丁壩壩頭床沙起沖流速及局部最大沖深計(jì)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(jì)算模式的探討方達(dá)憲（合把工業(yè)大學(xué)土木系）（海玨地區(qū)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院）本文通過(guò)對(duì)丁壩壩頭床沙起沖流速進(jìn)行較為全面、系統(tǒng)的試驗(yàn)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(xiàn)性回歸的方法，提出了丁壩壩頭床沙起沖流速的計(jì)算方法.進(jìn)而得出了壩頭局部最大沖深的計(jì)算模式驗(yàn)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(hù)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(jì)性而樂(lè)為人們所采用.有關(guān)丁頊研究的問(wèn)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(jì)而言，其設(shè)計(jì)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(wèn)題.工程師們?cè)谶M(jìn)行丁壩的設(shè)計(jì)時(shí)，很大程度上依賴(lài)于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或半理論、半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)常常缺乏可靠的科學(xué)依據(jù)，工程的水毀時(shí)有發(fā)生.故此對(duì)于丁壩進(jìn)行全面、系統(tǒng)的深入研究是具有實(shí)際意義的.二、研究回顧及存在的問(wèn)題對(duì)于整治建筑物，要想設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)、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(wèn)題，早在1856年米納爾（Minard）就提出過(guò)這個(gè)間題，本世紀(jì)三十年代以來(lái)，中國(guó)、巴基斯坦、印度、日本、美國(guó)、前蘇聯(lián)和加拿大等國(guó)的許多學(xué)者，在不同程度上先后對(duì)丁壩

3、的清水沖刷和渾水沖刷的機(jī)理、影響因素、水流結(jié)構(gòu)、局部最大沖深計(jì)算公式和回流長(zhǎng)度計(jì)算公式等諸問(wèn)題迸行了大量的試驗(yàn)研究和野外觀測(cè)，但因其水力學(xué)問(wèn)題的復(fù)雜性，僅基本定性研究仍存在許多分歧.（一）沖刷機(jī)理丁壩的存在使得周?chē)乃鳡顩r變得較為復(fù)雜.目前有關(guān)丁壩的沖刷機(jī)理一產(chǎn)生壩頭局部沖刷的主要原因，尚存在許多認(rèn)識(shí)上的差異，有些學(xué)者認(rèn)為是壩頭附近的漩渦系所造成的也有學(xué)者認(rèn)為是壩頭附近的下潛水流而引起的”）：還有一些學(xué)者認(rèn)為是壩頭附近的單寬流里增大所致根據(jù)筆者對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的水流結(jié)構(gòu)所進(jìn)行的魂測(cè)和分析，上述三種觀點(diǎn)均說(shuō)明了壩頭附近河床局部沖刷成因的某個(gè)方面，實(shí)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(guò)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(jì)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(lái)表達(dá)壩頭局部最大沖深的計(jì)算公式；有以剪切力為主要參量的計(jì)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(dòng)和平衡輸沙的河流動(dòng)力學(xué)有關(guān)理論而建立的計(jì)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(huì)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(jì)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(shuō)明了只有U礦,時(shí)，壩頭附近方有葉刷，否則不會(huì)發(fā)生壩頭局部沖刷，避開(kāi)了任何行近流速、水流佛汝德數(shù)和行近單寬流量均會(huì)發(fā)生局部沖刷的弊病.綜上所述，本文著重對(duì)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(zhǎng)度D、床沙中值粒徑勿八丁壩挑角。等進(jìn)行了試驗(yàn)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(jì)算模式.三、試驗(yàn)簡(jiǎn)介本試驗(yàn)是在合肥工業(yè)大學(xué)水利矜學(xué)研究所的三個(gè)水槽中進(jìn)行的，水槽長(zhǎng)分別為26.om、28.om和24Om,寬分別為2.45m、i.om和0.87m.試驗(yàn)可供流量為1501/S.在試驗(yàn)中用矩形薄壁堰控制試驗(yàn)流髭，用六線(xiàn)流速儀、光纖式地型儀和普通測(cè)針量測(cè)流速、

6、沖深和水深.試驗(yàn)選用四種不同中值粒徑和級(jí)配的天然沙為模型沙，幾種沙樣的篩分結(jié)果見(jiàn)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(yàn)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(duì)象.為了解各種因素對(duì)

7、壩頭附近河床沖刷的響影和作用，試驗(yàn)為單因素組合.四、起沖流速分析及回歸計(jì)算壩頭附近的床沙恰好達(dá)到起沖時(shí)，上游行近水流斷面垂線(xiàn)平均流速定義為壩頭附近床沙起沖流速，它與泥沙的起動(dòng)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(zhǔn).即上游行近流速達(dá)到某值時(shí)，壩頭附近的床沙方才起動(dòng)；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(diǎn)與泥沙的起動(dòng)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(dòng)流速則反映的是河槽中使泥沙發(fā)生起動(dòng)時(shí)斷面垂線(xiàn)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(chǎng)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(shí)壩頭附近的流速場(chǎng)，就目前條件是不易辦到的，而只能以與壩頭附近的流速場(chǎng)有關(guān)的上游行近水流斷面的垂線(xiàn)平均流速來(lái)表達(dá).1. 水流現(xiàn)象筆者通過(guò)對(duì)水流現(xiàn)象的觀察發(fā)現(xiàn)：當(dāng)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(guò)壩頭流往下游，而另一部分則直接繞過(guò)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(yùn)動(dòng)（見(jiàn)圖1）.因此壩頭附近的素動(dòng)水流結(jié)構(gòu)是下潛水流和繞過(guò)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(chǎng)示意圖2. 水深對(duì)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(shí)測(cè)點(diǎn)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(shí)，起沖流速是隨著水深的增加而減小的趨勢(shì).圖3為壩頭局部最大沖深兒和行近水深入的驗(yàn)證實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù).由圖中可見(jiàn)，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(shì)，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(zhǎng)對(duì)起沖流速的影響圖4為壩頭附近床沙起沖流速U,與壩長(zhǎng)D的變化關(guān)系.試驗(yàn)結(jié)果否明：當(dāng)壩長(zhǎng)增加時(shí)，壩頭附近床沙起沖流速幾手呈直線(xiàn)狀下降.趨勢(shì).其原因是：壩長(zhǎng)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(zhǎng)D的變化

10、關(guān)系圖.由圖中可見(jiàn)，最大沖深是隨壩長(zhǎng)的增加而增加，它驗(yàn)證了U,D美系的正確性，即壩長(zhǎng)增加時(shí)，壩頭附近容易起沖.4.中值粒徑對(duì)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(xiàn)圖3沖深h,與水深九關(guān)系曲線(xiàn)圖4起沖流速【刀與壩長(zhǎng)D關(guān)系曲線(xiàn)吉耳（Gill）和蔣煥章等人認(rèn)為：床沙粒徑對(duì)沖刷速率及局部最大沖深均有影響，筆者通過(guò)床沙中值粒徑d,。對(duì)起沖流速U,的試驗(yàn)，壩頭附近的床沙起沖流速隨中值粒徑的增大而增大（見(jiàn)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(diǎn)是正確的.D(ctn)圖5沖深九與壩長(zhǎng)D關(guān)系曲線(xiàn)/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(xiàn)圖8沖深為與挑角。關(guān)系曲線(xiàn)如實(shí)物）圖9起沖流速?！皩?shí)測(cè)值和計(jì)算值比較5.挑角對(duì)起沖流速的影響在試驗(yàn)中，保持丁壩在垂直水流方向的投影長(zhǎng)度不變，變化丁壩挑角，對(duì)壩頭附近床沙起沖流速U,.隨桃角。的變化關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究.試驗(yàn)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(jiàn)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(dāng)9=120。時(shí)，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(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)也

12、證實(shí)了這個(gè)問(wèn)題（見(jiàn)圖8）（二）量綱分析與回歸計(jì)算根據(jù)上面對(duì)各影響因素的單一分析，即各物理量對(duì)壩頭床沙起沖流速g,的影響有了初步定性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)就各影響因素進(jìn)行綜合分析.如前所述，影響因素可歸為以下三類(lèi)1.水流因素上游行近水深日、水體重率，、運(yùn)動(dòng)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(dòng)流速3, 幾何邊界條件試驗(yàn)中的丁壩，河道均概化為矩形，其特征是有，丁壩長(zhǎng)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(dá)形式為U、=f（h、7、”、9、J、t,瓦.、cr、乎、U。、B、七、4D、。）（1

13、）在刪除非獨(dú)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(yùn)用量綱分析法，進(jìn)而可求得老“慮壽）h、b、d）"瀘一J、B、D）Uf.“BhD再r、政）在對(duì)無(wú)量綱數(shù)進(jìn)行組合、并在坐標(biāo)紙上點(diǎn)繪各無(wú)量綱數(shù)點(diǎn)據(jù)關(guān)系圖的基礎(chǔ)上，應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行各變量間的優(yōu)化組合、因子篩選，得出最佳表達(dá)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(shí)測(cè)值和計(jì)算值兩者比較圖，顯而易見(jiàn)，該回歸方程表達(dá)式已能較好地反映實(shí)

14、測(cè)資料.4. 挑角對(duì)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(dòng)力學(xué)的基本理論，對(duì)地頭附近的局部流速場(chǎng)隨挑角的變化規(guī)律進(jìn)行研究，困難是非常大的，只能依據(jù)試驗(yàn)資料進(jìn)行半理論、半經(jīng)驗(yàn)的回歸分析計(jì)算.不同挑角壩頭附近床沙起沖流速的計(jì)算，可先求得其垂直水流方向丁壩投影長(zhǎng)度D”再由回歸方程式（5）的計(jì)算壩長(zhǎng)為D”時(shí)的相應(yīng)起沖流速值，然后進(jìn)行挑角修正計(jì)算.假設(shè)壩長(zhǎng)為情況下，起沖流速值為U“，其實(shí)際數(shù)值為U3,從理論上講，當(dāng)分t0或180°時(shí)，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(yàn)實(shí)海點(diǎn)據(jù)，進(jìn)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(jì)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(shuō)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(shí)，以旦村表示水流的相對(duì)沖UU刷能力，那么壩頭局部最大沖深應(yīng)為-等因子所表達(dá)的回歸方程式.由于起沖流速表達(dá)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(jiǎn)單的計(jì)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(yùn)用量綱分祈法，通過(guò)在坐標(biāo)紙上點(diǎn)繪各無(wú)憤綱數(shù)間的點(diǎn)群關(guān)系圖，其試臉點(diǎn)據(jù)的點(diǎn)群關(guān)系較好，另外還點(diǎn)繪了虞邦義、蔣煥章、Garde、Gill的清水試驗(yàn)資料，點(diǎn)罪關(guān)系仍然較好.因此可望給出較為簡(jiǎn)單的壩頭局部最大沖深的計(jì)算公式.（二）回歸計(jì)算通過(guò)在電計(jì)算機(jī)上進(jìn)行回歸分析計(jì)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(jì)算曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)值的關(guān)系圖，其中圖中還點(diǎn)繪了Garde、度邦義的渾水試驗(yàn)資料.從圖中可以看出：渾水沖刷也基本符合這種點(diǎn)群趨勢(shì)關(guān)系,由此可以認(rèn)為：無(wú)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(xiàn)a9筆者;林傾戒澄翻小楸湫梆端麹 GW福相稱(chēng)爆觥Garde評(píng)本栩試臉負(fù)科G徂用水栩試筮資制六結(jié)論1. 壩長(zhǎng)的增加，勢(shì)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(gè)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(yàn)資料所得,缺乏原型實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，欲在原型中應(yīng)用，需補(bǔ)充一些原型資料進(jìn)行系數(shù)修正.4. 起沖流速公式不