不同水力条件下河道三角形丁坝冲淤特征的研究.pdf
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1、中国新技术新产品2024 NO.4(上)-122-生 态 与 环 境 工 程丁坝是应用广泛的河道建筑物,主要作用为保护河岸不受来流冲蚀而导致河堤损坏,同时在改善航道,维护河相方面发挥重大作用。为防止修筑的丁坝在水流作用下产生破坏,学者们进行了多方面研究,钱盛杰等1对涌潮作用下弯道丁坝局部冲刷试验进行了研究,研究结果表明:在涌潮作用下,位于弯道的丁坝局部冲刷坑比直道段深0.402.50m。刘丹丹等2通过水流冲刷试验,研究了不同丁坝间距下的水流特性,研究结果表明:随着丁坝间距的缩短,坝下游水位下降变缓。李文勇3对不同透水状况下丁坝水力特性进行了研究,研究结果表明:不透水丁坝的分离角、最大冲刷深度、
2、冲刷面积均大于透水丁坝。以上学者对丁坝的局部冲淤特征进行了研究,对丁坝间的水力特性进行了分析,本文参考以上研究结论,通过模拟河道试验,根据河道矩形和三角形丁坝周围的冲刷形态,在不同水力条件下,对丁坝的冲淤特征进行了研究,对河道的冲刷深度、冲刷孔体积变化及泥沙沉积变化进行了分析。1 试验材料与方法1.1 试验材料通过矩形直水槽试验(图 1),对三角形和矩形丁坝冲刷沉积规律进行研究。水槽侧壁采用树脂玻璃,设置玻璃的厚度为 10cm,水槽的尺寸为 730cm75cm(长度 宽度)。在水槽末端设置尾门,通过调节尾门的高度来控制水槽内水流深度,在水槽出水口设置储水池,从储水池中流出的水流经过测量井,通过
3、测量井可测量水槽内水流流量。水槽截面图如图 1(a)所示。在水槽底部,均匀覆盖直径为0.5mm0.8mm 的泥沙。本次试验采用 8mm 的透明玻璃制备矩形丁坝和三角形丁坝,在试验过程中确定矩形丁坝和三角形丁坝的冲刷模式及冲淤特征。将制备完成的丁坝以4个为一组安装在水槽壁上,与水槽壁垂直。丁坝的有效长度和间距分别为水槽宽度的 20%(Le=0.15m)和丁坝有效长度的3 倍(Sl=0.45m)。所有试验均采用非淹没矩形丁坝,三角形丁坝倾斜在水槽壁和水槽床间,水槽壁上的丁坝顶部与水面在同一水平面。当弗劳德数(Fr)分别为 0.185、0.205、0.225 和 0.245 时,水流流量分别为 0.
4、019m/s、0.021m/s、0.023m/s 和 0.025m/s,控制水槽内水深为 0.15m。在清水条件下进行试验,试验时间都设定为 150min,每次试验结束后,排干床层,使用激光测距仪(精度为 0.001m)测量床层地形。为研究单三角丁坝周围的流态,并与单矩形丁坝周围的流态进行比较,采用长 10m、宽 0.8m 的矩形截面直水槽。在试验中,单个三角形和矩形丁坝的有效长度为水槽宽度的20%(Le=16cm),丁坝与水槽壁成 90(与水流方向垂直)。所有试验均采用电磁测速仪(精度为 2%或 0.5cm/s)测量三维速度分量。为消除水流中移动的沉积颗粒造成的干扰,两种试验中使用的水槽床均
5、没有沉积物。1.2 试验方法在单矩形丁坝试验中,测量了 0.25m、0.45m、0.65m、0.72m、0.82m、0.90m、1m、1.15m、1.35m、1.75m、1.95m和 2.55m 断面的三维速度分量。在 0.72m 横截面处加设单矩形丁坝。在每个横截面上,距离墙水槽 0.06m、0.16m、0.26m、0.36m、0.46m、0.56m、0.66m 和 0.76m 处选择 15条垂直线。在水槽床上方 0.04m、0.08m、0.12m 和 0.15m处测量水流三维速度分量,根据设置的刻度位置,每个截面须记录约 40 个速度数据。而设置在丁坝附近的截面上,选择相对较密的间距。因此
6、,在靠近丁坝的横截面处采集的数据较多。在单三角丁坝试验中,测量了 0m、0.25m、0.45m、0.65m、0.72m、0.82m、0.90m、1m、1.15m、1.35m、1.55m、1.75m、1.95m、2.25m 和 2.55m 截面上的三维速度分量。并且将三角形棱堤设置在 0.72m 的横截面处。其他设置与单个矩形丁坝的设置类似,为测量每个横截面的三维速度分量,设置约 15 条竖线(间距为 0.05m)。同时在每个横截面上,在水槽床上方 0.04m、0.08m、0.12m 和 0.15m 处测量每条垂直线上的三维速度分量。2 试验结果与分析2.1 河道最大冲刷深度变化在控制河岸侵蚀的
7、构筑物周围经常发生冲刷情况。冲刷孔大小和范围受多个因素的影响,包括水力条件、沉积不同水力条件下河道三角形丁坝冲淤特征的研究谢可飞(河北省沧州水文勘测研究中心,河北 沧州 061000)摘 要:为了防止河道丁坝前端在水流作用下,冲刷孔扩大导致结构破坏,本文在不同水力条件下,对河道三角形丁坝的冲淤特征进行了研究,结果表明:水流流动对三角形丁坝的影响较小,三角形丁坝的最大冲刷深度小于矩形丁坝;三角形丁坝表面积较小,水流冲击较小,其冲刷孔体积小于矩形丁坝冲刷孔体积。3)在水流作用下,三角丁坝侵蚀产生的沉积物纵向沉积在河道附近,而矩形丁坝则沉积在丁坝尖端,矩形丁坝沉积物的横向发展大于三角形丁坝,且三角丁
8、坝的最大沉积小于矩形丁坝。关键词:水槽试验;三角形丁坝;矩形丁坝;冲刷深度;泥沙沉积中图分类号:TV87 文献标志码:A中国新技术新产品2024 NO.4(上)-123-生 态 与 环 境 工 程物和结构的几何形状。冲刷孔过大会使结构倾覆和破坏,从而导致河岸破坏。因此,研究影响冲刷孔深度和体积的因素十分重要。根据不同试验可得横向最大冲刷剖面,不同试验下最大冲刷深度的变化情况显示:三角形丁坝的最大冲刷深度小于矩形丁坝。在三角形丁坝中,矩形丁坝的表面积大,与水接触的面积也大,因此,当水流流动时,水流对矩形丁坝的作用相对明显,对三角形丁坝的影响较小,因此,三角形丁坝因水流作用在丁坝附近形成漩涡。在三
9、角形丁坝(流型剖面)附近,流速增加引起的河床剪应力(由于流动截面变窄)小于矩形丁坝(流型剖面)。当 Fr为 0.185、0.205、0.225 和 0.245 时,三角形坝的最大冲刷深度分别比矩形坝小 66.8%、51.3%、43.9%和 21.8%。由于马蹄涡强度增加,水流速度和床层剪应力也相应增加,Fr会使最大冲刷深度增加。因此,Fr=0.185 和 Fr=0.245 分别对应最小和最大冲刷深度。表 1 为不同试验得到的结果。与矩形丁坝相比,计算三角形丁坝最大冲刷深度(SDI)减少的百分比如公式(1)所示。SDI=(ds/dsR)100 (1)式中:dsR为矩形丁坝最大冲刷深度,cm;ds
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