山区河流双丁坝流速分布试验研究

 杨渠锋

 （贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司  贵阳  550081）

摘要  双丁坝的布置会直接影响整治工程，对河床演变产生重要的影响，选择较优的丁坝布置形式具有实际工程意义。通过水槽模型概化试验，测得不同工况下双丁坝周围流速的分布情况，并绘制不同条件下双丁坝周围流速分布图，结合理论分析，得到了流量、坝间距、坝长、坝头形式组合等因素对双丁坝周围流速的影响规律。

关键词  模型试验  双丁坝  流速分布

 丁坝具有束水归槽，守护岸堤并改善航道条件的作用。丁坝的修建改变了水体的水流特性，坝体周围流速会发生明显的变化，常福田等通过模型试验对槽内布设丁坝后的水流流速沿程变化规律的对比分析，提出了丁坝群坝间距的最佳布置原则，并由此推导得出丁坝坝间距布置的关系式。张可利用物模试验发现了不同结构形式丁坝对其坝体周围流速的影响规律。陈稚聪、黑鹏飞等通过概化水槽试验，把丁坝回流区沿横向划分为负流速区、正流速区和主流区3个区域，沿纵向划分为回流减流区与回流增流区2个区域，并对回流尺度、回流流量沿纵向的变化规律进行了研究。不难看出，当前大部分学者的研究重点着眼于单个丁坝周围的流速分布规律，对双丁坝的流速分布研究还比较少，而在长江上游有比较多的航道整治工程现已采用了双丁坝的结构型式，典型的工程，如金钟碛、小米滩、关刀碛等。

 本文利用物模试验与理论相结合，从流量、坝间距与坝长出发，研究不同工况下双丁坝对水体流速的变化规律，以期对山区河流工程中坝体选取、布置，以及更好地发挥双丁坝的作用有一定的参考价值。

1  试验设备及方案

1.1试验设备

 试验在长、宽、高分别为30，2，1m矩形水槽中进行。进口流量由DCMS流量控制系统控制，上丁坝坝前水位通过水位测针来控制，实时水位通过超声自动水位测量系统量测。流速采用Ho-rizon ADV三维流速测量系统进行测量，系统采样频率为30 Hz，每个测点采样时长为30 s。

1.2试验方案

对于大型河流（如本文研究的长江），模型太大，模拟难度大，因此一般方法是将水流及丁坝作为二维问题处理。由于试验水槽宽度只有2m，而所依托工程河段较宽，为了考虑坝长对束窄河床的影响，试验模型的坝长应按水面收缩比与原型相等进行设计，即试验模型的坝长应满足式(1)。

式中：L，B分别为丁坝坝长与河宽。

统计分析长江上游典型工程中丁坝尺寸并考虑试验水槽条件，确定上丁坝坝长为50 cm，下丁坝坝长分别为55，70 cm，坝顶宽7.5 cm，坝高10cm;根据《航道整治工程技术规范》对丁坝坝身结构的规定，坝身横断面采用梯形断面，丁坝迎水坡坡度为1：1.5，背水坡坡度为1：2，向河坡坡度为1:5，见图1。坝间距选取1.5，2.0，2.5倍上丁坝坝长。试验流量分别采用65，95及135L/s 3级流量；试验水深采用丁坝淹没时的3种水深，分别为h=11，14和17 cm;山区河流卵石滩双丁坝一般采用双正挑和双下挑，试验丁坝挑角分别为90。与120。。综上各因素，试验共选取74组工况。

1.3测点布置

流速测点布置见图2，图中2丁坝挑角为120。。

2试验成果分析

2.1  横断面垂线平均流速分布

2.1.1  流量不同时垂线平均流速分布

选取上丁坝坝长为50 cm、下丁坝坝长为70cm，挑角为90。时圆弧直头丁坝在3种流量下的3个工况，对2丁坝周围横断面3，8，12号做断面不同流量的流速对比图，见图3。

 由图3可见，断面各测点流速随流量增加而增大。3号断面最为明显，主要因其位于上丁坝坝体前沿，水流结构较好。8，12号断面各测点流速随流量增加而增大的趋势在坝体之间与下丁坝回流区的部分测点较明显，主流区测点不明显，这是因为水流经过上丁坝发生跌水：当流量Q= 65L/s时下丁坝坝前虽有雍水但几乎不存在翻坝水流；当Q=135 L/s时下丁坝处有翻坝水流。下丁坝对上游来流的束水壅水使过坝主流区水位升高，Q=135 L/s与Q=95 L/s时翻坝水流使主流区流量减少，且翻坝水流随流量的增加而增大，而Q=65 L/s使所有上游来水绕过丁坝，所以3种工况下绕坝主流区流量差别不大，主流区各测点的流速随流量增加而增大的趋势不明显。

2.1.2坝间距不同时垂线平均流速分布

选取上丁坝坝长为50 cm，下丁坝坝长为70cm，流量为95 L/s，挑角为120。时圆弧直头丁坝在3种坝间距下的3个工况，对2丁坝周围横断面3，9，14号做断面不同坝间距的流速对比图，见图4。

 由图4可见，坝间距对各横断面流速影响不大。坝间9号断面回流区与坝后14号断面回流区在距左岸0.5 m处左右有最小值，这是由于上丁坝与下丁坝在坝头处产生的卡门漩涡消能所致。上丁坝坝前3号断面由于受丁坝影响较小，横断面流速由左岸至右岸流速过度较平缓，在右岸附近流速趋于平稳。

2.1.3坝长不同时垂线平均流速分布

选取流量为95 L/s，上丁坝坝长为50 cm，下丁坝坝长为55，70 cm，挑角为90。圆弧形直头丁坝的2种工况，对丁坝周围3，9，17号横断面进行断面流速对比，其不同坝长的流速见图5。

 由图5可见，上丁坝上游3号断面左岸区域下丁坝较长的流速较大，这是由于下丁坝较长的工况双丁坝对上游联合雍水效果较好，翻坝水流与跌水较明显，导致表层翻坝水流与底层绕坝水流流速较大。由于水流受上丁坝翻坝水流跌水影响较小，并受上下丁坝掩护，坝间断面9号靠左岸部分流速差别不大。对于下游17号断面，由于70 cm下丁坝较55 cm下丁坝坝体长，70 cm长坝的挑流和壅水作用较55 cm短坝明显，从而致使70 cm长下丁坝的坝后回流区的区域变大，回流区靠右岸处流态较为缓和。

2.2横剖面横向流速分布

选取流量为95 L/s，上丁坝L-50 cm、下丁坝L-70 cm，挑角为120。双圆弧直头丁坝附近的3，8及13号断面，并做各断面横向流速沿水深的等值线图6。

 由图6可见，横向流速在丁坝坝前3号断面随水深的增加而增大，且流速随水深变化的速率随水深的增加而减小，流速最大出现在坝头附近；坝间8号断面靠左岸的回流区横向流速较小，在靠近坝头处受坝身挑流作用，横向流速较大，中底层流速沿水深的分布与3号一致，表层流速随水深的增加而减小；由于水流绕过下丁坝开始扩散，沿程能量发生耗损，下丁坝下游13号断面横向流速表层表现为正值并随水深的增加而减小，中底层表现为负值并随水深的增加而增加，且流速最大值较上游断面小，受下丁坝的掩护，左岸坝后区域流速数值较小。

2.3整个测区流速分布

选取上丁坝长50 cm、下丁坝长70 cm，挑角120。圆弧勾头，2.5倍坝间距，Q=95 L/s，H=14cm的工况做丁坝周围三维垂线平均流速分布等值线图7（图中0处为上丁坝坝轴线与水槽壁交点，正值为上游，负值为下游，下丁坝坝轴线与左岸水槽壁位于X =l. 25 m处）。

 由图7可见，测区内纵向流速最大，其次是横向流速，垂向流速最小。受双丁坝的影响，每个维向上的流速发生较大变化的地方位于双丁坝周围，对于纵向流速受丁坝阻流壅水作用，右岸束窄段主流区流速增大，坝间回流区流受上下丁坝掩护流速明显减小，下丁坝坝后回流区受丁坝掩护流速也较小；上游来流受阻流作用，流向发生改变，在丁坝附近顺丁坝流动，使水流横向流速在丁坝附近变大，当水流绕过丁坝后，横向流速数值逐渐减小；垂向流速数值在整个测区都很小，在丁坝附近数值有所增大，受壅水作用坝前部分水流翻过坝身及坝头处产生涡流，致使上下丁坝周围、坝身间回流区和下丁坝坝后回流区流态较乱，呈现较明显的三维特性，垂向流速也因此表现出来了。

3结论

 双丁坝周围的横向流速分布规律为：最大流速分布在2丁坝坝头处；上丁坝坝前雍水区流速在横断面方向流速变化不大，越靠近坝头流速越大；2丁坝间，由上下丁坝坝头连线附近向左右两岸方向流速有所减小且右岸主流区流速沿程减小；下丁坝下游流速整体较小。双丁坝周围的纵向流速分布规律为：上丁坝坝前雍水区流速较主流区小且由右向左减小；两坝身间回流区流速较小且大于下丁坝坝后回流区，这两个区域由左至右流速增加；纵向流速在整个测区内分布非常小，在坝身附近发生改变且数值有所增大，上、下丁坝坝头后方纵向流速有最大值且下丁坝的大于上丁坝的。

 通过流速分布规律的分析，对山区河流双丁坝的设计及布置的建议有：

 (1)两丁坝的坝头应合理加固护坡与护脚，提高坝头稳定性。

 (2)下丁坝引起的横向和纵向冲刷弱于上丁坝，所以在保证结构合理稳固的前提下，下丁坝坝体规模可适当减小。

 (3)坝间距取上丁坝坝长的1.5～2.5倍对山区顺直河道影响不大。