航道整治建筑物对河道行洪影响的试验研究
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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