丁坝局部冲刷研究现状与展望_周哲宇

丁坝局部冲刷研究现状与展望_周哲宇 第32卷第6期　　　　　　　　　　　　　　　　　　人　民　黄　河　　　　　　　　　　　　　　　　　　Vol.32,No.6　　2010年6月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　YELLOW　RIVER　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Jun.,2010　　 【防洪·治河】 丁坝局部冲刷研究现状与展望 周哲宇,陶东良,哈岸英,卜海磊 1 2 3 1 (1.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京100084;2.长沙有色冶金设计研究院,湖南长沙410011; 3.宁夏回族自治区水利水电勘测设计院,宁夏银川750001) 摘　要:分别从丁坝附近水流结构、回流区范围、坝头局部冲刷机理、坝头局部冲刷影响因素和坝头最大冲深计算公式5个方面回顾了丁坝冲刷研究成果,认为:①水流结构是开展后续研究的基础;②相对回流区长度与断面缩窄比是否存在相关关系、相对回流区长度野外观测值与概化公式为何差距甚远、对坝头局部冲刷有重要影响的各因素中哪一个或哪几个占主导等问题尚无定论;③对于坝头局部最大冲深影响因素的研究甚多,但有些因素的研究结果不一,还有一些对冲深有重要影响的因素研究很少;④丁坝坝头局部最大冲深的计算公式一直存在理论性不强的缺陷。关　键　词:冲深计算;冲刷机理;水流结构;局部冲刷;丁坝 中图分类号:TV81　　　文献标识码:A　　　doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2010.06.009 大,冲刷坑的存在使回流长度仅为定床条件下估算值的0.6～0.8倍[4],一般为坝长的3.0～3.5倍。实验室定床水槽试验中,回流长度通常为坝长的10倍,显然比实际工程所证实的回流长度偏大较多。究其原因,陈志轩[5]认为除糙率不同外,丁坝回流长度计算不合理是重要原因,认为天然河道断面多为抛物线型,丁坝长度计算不能从丁坝根部算至头部;韩玉芳等[6]通过动床水槽试验发现床面形态调整是根本原因,试验观测到随着坝头冲刷趋于稳定,回流长度缩小到冲刷开始时的50%左右。许多学者建立了定床条件下的丁坝回流长度估算公式,如目前使用的窦国仁 [7] 1　丁坝附近水流结构和回流区范围 阿尔达莫诺夫、张仲南、张红武和应强等学者先后对工程中应用最为广泛的非淹没丁坝附近的水流结构进行了细致研究[1-2],认为丁坝的阻水作用使得上游侧水位壅高,在丁坝上游形成局部的水面横比降,使流线向对岸偏转。偏转后的流线一部分绕过坝头,另一部分顶冲在丁坝上游面上。顶冲水流以垂向最大流速面为界,上部水流边上升边向坝头方向偏转,从水面处绕过坝头,下部水流下潜至河底,在横向水压力作用下向坝头偏转,紧贴河底绕过坝头。上游坝脚处相对静水区在绕坝主流的剪切作用下形成一个不大的回流区。 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 层水流绕过坝头后受惯性作用继续向对岸偏转,与坝头发生边界层分离,在丁坝下游不远处形成收缩断面。在收缩断面处,水位低于原河道水位,形成始于收缩断面延伸至回流区末端的逆坡,水面线呈V形。坝前水面线纵向比降的局部增大,使得在收缩断面处形成冲向河底的下降水流。过坝后高速主流区与坝后相对静水区之间产生强烈的剪切作用。在纵向剪切力和横向水压力的共同作用下,坝后形成一个较大的回流区。底层水流绕过坝头后并不像表层水流那样强烈收缩,而是以马蹄形旋涡的形式呈扇形流动。 淹没丁坝的水流结构比非淹没丁坝更为复杂[3],淹没丁坝坝后有两个环流,底层水流绕过坝头后形成立轴回流,控制坝头及临近下游区域,表层水流过坝顶后形成水跌冲向河底再折回,形成平轴环流,控制丁坝背水坡及坝后近岸区域。 丁坝回流区范围的大小直接关系到丁坝所能掩护的河岸长度,对于丁坝布置及护岸效果具有重要的工程实际意义。目前关于丁坝回流区范围大小影响因素的认识还不统一,蒋焕章认为相对回流长度与丁坝对河道断面缩窄比之间无相关关系;应强等[2]试验发现前者随后者的增大而减小;张红武通过动床条件下的丁坝冲刷试验,认为冲刷坑形态对回流长度的影响很 由动量方程积分求解得到的公式: (1) 2 CB0hL=(1+l)2 B-b1+C/12b0h 式中:Ch为水深;B为水槽宽度;b为丁坝0为无尺度谢才系数;有效长度。 此类公式还有乐培九公式、马永军公式等[8-10]。这些公式在学术上颇有价值,但由于定量上比天然情况偏差较大,因此在实际工程尤其是黄河等多沙河流的丁坝布局设计中,只能起到一定的参考作用。 2　丁坝坝头局部冲刷机理和过程 由于丁坝附近水流结构非常复杂,因此对丁坝坝头局部冲刷的机理一直没有形成统一的认识。主要存在4种学说:马蹄形旋涡学说、单宽流量增大学说、下潜水流学说和综合学说[4]。　　(1)马蹄形旋涡学说。该学说认为,冲向坝面的水流在丁 　收稿日期:2009-09-18 　基金项目:国家自然科学基金委员会、水利部黄河水利委员会黄河联合研究基金资助项目(50339020)。 　作者简介:周哲宇(1984—),男,湖南岳阳人,硕士研究生,研究方向为水力学及河流动力学。 　E-mail:zzy08@mails.tsinghua.edu.cn ·18· 人民黄河　2010年第6期 坝附近形成绕丁坝坝头靠近河底流向下游的马蹄形旋涡,将泥沙冲起并带走,形成冲刷坑。 (2)单宽流量增大学说。该学说认为,被丁坝拦截的水流被迫从坝头绕流,使丁坝坝头附近的单宽流量增大,水流冲刷能力增强,造成坝头局部冲刷[4]。 (3)下潜水流学说。该学说认为,冲向坝面的水流受到阻碍以后,在压力差的作用下,一部分水流折转向下运动形成下潜水流,使得坝头附近底部流速增大,造成局部冲刷。 (4)综合学说。该学说认为,局部冲刷是单宽流量及近底纵向流速在坝头附近沿程增大,以及坝头附近流带弯曲,面流与底流流向偏角差异形成的螺旋流有助于冲刷坑内泥沙横向输移造成的 [1,4] 不少学者将丁坝坝头局部最大冲深与桥墩的局部最大冲深问题相类比,可近似将丁坝看做半边桥墩,有的还将丁坝冲刷研究思路直接用于桥墩的局部冲刷问题,获得了工程上应用广泛的桥墩冲刷公式[16]。关于丁坝或桥墩局部冲深与行近水深的关系,还没有形成统一的认识。有人认为最大冲深随行近水深的增加而增大[10,17];有人认为最大冲深随着行近水深的增加刚开始增大,后来丧失相关关系[18-19];还有人通过水槽试验发现,最大冲深先随行近水深的加大而递减,然后渐增,最终不随水深的变化而变化[20]。显然,这些认识都有一定的代表性,同时相对于工程实际都有很大的局限性。 3.2　河床因素 研究发现[21],最大冲深受土壤黏性的影响,当冲深发展到较厚的黏土层时,便不再向下发展。最大冲深与床沙粒径和不均匀性的关系,存在不同的认识。 粒径关系的争论:Laursen用中值粒径为0.46～2.2mm的床沙对桥墩局部冲刷进行了动床试验,结果表明泥沙粒径对冲刷深度无明显影响,Ettema、Chiew和Melvil等通过研究均对这一观点表示了支持;蒋焕章[22]在对桥墩局部冲刷单因素分析后,得到了冲深随d50增大而减小的结论。 不均匀性关系的争论:Raudkivi在桥墩的清水冲刷试验中发现,不均匀性对冲刷深度有明显影响,在水流条件和d不变50的条件下,不均匀性越大,冲刷深度越大,对4组不同的d50(0.55、0.85、1.90mm和4.10mm)进行试验均得到这一趋势;Raudkivi等在进行桥墩附近清水冲刷试验后认为,除细沙(d70mm)的少数情况外,冲深都随泥沙不均匀程度的50≤0.提高而减小。这些认识相互矛盾,对于细沙多沙河流尚无参考价值。 。 弄清楚影响丁坝坝头局部冲刷的诸多因素中哪一个或哪几个占主导,对于坝头冲深计算和坝头局部冲刷的防护有着重要意义。丁坝局部冲刷不是单一因素作用的结果,坝头附近单宽流量的增大是形成局部冲刷的主要因素,马蹄形旋涡和下潜水流对底部流速增大也对水流冲刷能力的增强起着重要作用。另外,坝头附近水流强烈的三维紊动增强了水流输沙能力,对局部冲刷有加剧作用。 日本学者在室内试验中对丁坝局部冲刷过程进行了观察[11],发现冲刷坑坡面的泥沙被水流冲刷起来的极少,而是随着冲深的加大失稳崩坍掉入坑内,继而被水流带走。张义青等 [12] 进行了清水长历时丁坝冲刷水槽试验,观察发现冲刷过 程分为3个阶段:①初始阶段,旋涡的尺寸和规模较小,但对坝头的冲刷作用却很强,随着冲坑迅速扩大,旋涡的尺寸也急剧扩张;②发展阶段,冲刷坑内的泥沙运动大体上可以分为推移区和滑落区,推移区带走一定量的泥沙,周围滑落区便有泥沙滑落补充,一般滑落区的边坡坡度保持不变,冲深增加逐渐变慢,且不同冲坑形状较为类似;③平衡阶段,垂向旋涡水流对河床的冲刷作用明显减小,河床的冲刷主要是脉动水流所致,冲刷发展极其缓慢,经过较长时间后冲刷达到平衡。 细沙河床条件下的丁坝冲刷试验表明,丁坝坝头附近冲刷坑尺度发展较快,冲刷过程与冲刷机理也远比上述概化研究的情况复杂 [4] 3.3　丁坝因素 挑角对最大冲深点位置和冲深大小都有重要影响,在保持丁坝在垂直水流方向投影长度不变的情况下,随着挑角由0°变为180°,最大冲深点位置逼近坝前[23],冲深随挑角的增大一直增大。但更多人认为在120°左右时局部冲刷达到最不利情况,冲深达到最大[10]。 坝长对最大冲深的影响还存在争论。Neil和蒋焕章认为冲深只与坝长的绝对长度有关,而与河宽无关;Grade、Gill等把缩窄度η=(B-b)/B当成冲刷深度相关分析中的主要参数;Kwan对丁坝附近流态的研究表明,受丁坝影响的水流范围是很小的,仅延伸到丁坝前缘以外大约0.1～0.5倍坝长距离的水流范围内,这一范围之外的邻近水流实际没有受到丁坝影响,对冲刷过程似乎不起重要作用,因此应选取丁坝长宽比作为当前分析的一个特征冲刷参数。实际上,这类研究在工程上意义不大,因为在天然宽河道上河宽、丁坝长宽比等对坝头冲深没有直接影响,而在窄河道,按目前的通行做法,则又不允许设置丁坝。 张义青等[12]研究发现,边坡系数m越大,最大冲深越小,且减小的速率变小,但金仁义认为边坡坡度不宜太缓,否则会减小丁坝上游回流区尺度,导致水流直接顶冲丁坝,造成丁坝上游坡脚冲刷。端坡系数小些有利[23],可以减缓坝前水流下降作用,使冲坑范围减小,最深点远离坝脚;金仁义研究发现, 。 3　丁坝坝头局部冲刷的影响因素分析 丁坝坝头局部冲刷是水流、河床和丁坝三者相互作用的结果,局部冲刷的影响因素应该充分反映这三者的特征。水流特征因素通常选取丁坝上游行近流速v0、行近水深h0、体积比含沙量S;河床的特征因素通常选取河宽B(或半河宽B)、床沙V中值粒径d、床沙水下容重γ、床沙粒径几何标准偏差σg及床50沙黏性(可通过起动流速v反映);丁坝的特征因素通常选取坝c ′ 长b(或丁坝在垂直水流方向投影长度b)、坝宽L、边坡和端坡 ′ s ′ 系数m及丁坝挑角θ。 3.1　水流因素 关于丁坝坝头局部最大冲刷深度与行近流速的关系,研究结果基本一致[13-15],认为在行近流速超过丁坝上游河床泥沙起动流速之前,最大冲深随行近流速的加快而加深,超过之后冲深与行近流速大小无关。 ·19· 人民黄河　2010年第6期 坝头形状设计成圆头型虽然可改善坝前水流流态,缓和局部冲刷,但也使回流区尺度减小,对水深的缩窄作用减弱,对于护岸和航运效益的发挥都是不利的,因此坝头形状宜设计成矩形。丁坝在河床上所处的位置对冲刷也有重要影响,万艳春等 [24] 程,并适当简化,得 hs= 2 2.8v0 1+m 230v0 inθ(7) 张红武应用量纲和谐原理,经试验资料率定,得出修正公式[4]: hs= g 1+minθ (8) 研究发现,在相同条件下,弯道凹岸处首丁坝比直段处冲深约大1.3倍,首丁坝比其他丁坝冲深大1.3倍。尽管这些研究成果尚难有普遍性,但对于工程设计是颇有意义的。 在选取影响丁坝局部冲刷的特征因素时,有些重要因素往往被忽略,丁坝在河床中所处位置和群坝中各丁坝之间的相互掩护对冲深都有重要影响,丁坝上游断面形状和断面流速分布应该被充分考虑,而且在考虑河床特征因素时,大江大河丁坝冲刷的计算选取半河宽或全河宽都应慎重。 hs= 　　此类公式还有余文畴、曾静贤长江下游公式[25]等。 (2)张红武公式[4,25]。假定丁坝在过水断面上对流场影响的长度为3.3倍坝长,建立起动平衡方程,并引入边坡和含沙量影响的修正项,用丁坝冲刷正态动床模型试验资料率定系数后得适用于细沙河床的公式: vinθ10h0s501 ]6/73/5γ-γ1+1000S1+ms2/95/9V g)υγ (9) 4　丁坝坝头局部冲深计算公式 由于丁坝坝头局部冲刷呈典型的三维性,因此目前与今后相当长时期内尚难建立起一个理论性强的计算公式。经过长期研究,计算丁坝局部最大冲深(低于一般冲深以下深度)的公式已多达数十个 [25] 　　为适用于粗沙河床,将泥沙起动流速公式换成沙莫夫公式后,其丁坝冲刷公式形式为[28] hs= vinθ3.80h0s []6/7s1/23/2 g)d50γ (10) 。 4.1　经验公式 经验公式按所选因素可分为4类,各类均选取代表性公式列举如下。 (1)直接选取行近流速v代表性公式为马0和行近水深h0。卡维耶夫公式[25-26]: 2 θv0 h=27kkta-30dsLm 22 　　类似公式有适用于高含沙条件的曹丰生公式[25],使用该公式时需引入张红武水流挟沙力公式[29]及高含沙河相关系[30] [31] 确定行近流速v沿用文献[1]的研究思路,0。此外,马继业 也提出了结构复杂的公式,但由于公式系数无法明确,因此工程使用较为困难。半经验公式还有詹义正公式[32]。 (2) 4.3　计算公式的分析 与纯理论公式不同,经验半经验公式都有一定的适用范围。通过初步归纳,可将最大冲深计算公式分为如下3类。 (1)第一类公式所使用的资料来自水槽试验。由于未按照相似理论来设计各种相似比尺,没有与之相似的实际原型,因此所率定的参数只适用于与试验条件差不多时的情况,在实际使用时必须根据当地实测资料重新率定公式中的参数。目前为止,绝大部分丁坝坝头最大冲深计算公式都属于这一类。由于实际工程中很少有可用来率定参数的当地实测资料,因此此类公式的适用性不强。 (2)第二类公式所使用的资料来自于当地实地测量。这类公式只适用于当地以及与当地条件类似的情况。由于同步的实测资料非常少,测得的冲深与水流过程又很难对应,因此这类公式既有一定的适用性,又有一定的局限性。 (3)第三类公式使用的资料来自于按相似理论设计的正态动床实体模型试验,由于模型具有与其相似的原型,因此由模型资料率定的公式可适用于原型以及与原型水流和边界条件类似的情况。相比于实地测量,做实体模型试验要方便得多。张红武公式便属于这一类,该公式还经过黄河丁坝冲刷实测资料验证,在黄河、渭河、滹沱河及沁河等北方河流丁坝冲深计算中较为适用。 目前,工程设计经常找不到较适用的丁坝局部冲深计算公式。鉴于我国水利工程设计受前苏联影响较大,工程实际中粗沙河流多套用前苏联的马卡维耶夫公式,规范的修订也往往沿用老版本而不作过多探索。至于细沙多沙河流,则常采用阿尔图宁公式(或张红武修正公式)及张红武公式进行计算。例如, 式中:kL=e范公式。 -5.1-0.2m ;k。m=e 此类公式还有吉尔公式[25-26]、Kuhnle公式及航道整治规(2)选取行近单宽流量q代表性公式为阿玛德公式:0。 2/3 hqs+h0=K0 (3) 此类公式还有伊士查德公式、土屋昭彦公式及根哈公式。 (3)选取行近水流弗劳徳数Fr。代表性公式为穆哈米多夫公式: 1/41/2Frh(sinθ)(cosα)0 h+h=15.24)s01/61/5(ηζ(1+0.09S)(1+1.08Fr) d85 式中:ζ=,为泥沙不均匀度。 d50 此类公式还有嘎德公式、Liu公式、陈公式、虞邦义公式、张义青公式[12]及黄志才公式等。 (4)选取行近流速v或坝前流速v与起冲流速v的差0(m)s 值。代表性公式为汪德胜公式: hv-vss1. =0.08850)49hv0 h0B4. 式中:v.086))505v。s=1c 0s 此类公式还有方达宪公式[26]、应强公式[27]等。 (5) 4.2　半理论半经验公式 (1)阿尔图宁公式及张红武修正公式[25]。阿尔图宁假定折向河底的水流在冲刷坑中呈椭圆曲线扩散,建立起动平衡方 ·20· 人民黄河　2010年第6期 张柏山等[33]通过对各家公式的计算及黄河下游丁坝根石探摸情况的对比分析后,认为“马卡维耶夫公式计算结果偏小,阿尔图宁公式及其修正公式在流速适中时与实际符合,在水流强度较大或较小时计算结果与实际出入较大,张红武公式考虑因素较全面,与实测资料符合,可作为以后黄河丁坝冲刷计算的依据”。 33-36. 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