非恒定流条件下丁坝水力特性及冲刷机理研究

【摘要】丁坝是山区河流最常用的航道整治建筑物,但山区河流坡陡流急且其属于典型的阻水建筑物,实际工程中水毁现象十分严重,现有研究多基于恒定来流条件进行,与实际过程中造成丁坝水毁的水沙边界条件不尽一致,因此,研究非恒定流作用下丁坝水毁问题具有重要的现实意义。本文采用水槽概化模型试验、理论分析和仿真模拟等手段,在对寸滩水文站日平均流量过程进行随机模拟的基础上,研究了非恒定流条件下丁坝水流结构、紊动特性、受力分布、坝体及其周围河床冲刷的变化规律,取得的主要研究成果有以下几个方面：(1)在对长江上游寸滩水文站1954～2008年日均流量过程分析的基础上,应用两变量Gumbel-logistic模型和自回归马尔可夫模型(AR模型),对寸滩水文站日均流量过程进行了随机模拟,得到了不同影响因素遭遇组合下不同重现期的洪水过程。(2)分别建立了涨水期与落水期丁坝上下游跌水高度、坝头流速及坝轴线断面主流区流速分布公式。(3)纵向流速在坝头下游冲刷坑区域、坝轴线断面主流区和坝头流速较大,背水坡坡脚在流量较大时也较大；横向流速在迎水坡较大,坝头横向流速达到25cm/s(原型约1.5m/s)左右；坝头垂向流速变化较大,背水坡流量较大时垂向流速比较大,坝头下游冲刷坑区域整个过程垂向流速基本为正值(指向水面),垂向流速极大值出现在落水期,且落水期大值出现频率较大,相对无丁坝时,同一位置丁坝布置后坝头处纵横向流速较大,且流速沿垂向变化也较大,由此说明了坝头冲刷坑区域泥沙易于起动、坝头及背水坡容易水毁的原因。(4)纵向紊动强度由大及小的区域依次为坝头下游冲刷坑区域、背水坡及坝头、坝轴线断面主流区和迎水坡；横向紊动强度最大值出现在坝头,流量较大时背水坡横向紊动强度也较大；垂向紊动强度最大区域位于背水坡,坝头和坝头下游垂向紊动强度也较大；由此说明丁坝及其周围床面冲刷不是由某一方面的原因造成的,是受纵向、横向及垂向流速、紊动强度及漩涡尺度综合作用的结果,即某一区域的流速大或紊动强并不能说明该区域一定遭受强冲刷,反之亦然。(5)从时间序列上看,丁坝各部位动水压力变化过程与流量变化过程保持了较好的同步性,脉动压力的变化则不然；不论流量过程如何,动水压力最大值均出现在最大洪峰流量附近,脉动压力最大值多数出现在洪峰流量过后的落水期；坝顶头部与迎水坡交界区域、坝顶上游侧及坝头迎水坡一侧中间区域所受动水压力较大,流量较大时坝体背水坡坡脚处所受动水压力较大,落水期坝体所受动水压力明显大于涨水期动水压力；恒定流时脉动压力最大值出现在坝头背水坡一侧,非恒定流时脉动压力最大值出现在背水坡或坝顶头部；流量较小时涨水期脉动压力大于落水期脉动压力,流量较大时落水期脉动压力大于涨水期脉动压力,表明丁坝水毁主要发生在洪峰流量及流量较大的落水期。(6)坝头块石从迎水面靠近河床表面处开始发生运动,随着冲刷的不断进行,底部基础不稳导致坡面上的块石不断滚落至坡脚造成坝头大面积水毁,最大洪峰过坝时,短时间内坝头基本全部水毁;水流由未翻坝至翻坝时,坝顶靠下游一侧块石大面积滑动至背水坡,局部透水率较大的区域,在翻坝下潜水流和内部紊动水流的综合作用下,造成坝顶局部区域凹陷和坍塌现象,形成坝顶冲刷坑；散落块石在运移至冲刷坑底部时,一部分大粒径块石沿着冲刷坑下游边坡攀爬至冲刷坑下游淤积体并停留在此处,小粒径块石在水流的带动下继续向下游行近直至滑落到淤积体边缘,部分停留在冲刷坑内的块石,在漩涡及自身重力作用下逐渐下沉并被包围或覆盖。(7)坝头型式不同时,坝头损毁体积由小到大依次为扇形勾头、圆弧形勾头、圆弧形直头；对于同样重现期的洪水过程,年最大洪峰流量与半月最大洪量遭遇时,洪峰流量对冲刷深度起主导作用,洪水总量对坝头冲刷坑范围起主导作用,年最大洪峰流量与洪水有效周期遭遇时,洪水有效周期个数对冲刷坑范围及冲刷深度均起主导作用。冲刷坑范围发展最快的时刻出现在前两个较大的洪峰流量前后；坝长较长时冲刷坑的宽度在冲刷初期较大,但在冲刷后期反而较小；挑角较大时冲刷宽度较小,冲刷长度与挑角大小关系不大；非恒定流作用下,整个床面抗冲刷能力是一个不断变化的动态过程。(8)通过冲刷坑深度影响因素的单因素分析,得知丁坝冲刷坑深度与洪峰流量和有效洪水时间等水文要素密切相关,在此基础上通过无量纲和多元回归分析,建立了非恒定流条件下山区河流散抛石丁坝冲刷坑深度与丁坝长度和高度、河宽、最大洪峰流量、有效洪水累计时间、坝头型式系数与挑角之间的计算公式,将公式应用于长江上游金钟碛滩丁坝冲刷深度的计算,表明该公式具有较高的计算精度,可以用于工程实际。
【作者】喻涛；
【导师】王平义；
【作者基本信息】重庆交通大学，港口、海岸及近海工程，2013，博士
【关键词】非恒定流；丁坝；水力特性；冲刷机理；非平稳随机过程；水槽试验；

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