丁壩壩頭床沙起沖流速及局部最大沖深計算模式的探討.docx

1、泥沙研究1992年12月JournalofSedimentResearch丁壩壩頭床沙起沖流速及局部最大沖深計算模式的探討方達憲（合把工業(yè)大學(xué)土木系）（海玨地區(qū)水利勘測設(shè)計院）本文通過對丁壩壩頭床沙起沖流速進行較為全面、系統(tǒng)的試驗研究，在單因素分析及丁壩附近水流結(jié)構(gòu)的觀察分析的基礎(chǔ)上，用優(yōu)化組合及多元線性回歸的方法，提出了丁壩壩頭床沙起沖流速的計算方法.進而得出了壩頭局部最大沖深的計算模式驗證資料表明，公式結(jié)構(gòu)形式合理、筒明扼要，能夠反映壩頭局部最大沖深的變化規(guī)律.一、前曰在調(diào)治、防護建筑物中，丁壩作為一種應(yīng)用較為廣泛的整治建筑物，因其適應(yīng)性和經(jīng)濟性而樂為人們所采用.有關(guān)丁頊研究的問題中，局部

2、沖刷又因其重要性和復(fù)雜性而一直為人們所關(guān)注.就丁壩的設(shè)計而言，其設(shè)計理論及方法還很不完善，至今仍存在許多尚未解決和值得探討的問題.工程師們在進行丁壩的設(shè)計時，很大程度上依賴于實際經(jīng)驗或半理論、半經(jīng)驗的計算方法，設(shè)計常常缺乏可靠的科學(xué)依據(jù)，工程的水毀時有發(fā)生.故此對于丁壩進行全面、系統(tǒng)的深入研究是具有實際意義的.二、研究回顧及存在的問題對于整治建筑物，要想設(shè)計的經(jīng)濟、合理、安全，就必須弄清局部沖刷的水流現(xiàn)象和基本規(guī)律.丁壩的局部沖刷問題，早在1856年米納爾（Minard）就提出過這個間題，本世紀三十年代以來，中國、巴基斯坦、印度、日本、美國、前蘇聯(lián)和加拿大等國的許多學(xué)者，在不同程度上先后對丁壩

3、的清水沖刷和渾水沖刷的機理、影響因素、水流結(jié)構(gòu)、局部最大沖深計算公式和回流長度計算公式等諸問題迸行了大量的試驗研究和野外觀測，但因其水力學(xué)問題的復(fù)雜性，僅基本定性研究仍存在許多分歧.（一）沖刷機理丁壩的存在使得周圍的水流狀況變得較為復(fù)雜.目前有關(guān)丁壩的沖刷機理一產(chǎn)生壩頭局部沖刷的主要原因，尚存在許多認識上的差異，有些學(xué)者認為是壩頭附近的漩渦系所造成的也有學(xué)者認為是壩頭附近的下潛水流而引起的”）：還有一些學(xué)者認為是壩頭附近的單寬流里增大所致根據(jù)筆者對試驗過程中的水流結(jié)構(gòu)所進行的魂測和分析，上述三種觀點均說明了壩頭附近河床局部沖刷成因的某個方面，實際上它們應(yīng)是互相聯(lián)系和共同作用的，即壩頭附近局部沖

4、刷的成因應(yīng)是卜.潛水流和繞過壩頭的水流及它們的相互作用所生產(chǎn)的漩渦系綜合作用的結(jié)果.（二現(xiàn)有公式的局限性目前有關(guān)丁颯局部最大沖海計算公式很多，其中有以沖深和行近單寬流量為相關(guān)量所建立的公式；有以上游行近佛汝德數(shù)來表達壩頭局部最大沖深的計算公式；有以剪切力為主要參量的計算公式；也有以水流結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，應(yīng)用連續(xù)性原理及泥沙起動和平衡輸沙的河流動力學(xué)有關(guān)理論而建立的計算公式,但這些公式均存在著并非任何單寬流通.任何佛汝德數(shù)、任何行近流速情況下都會使壩頭附近的床沙產(chǎn)生局部沖刷的弊病.1986年汪德勝、虞邦義采用以水流結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的方法導(dǎo)出了丁壩局部沖深的計算公式井首先引入了壩頭附近床沙起沖流速3,的概念，

5、說明了只有U礦,時，壩頭附近方有葉刷，否則不會發(fā)生壩頭局部沖刷，避開了任何行近流速、水流佛汝德數(shù)和行近單寬流量均會發(fā)生局部沖刷的弊病.綜上所述，本文著重對影響丁壩壩頭附近床沙起沖流速的有關(guān)因素：行近水深h、丁壩長度D、床沙中值粒徑勿八丁壩挑角。等進行了試驗研究；并根據(jù)壩頭附近床沙起沖流速的研究基礎(chǔ)，提出丁壩壩頭局部最大沖深的計算模式.三、試驗簡介本試驗是在合肥工業(yè)大學(xué)水利矜學(xué)研究所的三個水槽中進行的，水槽長分別為26.om、28.om和24Om,寬分別為2.45m、i.om和0.87m.試驗可供流量為1501/S.在試驗中用矩形薄壁堰控制試驗流髭，用六線流速儀、光纖式地型儀和普通測針量測流速、

6、沖深和水深.試驗選用四種不同中值粒徑和級配的天然沙為模型沙，幾種沙樣的篩分結(jié)果見表1表1沙樣幾何特征參數(shù)表4目沙芯d.(mm)d«4.L(mm)dj.»(mm)di<mm)(mm)I1dr.*J*di.11.292.050.811.721.051.291.591.2820.80moD580.940.600.801.371.2530.640.880.4?0.750.480.641.371.2440.3S,0.4H0.280.430.280.351.361.24丁壩采用3cm厚的木板制成.試驗中為觀察壩頭附近的水流結(jié)構(gòu)，采用高插酸鉀示劑和碎紙屑為觀察對象.為了解各種因素對

7、壩頭附近河床沖刷的響影和作用，試驗為單因素組合.四、起沖流速分析及回歸計算壩頭附近的床沙恰好達到起沖時，上游行近水流斷面垂線平均流速定義為壩頭附近床沙起沖流速，它與泥沙的起動流速雖有共性，但兩者是不能混為一談的.起沖流速是判別壩頭局部沖刷的基準.即上游行近流速達到某值時，壩頭附近的床沙方才起動；另一方面，它反映了壩頭附近的床沙在特定條件下的抗沖刷能力，這一點與泥沙的起動流速有相同的定性意義.但床沙起沖流速代表并反映了水流、泥沙、丁壩三方面的因素相互作用的綜合結(jié)果，而泥沙的起動流速則反映的是河槽中使泥沙發(fā)生起動時斷面垂線平均流速.（-）起沖流速的影響因素分析水流因素、幾何邊界條件和泥沙的特性參數(shù)

8、的綜合作用造成了壩頭附近局部流速場發(fā)生變化，引起了壩頭附近的局部沖刷.如果要想弄清各因素變化時壩頭附近的流速場，就目前條件是不易辦到的，而只能以與壩頭附近的流速場有關(guān)的上游行近水流斷面的垂線平均流速來表達.1. 水流現(xiàn)象筆者通過對水流現(xiàn)象的觀察發(fā)現(xiàn)：當上游行近水流遇到丁壩之后，一部分水流折轉(zhuǎn)向床面，形成下潛水流，然后繞過壩頭流往下游，而另一部分則直接繞過壩頭流往下游，其接近水面部分因邊界層的分離而形成立軸漩渦，兩部分水流相遇（在較低層）的地方形成斜袖渦系向下游運動（見圖1）.因此壩頭附近的素動水流結(jié)構(gòu)是下潛水流和繞過壩頭的水流及它們的相互作用而構(gòu)成的.圖1地頭漩流場示意圖2. 水深對起沖流速的

9、影響圖2為壩頭附近床沙起沖流速5,和上游行近水深的實測點據(jù)關(guān)系圖.從圖中可以看出，在維持其它條件不變，變化水深時，起沖流速是隨著水深的增加而減小的趨勢.圖3為壩頭局部最大沖深兒和行近水深入的驗證實測點據(jù).由圖中可見，壩頭局部最大沖深和水深的變化關(guān)系，即最大沖深是隨著水深的增加而增加的趨勢，它與壩頭附近的床沙起沖流速和水深的關(guān)系圖吻合較好.3. 壩長對起沖流速的影響圖4為壩頭附近床沙起沖流速U,與壩長D的變化關(guān)系.試驗結(jié)果否明：當壩長增加時，壩頭附近床沙起沖流速幾手呈直線狀下降.趨勢.其原因是：壩長的增加，壩址斷面的平均流速增大，壩頭附近的床沙起沖流速減小.圖5為壩頭局部最大沖深上和壩長D的變化

10、關(guān)系圖.由圖中可見，最大沖深是隨壩長的增加而增加，它驗證了U,D美系的正確性，即壩長增加時，壩頭附近容易起沖.4.中值粒徑對起沖流速的影響18伯M/2S818伯M/2S8?226圖2起沖流速與水深'關(guān)系曲線圖3沖深h,與水深九關(guān)系曲線圖4起沖流速【刀與壩長D關(guān)系曲線吉耳（Gill）和蔣煥章等人認為：床沙粒徑對沖刷速率及局部最大沖深均有影響，筆者通過床沙中值粒徑d,。對起沖流速U,的試驗，壩頭附近的床沙起沖流速隨中值粒徑的增大而增大（見圖6）.中值粒徑的增大,起沖流速增大，意味著壩頭附近的抗沖能力增大，因此Gill和蔣煥章等人的坨點是正確的.D(ctn)圖5沖深九與壩長D關(guān)系曲線/7/N

11、1=240洲h=20.0CmD二，"卬io.lG4、6i8/0I2.M圖6起沖流速U,與中值粒徑d,.關(guān)系曲線圖8沖深為與挑角。關(guān)系曲線如實物）圖9起沖流速?！皩崪y值和計算值比較5.挑角對起沖流速的影響在試驗中，保持丁壩在垂直水流方向的投影長度不變，變化丁壩挑角，對壩頭附近床沙起沖流速U,.隨桃角。的變化關(guān)系進行了試驗研究.試驗結(jié)果表明：最易使壩頭附近床沙發(fā)生起沖的角度。名120°（見圖7）.若在同等條件下，具有120。挑角的丁壩應(yīng)具有最大沖深.與汪德勝提出的當9=120。時，為丁壩局部沖深的最不利情況是吻合的本文從壩頭起沖流速W,隨丁壩挑角0的變化情況曲發(fā)，通過驗證試驗也

12、證實了這個問題（見圖8）（二）量綱分析與回歸計算根據(jù)上面對各影響因素的單一分析，即各物理量對壩頭床沙起沖流速g,的影響有了初步定性認識的基礎(chǔ)上，現(xiàn)就各影響因素進行綜合分析.如前所述，影響因素可歸為以下三類1.水流因素上游行近水深日、水體重率，、運動粘滯系數(shù)，、重力加速度9、水面坡度J和水溫t2. 床沙因素中值粒徑d”、床沙重率，.、床沙幾何均方差不均勻系數(shù)和泥沙起動流速3, 幾何邊界條件試驗中的丁壩，河道均概化為矩形，其特征是有，丁壩長度D、挑角。、槽寬B和床面粗糙度.這樣丁壩壩頭附近床沙起沖流速U,的一般表達形式為U、=f（h、7、”、9、J、t,瓦.、cr、乎、U。、B、七、4D、。）（1

13、）在刪除非獨立變量及次要變量的基礎(chǔ)上可得U,=f（U、巨D(zhuǎn)、瓦0）（2>U,.=f（d,.、9、七、！B,D、匕（3）將挑角。考慮為修正系數(shù)，七、"視為常量，運用量綱分析法，進而可求得老“慮壽）h、b、d）"瀘一J、B、D）Uf.“BhD再r、政）在對無量綱數(shù)進行組合、并在坐標紙上點繪各無量綱數(shù)點據(jù)關(guān)系圖的基礎(chǔ)上，應(yīng)用電子計算機進行各變量間的優(yōu)化組合、因子篩選，得出最佳表達式為A（宇、親靜）取信度。=0.01條件下，則最終的回歸方程為其相關(guān)系數(shù)夫=0.9412,平均誤差E=5.2%圖9為起沖流速U”的實測值和計算值兩者比較圖，顯而易見，該回歸方程表達式已能較好地反映實

14、測資料.4. 挑角對起沖流速的修正限于目前的水平，欲依據(jù)流體力學(xué)及河流動力學(xué)的基本理論，對地頭附近的局部流速場隨挑角的變化規(guī)律進行研究，困難是非常大的，只能依據(jù)試驗資料進行半理論、半經(jīng)驗的回歸分析計算.不同挑角壩頭附近床沙起沖流速的計算，可先求得其垂直水流方向丁壩投影長度D”再由回歸方程式（5）的計算壩長為D”時的相應(yīng)起沖流速值，然后進行挑角修正計算.假設(shè)壩長為情況下，起沖流速值為U“，其實際數(shù)值為U3,從理論上講，當分t0或180°時，LT"-。.依據(jù)上述分析，提出數(shù)學(xué)模型為0變化關(guān)系圖.0變化關(guān)系圖.U7.go。/V90°/(10)利用本試驗實海點據(jù)，進行回歸

15、分析得（相關(guān)系數(shù)R=0.98、平均諛差E=6.1%）i吃歹-6頑岳廣（2-粉5式中UlO.32M（成X+3=0.213X10一'em=2.56cm'/s五、最大沖深公式的分析和回歸計算（一）定性分析壩頭附近床沙起沖流速代表了壩頭附近床沙的抗沖刷能力，即上游行近流速也可以說代表了行近水流所具有的沖刷能力.行近流速唯有大于壩頭附近床沙起沖流速，才能使壩頭產(chǎn)生局部沖刷；反之不發(fā)生沖刷.設(shè)想時，以旦村表示水流的相對沖UU刷能力，那么壩頭局部最大沖深應(yīng)為-等因子所表達的回歸方程式.由于起沖流速表達式已考慮了各主要影響因素,因而壩頭局部最大沖深具有較為簡單的計算公式，即直接用上游行近流速和

16、壩頭床沙起沖流速便可算出.據(jù)此利用本文試羚資料，運用量綱分祈法，通過在坐標紙上點繪各無憤綱數(shù)間的點群關(guān)系圖，其試臉點據(jù)的點群關(guān)系較好，另外還點繪了虞邦義、蔣煥章、Garde、Gill的清水試驗資料，點罪關(guān)系仍然較好.因此可望給出較為簡單的壩頭局部最大沖深的計算公式.（二）回歸計算通過在電計算機上進行回歸分析計算，得到丁壩壩頭局部最大沖深公式，(U-UQ/U0.01818+0.09308(U,/U).(U)圖ll為計算曲線與實測值的關(guān)系圖，其中圖中還點繪了Garde、度邦義的渾水試驗資料.從圖中可以看出：渾水沖刷也基本符合這種點群趨勢關(guān)系,由此可以認為：無論是清水沖刷還是渾水沖刷，式（11）均較好地反映了丁壩壩頭局部最大沖深的變化規(guī)律.圖11知舟心關(guān)系曲線a9筆者;林傾戒澄翻小楸湫梆端麹 GW福相稱爆觥Garde評本栩試臉負科G徂用水栩試筮資制六結(jié)論1. 壩長的增加，勢必導(dǎo)致壩頭附近床沙起沖流速減小，局部最大沖深增加；床沙中值粒徑增大，起沖流速增大，沖深減小.2. 丁壩存在一個最易起沖的挑角，即。=120。，故此在維持其它條件不變，壩頭局部沖深最大.3. 壩頭附近床沙起沖流速公式，壩頭局部最大沖深公式中的系數(shù)均為模型試驗資料所得,缺乏原型實測資料進行驗證，欲在原型中應(yīng)用，需補充一些原型資料進行系數(shù)修正.4. 起沖流速公式不