不同结构型式丁坝周围水流结构试验研究
喻涛1,2,王平义1,2,李晓玲3,胡杰龙2
(1.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心,重庆 400074；2.重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室,重庆 400074；3.重庆交通大学西南水运工程科学研究所,重庆 400016)
【摘 要】 丁坝水毁现象普遍存在，为了保证坝整治功能必须要对其进行维护，但在维护的过程中丁坝结构型式发生了改变。为了弄清不同型式丁坝周围的水流结构，本文通过概化水槽模型试验，对比分析了梯形断面圆弧直头、梯形断面圆弧勾头、梯形断面扇形直头、梯形断面扇形勾头、圆弧断面圆弧直头五种结构型式丁坝周围水面线和流速变化特点。结果表明：直头丁坝对水面线影响较大，圆弧断面丁坝对水面线影响较小；阻流区和收缩段流速由大到小依次为梯形断面扇形直头坝、梯形断面圆弧直头坝、圆弧断面圆弧直头坝、梯形断面扇形勾头和梯形断面圆弧勾头；横断面正向垂向流速分布由大到小依次为为梯形断面扇形勾头、梯形断面圆弧形直头、圆弧断面圆弧形直头、梯形断面圆弧形勾头。
【关键词】 丁坝；水流结构；结构型式；水槽试验
基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFC0402106-04)；重庆市前沿与应用基础研究计划项目(cstc2015jcyjA30004)；重庆市教委科技项目(KJ1600511)。
作者简介：喻涛(1982— )，男，河南信阳人，副教授，主要从事航道整治理论与技术研究。
E-mail:yutaochq@sina.com
1 研究背景
由于丁坝附近水流流动有强烈的三维特性，所以早期未能从理论上或试验上准确描述丁坝绕流的一些细节问题，因此在解决丁坝问题时，时常借助于模型试验。Windel最早基于水槽试验对不透水丁坝单丁坝周围流场影响进行研究，随后苏联C.T.阿尔图宁、日本富水正等对此开展了大量的试验研究[1]。Ahmed[2]开展了关于丁坝附近水流流动的第一个试验，该试验成功记录了丁坝周围水面高度的变化。Fujiwara、Shiba、Tominaga、Shimizu和Muneta此后进行了丁坝处于淹没状态时其附近水流特性的试验研究，并对丁坝周围紊流特性进行了研究[3]。Shoji Fukuoka[4]开发了确定弯道中丁坝最优布置方式的三维数学模型，该模型在河床变形和三维流场方面与模型试验结果有非常好的一致性。James Fox[5]提到了用ADV(acoustic doppler velocimeter)研究坝体附近三维流场会得到很好的效果。程昌华等[6]研究了不同勾角和不同勾长组合时产生的影响，分析了产生这种影响的内在机理。吕志咏等[7]利用流动显示和片光源技术对绕丁坝的流动结构进行了研究，发现在丁坝的上游和头部分别会形成马蹄涡和卡门涡。周宜林等[8]建立了三维水流大涡模拟数学模型,比较了3种丁坝(上挑,正挑,下挑)附近的水流运动特性,表明非淹没丁坝对水流运动影响较大,下挑丁坝对坝头防护效果较好。多文英[9]通过大量的水工模型试验对漫水丁坝周围的水流结构进行分析，并确定出漫水丁坝冲刷深度计算公式。郭维东等[10]对弯道内有、无丁坝两种工况下的水流特性进行了试验研究，总结了弯道水流水面横比降、横向环流、流速重分布等特性。周阳等[11]对丁坝附近的水流特性进行了系统的试验研究,较为全面地分析了弯道内丁坝附近水流的三维时均流速和水面形态。王先登等[12]分析了丁坝在淹没和非淹没状态下坝体附近的水流流态，据此分析了坝体的水毁机理。戎贵文等[13]建立了描述涌潮作用下丁坝附近水流运动规律的数学模型，结果表明来潮初始丁坝附近流场和自由水面变化很大。于守兵等[14]采用水槽试验和三维浅水模型相结合的方法，研究了端坡对淹没状态下丁坝附近水流结构的调整作用。
可见国内外学者已对丁坝周围水流结构进行了深入的研究，对于其周围水动力场变化及成因具有深刻的认识。但是，实际工程中丁坝水毁现象仍然大量存在，丁坝工程往往需要多次维护才能逐渐趋于稳定，使得其结构型式发生了较大变化，表现为坝头加宽加大及坝身磨蚀严重，使得其周围的水动力场与工程设计时不尽一致，丁坝型式发生变化前后水流结构如何变化是应该关注的问题，因此，本文对五种不同坝体结构型式的丁坝周围水流结构进行了深入研究，研究成果对于工程设计及施工具有重要的指导作用，可为改进丁坝结构型式提供参考。
2 试验方案及仪器设备
试验在长30m、宽2m的矩形玻璃水槽中进行，模型试验布置见图1。由于天然河道水面较宽而试验水槽较窄，故模型丁坝设计主要依据丁坝水毁相当严重的长江上游航道常见的丁坝结构型式进行局部正态概化设计，模型比尺为1:40。按照《航道整治工程施工规范》[15]要求，长江上游丁坝迎水坡坡度为1:1.5，背水坡坡度为1:2，向河坡坡度为1:2.5。为了对比不同坝型丁坝周围的水流结构变化特征，试验中研究了梯形断面圆弧直头(坝型1)、梯形断面圆弧勾头(坝型2)、梯形断面扇形直头(坝型3)、梯形断面扇形勾头(坝型4)、圆弧断面圆弧直头(坝型5)等5种丁坝结构型式(坝型名称前四个字描述的是坝身断面型式，后四个字描述的是坝头的型式)，五种设计模型丁坝依次见图2，本文中丁坝长度为丁坝坝身长度，不包括迎水坡或向河坡长度。丁坝布置在水槽左岸，丁坝坝体为水泥砂浆浆砌坝体，坝身与水槽边壁垂直，坝身断面型式见图3，坝高10cm，坝长50cm，坝头不同位置(图2中虚线处)坡度根据迎水坡、向河坡及背水坡坡度平顺连接而成。
图1 试验模型布置图(单位：cm)
图2 五种丁坝结构型式平面布置示意图
图3 丁坝坝身横断面(单位：cm)
进口流量由清华大学和北京尚水信息技术公司联合研制的DCMS流量控制系统控制，坝前控制水位通过水位测针控制，实时水位通过超声自动水位测量系统量测，流速采用Horizon ADV三维流速测量系统进行测量，设定采样频率为30Hz，每个点采样时长为30s。试验中控制进口流量为95L/s、坝前水深为14cm。
3 不同坝型丁坝周围水面线分布
3.1 不同坝型时纵向水面线变化
以流量为95L/s，丁坝坝顶中部水深为4cm、坝长50cm的方案为例，5种不同结构型式下2号、6号和8号纵断面水面线变化见图4。
图4 不同坝型时纵向水面线变化
(横坐标为负表示位于坝轴线上游，为正表示位于坝轴线下游)
从不同纵断面水面线变化趋势可以发现，5种坝型下相同的规律表现为2号纵断面(坝身所在纵断面)跌水较大，6号纵断面(主流区)以及8号纵断面(靠右岸且远离丁坝)跌水较小；2号纵断面处，丁坝上下游跌水最大的坝型为梯形断面圆弧直头坝，跌水最小的坝型为梯形断面圆弧勾头坝，且勾头丁坝跌水较直头丁坝为小，这主要是因为勾头丁坝阻水面积较小，使得坝前壅水较低；6号纵断面处，直头丁坝坝前水位开始跌落，水流越过坝轴线后水位跌落幅度变小，到达坝下游约50cm时水位开始缓慢回升，而勾头丁坝在坝后出现了较明显的二次壅水，但坝后跌落段水位圆弧勾头丁坝略高于扇形勾头丁坝，坝轴线下游水位最高和最低分别为梯形断面圆弧勾头和梯形断面圆弧直头丁坝，但勾头丁坝跌水幅度小于直头丁坝；8号纵断面处各种坝型均出现二次壅水，坝轴线下游水位最高和最低仍然分别为梯形断面圆弧勾头和梯形断面圆弧直头丁坝，勾头丁坝跌水幅度小于直头丁坝，圆弧断面圆弧直头丁坝水位总体处于其他4种坝型中间位置。
3.2 不同坝型时横向水面线变化
以流量为95L/s，丁坝坝顶中部水深4cm、坝长L=50cm的方案为例，5种不同结构型式下2号、3号、4号和6号横断面水面线变化见图5。
图5 不同坝型时横向水面线变化
由图5可见，5种不同结构型式的丁坝各横断面水面线变化趋势基本一致；上游2号横断面丁坝所在一侧壅水区梯形断面扇形直头丁坝水位最高，圆弧断面圆弧直头丁坝在主流区水位最低；2号横断面(坝轴线断面)横比降均有较大变化，且勾头丁坝变化小于直头丁坝；迎水坡(3号)断面处圆弧断面圆弧直头丁坝整体水位较梯形断面圆弧直头丁坝底，背水坡(4号)断面处丁坝一侧圆弧断面圆弧直头丁坝整体水位较梯形断面圆弧直头丁坝高，但丁坝对岸一侧两者水位差别较小；坝后水位变化较小，梯形断面扇形勾头水位最高，且直头丁坝水位均低于勾头丁坝。出现这种变化趋势主要是由于直头丁坝的阻水程度较大，挑流作用较强，使得阻流区水位壅高幅度较大，而顺流区水位相对较低，故水流束窄段跌水较大。直头丁坝中扇形坝头阻水程度最大；圆弧断面丁坝对水流形成的阻力较小，丁坝所在一侧过流量相对较大，使得丁坝对岸一侧顺流区水位相对较低。
圆弧断面圆弧直头和梯形断面扇形直头丁坝在6号横断面丁坝对岸一侧横比降变化较大，主要是由于此区域位于主流区与回流区掺混区域，产生的涡旋使水流向丁坝对岸一侧(右岸)运动，与来自丁坝对岸向左运动的水流交汇，抬高水位。
4 不同坝型丁坝周围流速分布
4.1 不同坝型横断面流速分布
以流量为95L/s，丁坝坝顶中部水深4cm、坝长50cm的方案为例，5种不同结构型式下3号、4号、5号和7号横断面的垂线平均流速(下同)变化见图6。
图6 不同坝型时横断面流速对比图
5种坝体结构型式流速从左岸到中段再到右岸，整体变化趋势基本一致，左岸为坝后回流区，由于挑流和卡门涡的原因，回流区流态紊乱，正向流速不大且经常出现回流、横向流、涡流和顶层水流与底层水流交换等现象，要准确测量三维流速较困难。坝头处跌水最大，各坝型流速急速上升至接近右岸处趋于均匀和平稳。右岸流线顺直，流态稳定，各坝型曲线比较平稳，变化不大。
从3号和4号断面看，扇形直头坝的流速在阻流区和收缩段都较大一些，接下来依次为圆弧形直头坝、圆弧断面直头坝、扇形勾头和圆弧形勾头。这是因为从坝体挡水量来看，扇形直头坝阻水能力较强，接下来依次为梯形断面圆弧直头坝、圆弧断面圆弧直头坝、梯形断面扇形勾头坝和梯形断面圆弧勾头坝。梯形断面扇形直头坝坝前产生的壅水也更大，导致在坝头位置处跌水更大，而3号和4号断面处于壅水区刚好开始下跌的位置，所以流速较大。而收缩段也因此流速更大。
从5号和7号断面来看，左岸坝后回流区因为挑流、紊流和涡流以及翻坝水探底等因素影响，流态紊乱，没有明显规律可循，而右岸收缩段呈现与3号、4号断面相同的规律。其中梯形断面圆弧直头坝和圆弧断面圆弧直头坝的挡水量基本相同，但是圆弧断面圆弧直头坝坝体外形曲线更为光滑，所以略小于梯形断面圆弧直头坝。
4.2 不同坝型横剖面垂向流速分布
丁坝周围水流的垂向分量是床面泥沙运动及坝体水毁的重要原因之一，因此，分别选取丁坝附近的3号、4号、5号，分析Q=95L/s、L=50cm条件下的4种工况，即梯形断面圆弧直头丁坝、梯形断面圆弧勾头丁坝、梯形断面扇形勾头丁坝和圆弧断面圆弧直头丁坝，做其各个断面垂向流速的等值线图，分析其丁坝附近水流垂向流速分布情况。
由图7可知，由于3号断面位迎水坡，左岸为坝前壅水区，一部分水流越过坝顶继续向下游行进，一部分水流沿坝体向右流绕过丁坝。测量仪器坐标系为Z轴向上为正，故左岸0～0.6m区域内流速基本均为正值，表示此处水流往上流。水流接触丁坝后，由于丁坝迎水坡呈斜坡状，底流受阻后迅速转而向上行进，随着水流上升流速逐渐减小，故左岸流速在垂线方向上呈底流流速大于面流流速的分布规律。而在丁坝坝头位置和右岸收缩段，坝头跌水导致整个坝头区域和收缩段水面下降，面流垂向的负向流速较大，由于水槽底部为封闭边界，下降水流接触水槽底后能量损失，向下流速减小，所以在坝头区域和右岸收缩段，流速在垂线方向上呈现面流流速大于底流流速的分布规律。在左岸，可以看到4种工况之间的垂向流速分布规律为：梯形断面扇形勾头垂向的正向流速较大，其次为梯形断面圆弧形直头，再次为圆弧断面圆弧形直头，最后为梯形断面圆弧形勾头。与4种工况壅水程度大小规律相同，由此可知，由于挡水量的不同，造成垂向流速的不同，最后导致壅水程度的不同，跌水越大，下跌水流垂向流速越大，所以丁坝坝头和右岸收缩段垂向流速分布规律与之相同。
图7 不同坝型3号断面垂向流速等值线图(等值线单位：m/s)
由图8可见，4号断面位于坝轴线所在位置，坝顶区域流速无法测量，所以等值线图横坐标从0.8～1.8m。由于坝头跌水造成水面下降，水槽底为封闭边界，所以垂向流速在垂线方向上呈面流流速大于底流流速的分布规律。同样，垂向流速在横向方向上的分布呈越靠近坝头垂向流速越大的分布规律，原因在于坝头是跌水最大的位置，此处睡眠比降下降最大，水流势能转化为动能最多。
图8 不同坝型4号断面垂向流速等值线图(等值线单位：m/s)
因为跌水程度大小规律为梯形断面扇形勾头较大，其次为梯形断面圆弧形直头，再为圆弧断面圆弧形直头，最后为梯形断面圆弧形勾头，跌水越大，下跌水流垂向流速越大，所以直接导致丁坝坝头和右岸收缩段垂向流速分布规律也与之相同。
从图9可以看出，5号断面位于坝后沿背水坡，左岸位于坝后回流区，水流翻过坝顶之后，在背水坡急速下降，形成探底水流，水流探底接触水槽底部后，部分水流折返向上，故在左岸垂线方向的垂线流速呈底流多为负向水流，且流速较大，面流多为正向流速。其中梯形断面圆弧形勾头坝左岸底流部分出现了一个较大的正向流速值，这是由于水流探底后部分水流撞击水槽底部后迅速折返造成的。坝头后部和坝后右岸仍然处于跌水区域，水位持续下降，所以分布规律为在垂向方向，面流的负向流速大于底流的负向流速。
图9 不同坝型5号断面垂向流速等值线图(等值线单位：m/s)
在坝头后和右岸区域，因为跌水程度大小规律为梯形断面扇形勾头较大，其次为梯形断面圆弧形直头，再次为圆弧断面圆弧形直头，最后为梯形断面圆弧形勾头，跌水越大，下跌水流垂向流速越大，所以直接导致丁坝坝头和右岸收缩段垂向流速分布规律与之一致。
5 结论
(1)坝体结构型式不同时，在坝体左岸靠近丁坝一侧以及坝头附近，正挑直头丁坝对丁坝纵向水面线的变化影响较大，正挑勾头丁坝则较小，从断面结构型式看，圆弧断面丁坝周围水位变化相对较小。
(2)梯形断面扇形直头坝坝前阻流区水位最高，圆弧断面圆弧直头坝顺流区水位最低；束窄段都出现大的横比降变化，但直头坝变化均大于勾头坝；梯形断面扇形勾头坝坝后水位最高，且勾头坝的水位均高于直头坝。
(3)坝体挡水程度的不同致使阻流区和收缩段流速由大到小依次为梯形断面扇形直头坝、梯形断面圆弧直头坝、圆弧断面圆弧直头坝、梯形断面扇形勾头和梯形断面圆弧勾头，其中梯形断面圆弧直头坝和圆弧断面圆弧直头坝的挡水量基本相同，但是圆弧断面圆弧直头坝坝体外形曲线更为光滑，所以略小于梯形断面圆弧直头坝。
(4)迎水坡断面左岸在垂线方向底流流速大于面流流速，丁坝坝头位置和右岸收缩段面流流速大于底流流速；坝轴线断面主流区面流垂向流速大于底流流速，距离坝头越近垂向流速越大；坝后垂线方向的垂线流速呈底流多为负向水流，且流速较大，面流多为正向流速；迎水坡、坝轴线及背水坡横断面正向垂向流速分布由大到小依次为为梯形断面扇形勾头、梯形断面圆弧形直头、圆弧断面圆弧形直头、梯形断面圆弧形勾头。
参考文献：
[1] 韩玉芳.丁坝的造床作用研究[D].南京：南京水利科学研究院，2003.
[2] AHMED M.Experiments on Design and Behavior of Spur-dikes,Proc.Minnesota International Hydraulics Convention,Minneapolis,MN,145-149.
[3] MUNETA N，SHIMIZU Y.Numerical Analysis Model with Spur-dikes Considering the Vertical Flow Velocity Distribution Annual Journal of Hydraulic Engineering,JSCE,No.497,31-39.
[4] FUKUOKO S.弯曲河道中丁坝的布置[J].河口与海岸工程,1995,5(2):72-79.
[5] FOX J.An Environmentally Friendly Barb Design For Washington State[J].Research &Extension Regional Water Quality Conference，2002.
[6] 程昌华，刘建新，许光祥.勾头丁坝对水流结构影响的试验研究[J].重庆交通学院学报，1994(1):58-69.
[7] 吕志咏，张柏山，祝立国.三个丁坝流态研究[J].流体力学实验与测量，2002(2):21-24.
[8] 周宜林，道上正规，桧谷治.非淹没丁坝附近三维水流运动特性的研究[J].水利学报，2004(8):46-53.
[9] 多文英.漫水丁坝周围水流结构及其冲刷深度计算[J].山西交通科技，2005(6):50-51.
[10] 郭维东，周阳，张云清，等.丁坝对弯道水流影响的分析[J].沈阳农业大学学报，2006(4):666-668.
[11] 周阳，郭维东，梁岳，等.非淹没丁坝附近的水流流态[J].中国农村水利水电，2006(7):82-84.
[12] 王先登，彭冬修，夏炜.丁坝坝体局部水流结构与水毁机理分析[J].中国水运(下半月)，2009,9(9):189-190,213.
[13] 戎贵文，魏文礼，刘玉玲，等.涌潮作用下丁坝附近水流运动特性的数值模拟研究[J].水利学报，2012(3):296-301.
[14] 于守兵，陈志昌，韩玉芳.淹没丁坝端坡对附近水流结构的调整作用[J].水动力学研究与进展A辑，2012(1):39-46.
[15] 交通运输部.JTJ 224—2016航道整治工程施工规范[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2016.
Experiment Research on Flow Structures Around Spur Dike of Different Structural Type
YU Tao1,2,WANG Pingyi1,2,LI Xiaoling3,HU Jielong2
(1.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074;2.Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074;3.Southwestern Research Institute of Water Transportation Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400016)
Abstract:As waterdamage phenomenon of spur dike exists generally,spur dike must be maintained in order to ensure its regulation function,but its structure changed in the process of maintenance.In order to find out flow structure around the spur dike of different patterns,through generalized flume model tests,variation characteristics of water surface profile and flow velocity around the spur dike of five different patterns were analysed.The results show that the straight head had a greater influence than hook head spur dike on the water surface profile,circular cross-section had smaller effects than trapezoidal cross-section spur dike on the water surface profile;Velocity of Choke area and contraction order from large to small is trapezoidal cross-section and fan straight head dam,trapezoidal cross-section and arc straight head dam,arc section and arc straight head dam,trapezoidal cross-section and fan hook head dam,trapezoidal cross-section arc hook head dam;Cross section vertical velocity distribution from large to small is trapezoidal cross-section and fan hook head dam,trapezoidal cross-section and circular straight head dam,arc cross-section and circular straight head dam,trapezoidal cross-section and circular hook head dam.
Key words:Spur Dike；Flow Structure；Structural Type；Flume Experiment