动床丁坝壅水试验研究

 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η=,其中Q为河槽总流量。

　　2、壅水计算方法[2]

　　如图所示，Ⅰ-Ⅰ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。Ⅱ-Ⅱ断面取在丁坝下游水位不变处，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η=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[6][7]认为，对通常所称的双丁坝情况而言，其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