丁坝坝头床沙起冲流速及局部最大冲深计算模式的探讨.docx

1、泥沙研究1992年12月JournalofSedimentResearch丁坝坝头床沙起冲流速及局部最大冲深计算模式的探讨方达宪（合把工业大学土木系）（海珏地区水利勘测设计院）本文通过对丁坝坝头床沙起冲流速进行较为全面、系统的试验研究，在单因素分析及丁坝附近水流结构的观察分析的基础上，用优化组合及多元线性回归的方法，提出了丁坝坝头床沙起冲流速的计算方法.进而得出了坝头局部最大冲深的计算模式验证资料表明，公式结构形式合理、筒明扼要，能够反映坝头局部最大冲深的变化规律.一、前曰在调治、防护建筑物中，丁坝作为一种应用较为广泛的整治建筑物，因其适应性和经济性而乐为人们所采用.有关丁顼研究的问题中，局部

2、冲刷又因其重要性和复杂性而一直为人们所关注.就丁坝的设计而言，其设计理论及方法还很不完善，至今仍存在许多尚未解决和值得探讨的问题.工程师们在进行丁坝的设计时，很大程度上依赖于实际经验或半理论、半经验的计算方法，设计常常缺乏可靠的科学依据，工程的水毁时有发生.故此对于丁坝进行全面、系统的深入研究是具有实际意义的.二、研究回顾及存在的问题对于整治建筑物，要想设计的经济、合理、安全，就必须弄清局部冲刷的水流现象和基本规律.丁坝的局部冲刷问题，早在1856年米纳尔（Minard）就提出过这个间题，本世纪三十年代以来，中国、巴基斯坦、印度、日本、美国、前苏联和加拿大等国的许多学者，在不同程度上先后对丁坝

3、的清水冲刷和浑水冲刷的机理、影响因素、水流结构、局部最大冲深计算公式和回流长度计算公式等诸问题迸行了大量的试验研究和野外观测，但因其水力学问题的复杂性，仅基本定性研究仍存在许多分歧.（一）冲刷机理丁坝的存在使得周围的水流状况变得较为复杂.目前有关丁坝的冲刷机理一产生坝头局部冲刷的主要原因，尚存在许多认识上的差异，有些学者认为是坝头附近的漩涡系所造成的也有学者认为是坝头附近的下潜水流而引起的”）：还有一些学者认为是坝头附近的单宽流里增大所致根据笔者对试验过程中的水流结构所进行的魂测和分析，上述三种观点均说明了坝头附近河床局部冲刷成因的某个方面，实际上它们应是互相联系和共同作用的，即坝头附近局部冲

4、刷的成因应是卜.潜水流和绕过坝头的水流及它们的相互作用所生产的漩涡系综合作用的结果.（二现有公式的局限性目前有关丁飒局部最大冲海计算公式很多，其中有以冲深和行近单宽流量为相关量所建立的公式；有以上游行近佛汝德数来表达坝头局部最大冲深的计算公式；有以剪切力为主要参量的计算公式；也有以水流结构为基础，应用连续性原理及泥沙起动和平衡输沙的河流动力学有关理论而建立的计算公式,但这些公式均存在着并非任何单宽流通.任何佛汝德数、任何行近流速情况下都会使坝头附近的床沙产生局部冲刷的弊病.1986年汪德胜、虞邦义采用以水流结构为基础的方法导出了丁坝局部冲深的计算公式井首先引入了坝头附近床沙起冲流速3,的概念，

5、说明了只有U矿,时，坝头附近方有叶刷，否则不会发生坝头局部冲刷，避开了任何行近流速、水流佛汝德数和行近单宽流量均会发生局部冲刷的弊病.综上所述，本文着重对影响丁坝坝头附近床沙起冲流速的有关因素：行近水深h、丁坝长度D、床沙中值粒径勿八丁坝挑角。等进行了试验研究；并根据坝头附近床沙起冲流速的研究基础，提出丁坝坝头局部最大冲深的计算模式.三、试验简介本试验是在合肥工业大学水利矜学研究所的三个水槽中进行的，水槽长分别为26.om、28.om和24Om,宽分别为2.45m、i.om和0.87m.试验可供流量为1501/S.在试验中用矩形薄壁堰控制试验流髭，用六线流速仪、光纤式地型仪和普通测针量测流速、

6、冲深和水深.试验选用四种不同中值粒径和级配的天然沙为模型沙，几种沙样的筛分结果见表1表1沙样几何特征参数表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丁坝采用3cm厚的木板制成.试验中为观察坝头附近的水流结构，采用高插酸钾示剂和碎纸屑为观察对象.为了解各种因素对

7、坝头附近河床冲刷的响影和作用，试验为单因素组合.四、起冲流速分析及回归计算坝头附近的床沙恰好达到起冲时，上游行近水流断面垂线平均流速定义为坝头附近床沙起冲流速，它与泥沙的起动流速虽有共性，但两者是不能混为一谈的.起冲流速是判别坝头局部冲刷的基准.即上游行近流速达到某值时，坝头附近的床沙方才起动；另一方面，它反映了坝头附近的床沙在特定条件下的抗冲刷能力，这一点与泥沙的起动流速有相同的定性意义.但床沙起冲流速代表并反映了水流、泥沙、丁坝三方面的因素相互作用的综合结果，而泥沙的起动流速则反映的是河槽中使泥沙发生起动时断面垂线平均流速.（-）起冲流速的影响因素分析水流因素、几何边界条件和泥沙的特性参数

8、的综合作用造成了坝头附近局部流速场发生变化，引起了坝头附近的局部冲刷.如果要想弄清各因素变化时坝头附近的流速场，就目前条件是不易办到的，而只能以与坝头附近的流速场有关的上游行近水流断面的垂线平均流速来表达.1. 水流现象笔者通过对水流现象的观察发现：当上游行近水流遇到丁坝之后，一部分水流折转向床面，形成下潜水流，然后绕过坝头流往下游，而另一部分则直接绕过坝头流往下游，其接近水面部分因边界层的分离而形成立轴漩涡，两部分水流相遇（在较低层）的地方形成斜袖涡系向下游运动（见图1）.因此坝头附近的素动水流结构是下潜水流和绕过坝头的水流及它们的相互作用而构成的.图1地头漩流场示意图2. 水深对起冲流速的

9、影响图2为坝头附近床沙起冲流速5,和上游行近水深的实测点据关系图.从图中可以看出，在维持其它条件不变，变化水深时，起冲流速是随着水深的增加而减小的趋势.图3为坝头局部最大冲深儿和行近水深入的验证实测点据.由图中可见，坝头局部最大冲深和水深的变化关系，即最大冲深是随着水深的增加而增加的趋势，它与坝头附近的床沙起冲流速和水深的关系图吻合较好.3. 坝长对起冲流速的影响图4为坝头附近床沙起冲流速U,与坝长D的变化关系.试验结果否明：当坝长增加时，坝头附近床沙起冲流速几手呈直线状下降.趋势.其原因是：坝长的增加，坝址断面的平均流速增大，坝头附近的床沙起冲流速减小.图5为坝头局部最大冲深上和坝长D的变化

10、关系图.由图中可见，最大冲深是随坝长的增加而增加，它验证了U,D美系的正确性，即坝长增加时，坝头附近容易起冲.4.中值粒径对起冲流速的影响18伯M/2S818伯M/2S8?226图2起冲流速与水深'关系曲线图3冲深h,与水深九关系曲线图4起冲流速【刀与坝长D关系曲线吉耳（Gill）和蒋焕章等人认为：床沙粒径对冲刷速率及局部最大冲深均有影响，笔者通过床沙中值粒径d,。对起冲流速U,的试验，坝头附近的床沙起冲流速随中值粒径的增大而增大（见图6）.中值粒径的增大,起冲流速增大，意味着坝头附近的抗冲能力增大，因此Gill和蒋焕章等人的坨点是正确的.D(ctn)图5冲深九与坝长D关系曲线/7/N

11、1=240洲h=20.0CmD二，"卬io.lG4、6i8/0I2.M图6起冲流速U,与中值粒径d,.关系曲线图8冲深为与挑角。关系曲线如实物）图9起冲流速。“实测值和计算值比较5.挑角对起冲流速的影响在试验中，保持丁坝在垂直水流方向的投影长度不变，变化丁坝挑角，对坝头附近床沙起冲流速U,.随桃角。的变化关系进行了试验研究.试验结果表明：最易使坝头附近床沙发生起冲的角度。名120°（见图7）.若在同等条件下，具有120。挑角的丁坝应具有最大冲深.与汪德胜提出的当9=120。时，为丁坝局部冲深的最不利情况是吻合的本文从坝头起冲流速W,随丁坝挑角0的变化情况曲发，通过验证试验也

12、证实了这个问题（见图8）（二）量纲分析与回归计算根据上面对各影响因素的单一分析，即各物理量对坝头床沙起冲流速g,的影响有了初步定性认识的基础上，现就各影响因素进行综合分析.如前所述，影响因素可归为以下三类1.水流因素上游行近水深日、水体重率，、运动粘滞系数，、重力加速度9、水面坡度J和水温t2. 床沙因素中值粒径d”、床沙重率，.、床沙几何均方差不均匀系数和泥沙起动流速3, 几何边界条件试验中的丁坝，河道均概化为矩形，其特征是有，丁坝长度D、挑角。、槽宽B和床面粗糙度.这样丁坝坝头附近床沙起冲流速U,的一般表达形式为U、=f（h、7、”、9、J、t,瓦.、cr、乎、U。、B、七、4D、。）（1

13、）在删除非独立变量及次要变量的基础上可得U,=f（U、巨D、瓦0）（2>U,.=f（d,.、9、七、！B,D、匕（3）将挑角。考虑为修正系数，七、"视为常量，运用量纲分析法，进而可求得老“虑寿）h、b、d）"泸一J、B、D）Uf.“BhD再r、政）在对无量纲数进行组合、并在坐标纸上点绘各无量纲数点据关系图的基础上，应用电子计算机进行各变量间的优化组合、因子筛选，得出最佳表达式为A（宇、亲静）取信度。=0.01条件下，则最终的回归方程为其相关系数夫=0.9412,平均误差E=5.2%图9为起冲流速U”的实测值和计算值两者比较图，显而易见，该回归方程表达式已能较好地反映实

14、测资料.4. 挑角对起冲流速的修正限于目前的水平，欲依据流体力学及河流动力学的基本理论，对地头附近的局部流速场随挑角的变化规律进行研究，困难是非常大的，只能依据试验资料进行半理论、半经验的回归分析计算.不同挑角坝头附近床沙起冲流速的计算，可先求得其垂直水流方向丁坝投影长度D”再由回归方程式（5）的计算坝长为D”时的相应起冲流速值，然后进行挑角修正计算.假设坝长为情况下，起冲流速值为U“，其实际数值为U3,从理论上讲，当分t0或180°时，LT"-。.依据上述分析，提出数学模型为0变化关系图.0变化关系图.U7.go。/V90°/(10)利用本试验实海点据，进行回归

15、分析得（相关系数R=0.98、平均谀差E=6.1%）i吃歹-6顽岳广（2-粉5式中UlO.32M（成X+3=0.213X10一'em=2.56cm'/s五、最大冲深公式的分析和回归计算（一）定性分析坝头附近床沙起冲流速代表了坝头附近床沙的抗冲刷能力，即上游行近流速也可以说代表了行近水流所具有的冲刷能力.行近流速唯有大于坝头附近床沙起冲流速，才能使坝头产生局部冲刷；反之不发生冲刷.设想时，以旦村表示水流的相对冲UU刷能力，那么坝头局部最大冲深应为-等因子所表达的回归方程式.由于起冲流速表达式已考虑了各主要影响因素,因而坝头局部最大冲深具有较为简单的计算公式，即直接用上游行近流速和

16、坝头床沙起冲流速便可算出.据此利用本文试羚资料，运用量纲分祈法，通过在坐标纸上点绘各无愤纲数间的点群关系图，其试脸点据的点群关系较好，另外还点绘了虞邦义、蒋焕章、Garde、Gill的清水试验资料，点罪关系仍然较好.因此可望给出较为简单的坝头局部最大冲深的计算公式.（二）回归计算通过在电计算机上进行回归分析计算，得到丁坝坝头局部最大冲深公式，(U-UQ/U0.01818+0.09308(U,/U).(U)图ll为计算曲线与实测值的关系图，其中图中还点绘了Garde、度邦义的浑水试验资料.从图中可以看出：浑水冲刷也基本符合这种点群趋势关系,由此可以认为：无论是清水冲刷还是浑水冲刷，式（11）均较好地反映了丁坝坝头局部最大冲深的变化规律.图11知舟心关系曲线a9笔者;林倾戒澄翻小楸湫梆端麹 GW福相称爆觥Garde评本栩试脸负科G徂用水栩试筮资制六结论1. 坝长的增加，势必导致坝头附近床沙起冲流速减小，局部最大冲深增加；床沙中值粒径增大，起冲流速增大，冲深减小.2. 丁坝存在一个最易起冲的挑角，即。=120。，故此在维持其它条件不变，坝头局部冲深最大.3. 坝头附近床沙起冲流速公式，坝头局部最大冲深公式中的系数均为模型试验资料所得,缺乏原型实测资料进行验证，欲在原型中应用，需补充一些原型资料进行系数修正.4. 起冲流速公式不