1）枯水时，丁坝挑角对河道过流能力有影响；洪水时，丁 坝挑角对河道行洪能力几乎无影响。（2）提出了补偿流量的概念，应用到淹没群坝动床壅水计算， 计算数据与水槽实
13、测数据吻合较好。（3）通常条件下，航道整治工程对行洪能力影响甚微。（4）本概化模型试验在矩形直立边壁水槽中进行，而实际的 天然河岸多为缓坡，因此河岸坡度对丁坝壅水的影响有待于进一步的研究。（5）本文从补偿流量的角度初步探讨动床壅水计算，提供了 新的研究思路，至于应用到实际的天然河流中要有待于进一步的检 验。参考文献：1孔祥柏等.丁坝对水流的影响实验J.水利水运科学研究, 1983,(2):36-77.2李国斌.淹没丁坝水流试验及三维数值计算D.南京: 南京水 利科学研究院研究生论文,1989.3赵连白.淹没丁坝群水力计算的试验研究J.水科学进展, 19945(3):221-228.4陈国祥等.淹没丁坝壅水规律实验研究J.河海大学学报, 1991,19(5):88-93.5孙秀梅,李昌华.淹没丁坝群壅水计算方法的概化模型实验 研究R. 南京:南京水利科学研究院,1990.6应强等.丁坝水力学M. 南京:海洋出版社,2004:92-96.7应强、孔祥柏.淹没丁坝群壅水试验研究J.水利水运科学 研究,19351:13-21.
