航道整治建筑物对河道行洪影响的试验研究

  • 格式:pdf
  • 大小:312.70 KB
  • 文档页数:5

2010年6月 第6期总第442期 水运工程 Port&Waterway Engineering Jun.2010 No.6 Serial No.442 

舅 航道整治建筑物对河道行洪影响的试验研究串 李寿千,丁晶晶,陆永军,陆 彦(南京水利科学研究院江苏南京21029) 

摘要: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,并结合定床壅水公式,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。在此基础之上,进一步讨论 了航道整治建筑物对河道行洪能力的影响。 关键词:阻挡流量;补偿流量;局部水头损失;壅水 中图分类号:U 617.9 文献标志码:B 文章编号:1002—4972(2010)06—0081—05 

Experimental study on effects of waterway regulation structures on flood capacity of river 

LI Shou-qian,DING Jing-jing,LU Yong-jun,LU Yan (Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China) Abstract:Based on the flume experiment and theoretical analysis,we discuss the impact of dike angle on 

backwater in the case of a rigid—bed,and propose the concept of compensation discharge for a live-bed.Combining 

the calculation formula of backwater height,we develop the calculation method for the backwater height associated with the submerged spur dikes on a live bed,the result by which fits well with the measured data.Furthermore,the 

influence of the waterway training structures on flood capacity of a river is also discussed. 

Key words:obstruction discharge;compensation discharge;local head loss;backwater height 

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,柬窄了原有河床,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。由于整治建筑物附近 

水沙运动的复杂性,对河道行洪能力影响的研究 还处于感性阶段,特别是在修建丁坝是否加大河 

床糙率,改变洪水大溜方向,减少河道过洪断面 面积,壅高洪水位,从而降低河道行洪能力、危 

及大堤安全的问题上,尚存在不同的看法或争论。 

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。孔祥柏[1_等根据非淹没单丁坝局部水头损失 

理论公式及试验资料得出了淹没单坝丁坝局部水 

头损失公式。李国斌【2_、赵连白[31、陈国祥[4l均采 

用了1.5倍丁坝长度作为丁坝间距进行试验,给出 了不同数目淹没群坝局部水头损失系数与流量压 

缩比的关系。孙秀梅等_5j在矩形水槽中进行大量试 

验,得出丁坝数目、间距及排列方式均不同时淹 

没群坝壅水计算方法。应强等嘲在计算群坝局部水 

头损失时忽略下游丁坝对上游丁坝的影响,解决 

了下游各坝阻挡流量的问题,并将各坝阻力叠加, 提出了更为普遍的淹没群坝壅水计算方法,并给 

出公式。 

上述现有的丁坝壅水计算经验公式中通常不 

收稿日期:2010—01—05 基金项目:国家自然科学基金面上项目(50779037);交通部西部交通建设科技项目(200832874602) 作者简介:李寿千(1986一),男,硕士研究生,主要从事港口、海岸及近海工程研究。

 ・82・ 水运工程 2010丘 

考虑丁坝挑角的影响,而丁坝的挑角对壅水最终 

影响程度,需要我们进一步的认识。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。 

1淹没丁坝壅水理论分析 

1.1定床壅水计算 

1.1.1阻挡流量 丁坝上游壅水的根本原因,在于丁坝的不透 水性,使对其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Q 。 

对于矩形河槽,布设丁坝时假定流速沿河槽 宽度分布均匀,而假定流速沿水深的分布符合指 

数分布规律,即式(1): 

“ (彘0) (1) ,n 盯 

式中: 为距床面距离为Y处的流速;Uo为垂 线平均流速;m为指数;Ho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[ 

Qb=L][udy=L ( )寺 (2) 

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 

数一流量压缩比叼= /Q,其中Q为河槽总流量。 

1.1.2壅水计算方法l 2j I Ⅱ ———— 下— — T 

一一, 一 ,,L, 一 i 一一一一 ,,,, 一,,l一, , , ,, ,,,,,, 1 

图1丁坝壅水示意图 如图1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h ,hi+△ ; 

流速分别为 及V x+AV。II一Ⅱ断面取在丁坝下游 水位不变处,且有、无丁坝时的水深为h ,流速 

为 。现写出建坝前后的能量方程 

若+JbLl=h2+专+ (4) 

+ = 鲁+ + (5) g 上g 。 ’ 

式(4)和(5)相减,化简后得到 

^,=△ (1一Fr )一 ,2+ n (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 

。告 (7) 

已有的研究成果…表明,单坝局部水头损失系 

数是流量压缩比T/=Q /Q的函数: 

(8) 

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,因为丁坝群之问的间距远较单个丁坝 

对水流的影响范围小。应强等l 6_7l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 

: = 等 ]= 

[砉 等川番=【 )等 c9 

式中:Q 为第 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。在已建上游丁坝的水流条件下,下游丁坝流 

量可以实际测出。应强等l6_7]

亦给出了定床条件下 第6期 李寿千,等:航道整治建筑物对河道行洪影响的试验研究 ・83・ 

计算各坝阻挡流量的经验公式。 

1.2动床壅水理论计算方法 

1,2.1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Q。。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 。另外,考虑补偿流量后的 流量压缩比为叼 =( —Q。)lQ。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 

时近似地将增加的那部分过水面积平均到丁坝断 

面B = —L上,B为河槽宽度,可以得出: 

r、 Q。= 一L)UoD ( )。 (10) 

式中: 为丁坝断面B 上平均冲刷深度。此公式 

仅适用于单坝情况。 

1.2.2壅水计算方法 动床条件下考虑补偿流量后,单丁坝局部水 

头损失系数可表示为: 

,:7.5( ) (11) 

淹没单坝的局部水头损失可以通过式(1 1)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B。上的平均冲深D ,补偿 

流量可以通过流速在 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: 

: : )鲁=( 鲁 , 式中:Q 为第i坝阻挡流量;Q 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,再 

由式(6)即可求出壅水。 

2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4一H,长35 ITI的 昆凝土宽水槽中 

(图2)进行,水槽底坡 :0.000 4,糙率为0.010 2~ 0.012 6。在试验区布置9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。试验区布置见图3。 

图2明渠水槽 

——一—旦n一—一 

图3试验区布置 

本水槽试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P 1.13 tim ,d50=0.29 1'rim的 木屑作为模型沙。4种工况如表2所示。 为了探讨已有定床理论及经验计算公式在本 

水槽适用性,对长、短坝系统进行了4种工况试 验,即坝间距为l倍、2倍坝长时单坝、双坝、三 

表1丁坝参数 1L,l