• 全国中文核心期刊
  • 中国科技核心期刊
  • 美国工程索引(EI)收录期刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

晏自立 朱德军 段炎冲 张鹏 李丹勋

晏自立, 朱德军, 段炎冲, 张鹏, 李丹勋. 低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 917-926. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.011
引用本文: 晏自立, 朱德军, 段炎冲, 张鹏, 李丹勋. 低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 917-926. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.011
YAN Zili, ZHU Dejun, DUAN Yanchong, ZHANG Peng, LI Danxun. Experimental study on flow and sedimentation characteristics under the effects of low-head, run-of-river dams[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 917-926. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.011
Citation: YAN Zili, ZHU Dejun, DUAN Yanchong, ZHANG Peng, LI Danxun. Experimental study on flow and sedimentation characteristics under the effects of low-head, run-of-river dams[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 917-926. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.011

低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.011
基金项目: 

国家重点研发计划资助项目 2016YFC0402308

国家自然科学基金资助项目 51879138

详细信息

Experimental study on flow and sedimentation characteristics under the effects of low-head, run-of-river dams

Funds: 

the National Key R&D Program of China 2016YFC0402308

the National Natural Science Foundation of China 51879138

  • 摘要: 为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明:坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。
  • 图  1  试验装置示意

    Figure  1.  Sketch of experimental setup

    图  2  水流流态示意

    Figure  2.  Sketch of flow regime

    图  3  坝附近区域时均流场

    Figure  3.  Mean velocity in the near-dam area

    图  4  坝前纵向流速垂线分布特性

    Figure  4.  Profile of stream-wise velocity upstream the dam

    图  5  坝顶流速垂线分布特性

    Figure  5.  Profile of stream-wise and vertical velocity at dam crest

    图  6  坝下游漩涡结构参数变化规律

    Figure  6.  Variation of vortex parameters at downstream of dam

    图  7  坝附近区域淤积形态特性规律

    Figure  7.  Characteristics of sedimentation morphology in the near-dam area

    图  8  淤积稳定形态与流场信息关联(B3组)

    Figure  8.  Relevance between sedimentation morphology and velocity field (B3)

    图  9  下游淤积稳定周期性动态过程(B3组)

    Figure  9.  Periodic characteristics of downstream sedimentation (B3)

    表  1  基本水流参数

    Table  1.   Flow parameters

    组次 Q/(L·s-1) 断面1 断面2 断面3 断面4
    h1/cm U1/(m·s-1) Fr1 h2/cm U2/(m·s-1) Fr2 h3/cm U3/(m·s-1) Fr3 h4/cm U4/(m·s-1) Fr4
    A1 3 1.45 0.83 2.19 4.50 0.27 0.40 5.00 0.24 0.34 1.55 0.77 1.99
    A2 4 1.65 0.97 2.41 5.10 0.31 0.44 5.50 0.29 0.40 1.90 0.84 1.95
    A3 5 2.20 0.91 1.96 5.60 0.36 0.48 6.00 0.33 0.43 2.25 0.89 1.89
    A4 6 2.50 0.96 1.94 6.25 0.38 0.49 6.65 0.36 0.45 2.60 0.92 1.83
    A5 7 2.65 1.06 2.07 6.60 0.42 0.53 6.95 0.40 0.49 2.95 0.95 1.76
    注:表中U为断面纵向平均流速;Fr为弗劳德数。
    下载: 导出CSV

    表  2  各工况水流及泥沙运动参数

    Table  2.   Flow and sediment parameters

    组次 R/m J Θ Φ P 起动程度
    B1 0.034 4 0.001 7 0.028 9 不动
    B2 0.037 2 0.002 7 0.050 0 0.001 3 0.009 5 弱动
    B3 0.039 6 0.002 8 0.055 9 0.006 7 0.023 5 中弱动
    B4 0.042 5 0.002 9 0.060 8 0.013 0 0.035 4 中动
    B5 0.043 9 0.003 4 0.074 2 0.036 0 0.067 4 中普动
    下载: 导出CSV

    表  3  坝下游漩涡结构参数

    Table  3.   Parameters of vortex at downstream of dam

    组次 h/H (x/H , y/H) A/H2 Γ/(UmH)
    A1 2.50 (0.995, 0.663) 1.466 -3.00
    A2 2.75 (1.174, 0.663) 1.903 -3.50
    A3 3.00 (1.390, 0.651) 2.122 -4.10
    A4 3.325 (1.658, 0.638) 2.288 -4.55
    A5 3.475 (1.786, 0.625) 2.801 -4.77
    注:h为坝顶水深;Um为坝顶断面平均纵向流速。
    下载: 导出CSV
  • [1] CSIKI S J. The impact of run-of-river dams on channel morphology and sedimentation[D]. Urbana-Champaign: University of Illinois, 2014.
    [2] 陈桂亚, 董炳江, 姜利玲, 等. 2018长江2号洪水期间三峡水库沙峰排沙调度[J].人民长江, 2018, 49(19):6-10.

    CHEN G Y, DONG B J, JIANG L L, et al. Analysis of sediment peak scheduling of Three Gorges Reservoir in No.2 flood of Changjiang River in 2018[J]. Yangtze River, 2018, 49(19):6-10. (in Chinese)
    [3] CSIKI S J, RHOADS B L. Hydraulic and geomorphological effects of run-of-river dams[J]. Progress in Physical Geography:Earth and Environment, 2010, 34(6):755-780.
    [4] QUEEN R W. Morphodynamic modeling of flow and sediment transport over low-head, Run-of-River dams[D]. Fort Collins: Colorado State University, 2018.
    [5] CSIKI S J, RHOADS B L. Influence of four run-of-river dams on channel morphology and sediment characteristics in Illinois, USA[J]. Geomorphology, 2014, 206:215-229.
    [6] ORR C H, KOENIG S. Planting and vegetation recovery on exposed mud flats following two dam removals in Wisconsin[J]. Ecological Restoration, 2006, 24(2):79-86.
    [7] CHENG F, GRANATA T. Sediment transport and channel adjustments associated with dam removal:field observations[J]. Water Resources Research, 2007, 43(3):W03444.
    [8] WILDMAN L A S, MACBROOM J G. The evolution of gravel bed channels after dam removal:case study of the Anaconda and Union City Dam removals[J]. Geomorphology, 2005, 71(1/2):245-262.
    [9] ROBERTS S J, GOTTGENS J F, SPONGBERG A L, et al. Assessing potential removal of low-head dams in urban settings:an example from the Ottawa River, NW Ohio[J]. Environmental management, 2007, 39(1):113-124.
    [10] BUSHAW-NEWTON K L, HART D D, PIZZUTO J E, et al. an integrative approach towards understanding ecological responses to dam removal:the Manatawny Creek study[J]. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 2002, 38(6):1581-1599.
    [11] ASHLEY J T F, BUSHAW-NEWTON K, WILHELM M, et al. The effects of small dam removal on the distribution of sedimentary contaminants[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2006, 114(1/2/3):287-312.
    [12] VELINSKY D J, BUSHAW-NEWTON K L, KREEGER D A, et al. Effects of small dam removal on stream chemistry in southeastern Pennsylvania[J]. Journal of the North American Benthological Society, 2006, 25(3):569-582.
    [13] LINDLOFF S D. Institutionalizing the option of dam removal:the New Hampshire initiative[J]. Water Science and Technology, 2003, 48(7):9-16.
    [14] ZHANG W, XIA J, LI Y, et al. Water pollution and relevant preventive measures in the Hechuan Segment of Fujiang River[J]. Nature Environment & Pollution Technology, 2015, 14(4):1003-1010.
    [15] 肖毅, 李文杰, 杨胜发, 等.长江上游卵石输移运动规律研究及数值模拟[J].水运工程, 2019(2):93-100.

    XIAO Y, LI W J, YANG S F, et al. Research and numerical simulation of mechanism of gravel transport in upstream of the Yangtze River[J]. Port & Waterway Engineering, 2019(2):93-100. (in Chinese)
    [16] 徐元, 朱德军, 孟震, 等.河床粗化过程中推移质输移特征试验研究[J].水科学进展, 2018, 29(3):339-347.

    XU Y, ZHU D J, MENG Z, et al. Experimental study on bed load transport in the armoring process[J]. Advances in Water Science, 2018, 29(3):339-347. (in Chinese)
    [17] MEYER-PETER E, MVLLER R. Formulas for bed-load transport[C]//Proceedings of 2nd meeting of the International Association for Hydraulic Structures Research.Delft: IAHR, 1948: 39-64.
    [18] ENGELUND F, FREDSØE J. A sediment transport model for straight alluvial channels[J]. Hydrology Research, 1976, 7(5):293-306.
    [19] KRAMER H. Sand mixtures and sand movement in fluvial model[J]. Transactions of American Society of Civil Engineers, 1935, 100:798-838.
    [20] 窦国仁.再论泥沙起动流速[J].泥沙研究, 1999(6):1-12.

    DOU G R. Incipient motion of coarse and fine sediment[J]. Journal of Sediment Research, 1999(6):1-12. (in Chinese)
    [21] van RIJN L C. Sediment transport:part I:bed load transport[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1984, 110(10):1431-1456.
    [22] SINDELAR C, SCHOBESBERGER J, HABERSACK H. Effects of weir height and reservoir widening on sediment continuity at run-of-river hydropower plants in gravel bed rivers[J]. Geomorphology, 2017, 291:106-115.
  • [1] 夏润亮, 李涛, 余欣, 夏军强, 张俊华.  小浪底水库“腾库迎洪”期异重流形成分析 . 水科学进展, 2020, 31(2): 184-193. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.004
    [2] 李琳, 王平圆, 吴洋锋, 侯杰.  悬板开孔对排沙漏斗流场特性的影响 . 水科学进展, 2020, 31(6): 927-935. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.012
    [3] 假冬冬, 王远见, 江恩惠, 邵学军, 张幸农.  小浪底水库淤积形态数值模拟 . 水科学进展, 2020, 31(2): 240-248. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.010
    [4] 晏自立, 徐元, 李丹勋.  推移质翻越低坝输移特性的试验研究 . 水科学进展, 2020, 31(3): 356-365. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.005
    [5] 张星星, 陈明, 许光祥, 黄海津.  有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究 . 水科学进展, 2019, 30(1): 93-101. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.010
    [6] 曹列凯, 白若男, 钟强, 李丹勋, 王兴奎.  基于图像测速的薄壁堰流表面流场测量方法 . 水科学进展, 2017, 28(4): 598-604. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.014
    [7] 陈启刚, 钟强.  明渠紊流中涡结构的运动规律 . 水科学进展, 2017, 28(4): 579-587. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.012
    [8] 陈槐, 朱立俊, 范红霞, 王建中, 王志寰.  二维粒子图像测速实验中三维涡旋可测性分析 . 水科学进展, 2017, 28(5): 738-744. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.011
    [9] 陈永平, 田万青, 方家裕, 江东勃.  波浪环境下多孔射流水动力特性试验 . 水科学进展, 2016, 27(4): 569-578. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.011
    [10] 李文杰, 刘华, 杨胜发, 王涛, 张鹏.  横向振动格栅紊流紊动特性试验 . 水科学进展, 2016, 27(1): 49-56. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.01.006
    [11] 张金凤, 常璐, 马平亚.  高雷诺数顶盖驱动方腔流实验 . 水科学进展, 2015, 26(2): 250-256. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.013
    [12] 陈启刚, 钟强, 李丹勋, 王兴奎.  明渠弯道水流平均运动规律试验研究 . 水科学进展, 2012, 23(3): 369-375. doi: CNKI: 32.1309.P.20120501.1618.013
    [13] 肖洋, 雷鸣, 李开杰, 刘贵平, 闫静.  横流中多孔射流流动特性实验研究 . 水科学进展, 2012, 23(3): 390-395. doi: CNKI: 32.1309.P.20120501.1617.009
    [14] 假冬冬, 邵学军, 张幸农, 周建银.  三峡水库蓄水初期近坝区淤积形态成因初步分析 . 水科学进展, 2011, 22(4): 539-545.
    [15] 张金凤, 张庆河, 卢昭.  颗粒沉降的格子Boltzmann模拟与PIV实验验证 . 水科学进展, 2009, 20(4): 480-484.
    [16] 吴剑, 齐鄂荣, 李炜, 黄明海, 李国亚.  应用PIV系统研究横流中近壁水平圆柱绕流旋涡特性 . 水科学进展, 2005, 16(5): 628-633.
    [17] 方神光, 槐文信.  静止环境中有阻力圆盘浮力射流特性的研究——(Ⅱ)流场特性分析 . 水科学进展, 2004, 15(5): 555-560.
    [18] 梁东方, 李玉, 陈嘉范.  采用DPIV技术研究浅水平板岛屿尾流 . 水科学进展, 2004, 15(6): 711-716.
    [19] 黄社华, 魏庆鼎.  激光测速粒子对复杂流动的响应研究——Ⅱ典型流场中粒子跟随性的数值分析 . 水科学进展, 2003, 14(1): 28-35.
    [20] 张昌兵, 杨永全, 鞠小明, 桂林.  混流式转轮中流场的大涡模拟 . 水科学进展, 2002, 13(6): 675-681.
  • 加载中
图(9) / 表 (3)
计量
  • 文章访问数:  12
  • HTML全文浏览量:  1
  • PDF下载量:  12
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-13
  • 网络出版日期:  2020-05-19
  • 刊出日期:  2020-11-30

低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.011
    基金项目:

    国家重点研发计划资助项目 2016YFC0402308

    国家自然科学基金资助项目 51879138

    作者简介:

    晏自立(1997-), 男, 江西宜春人, 博士研究生, 主要从事水力学及河流动力学方面研究。E-mail:yanzl19@mails.tsinghua.edu.cn

    通讯作者: 李丹勋, E-mail:lidx@mail.tsinghua.edu.cn
  • 中图分类号: TV142

摘要: 为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明:坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。

English Abstract

晏自立, 朱德军, 段炎冲, 张鹏, 李丹勋. 低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 917-926. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.011
引用本文: 晏自立, 朱德军, 段炎冲, 张鹏, 李丹勋. 低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究[J]. 水科学进展, 2020, 31(6): 917-926. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.011
YAN Zili, ZHU Dejun, DUAN Yanchong, ZHANG Peng, LI Danxun. Experimental study on flow and sedimentation characteristics under the effects of low-head, run-of-river dams[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 917-926. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.011
Citation: YAN Zili, ZHU Dejun, DUAN Yanchong, ZHANG Peng, LI Danxun. Experimental study on flow and sedimentation characteristics under the effects of low-head, run-of-river dams[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(6): 917-926. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.011
  • 径流式低坝是河流上常见的水工建筑物, 坝体通常横贯整个河道, 坝顶一般可过流。低坝的建设和运行不仅直接影响坝体上、下游临近区域的水流运动、泥沙冲淤和生态环境演变[1], 对长河段的泥沙输移与河床演变也可能产生重要作用。比如, 近年来长江上游部分支流出现的洪水期集中输沙现象[2], 很有可能与梯级低坝的运行有关。低坝特别是梯级低坝引起河流水沙变化, 已得到越来越多的关注。

    一般情况下, 径流式低坝对原有河道水力学特征的改变在定性上是比较明确的。坝体附近水面抬升, 上游一定范围内出现回水区, 水流翻越坝顶后近乎自由落回到床面, 在下游引发强烈的水流紊动。据Csiki和Rhoads[3]归纳分析, 随流量的增加, 上游水面线弯折点更靠近坝体, 下游漩涡的面积和强度皆有所提升。Queen[4]基于声学多普勒流速仪(ADV)测量的有限点流速数据, 发现在坝体附近存在负流速区。由于在时空分辨率上的限制, 已有对低坝水流的测量数据还不足以支撑对水流特征的精细分析, 比如坝顶断面的流速分布特征和坝下游的漩涡特征等。粒子图像测速(PIV)技术的发展和进步, 为进一步深入研究低坝水流结构提供了比较可靠的手段。

    关于低坝对泥沙运动及河流演变的影响, 目前的相关研究大多基于工程实践[5], 特别是一些拆坝的工程实践[6-13], 重点关注的是建坝前和拆坝后的情况对比。由于气候、环境、地理、地质、运行方式等的差异, 实践中观测到的坝上游泥沙淤积情况差异非常大。比如, 根据现场观测, Orr和Koenig[6]发现美国威斯康星州的两座低坝上游库容近乎淤满;Cheng和Granata[7]报道2.2 m高的St.John′s坝上游1 km范围内几乎没有淤积, 而在1~12 km范围内有平均1 m厚的泥沙淤积;Wildman和Macbroom[8]记录到Union City低坝库区存在一定量的泥沙淤积, 但位置及形态在空间上存在变异;Roberts等[9]观测到Secor坝前仅有少量的中粗颗粒泥沙淤积;Bushaw-Newton等[10]、Ashley等[11]和Velinsky等[12]都对Manatawny低坝进行了研究, 发现上游只有少量的细颗粒泥沙淤积;Lindloff[13]则在McGoldrick坝前只观测到了极少量的淤积。这些差异表明, 低坝影响下的河道淤积情况非常复杂, 单一观察某一时刻的特征无法得到正确的认识, 需要在明确低坝水流特性的前提下研究完整的泥沙输移与淤积过程。

    本文根据山区河流径流式低坝的典型运行工况设计水槽试验, 定量解析不同流量下的流速分布和漩涡结构特性;通过记录推移质泥沙输移过程中的河床形态演变, 分析淤积处于相对稳定状态下的形态特征;进一步分析稳定淤积形态与流场信息之间的关联, 初步探求决定淤积形态的主要因子。

    • 试验在清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室内完成, 试验装置示意如图 1

      图  1  试验装置示意

      Figure 1.  Sketch of experimental setup

      自循环水槽长、宽、高分别为11 m、0.25 m和0.25 m;流量和水深分别由电磁流量计(精度0.01 L/s)和超声水位计(精度0.2 mm)实时监测。通过调整尾门开度控制试验中下游流态为明渠渐变流。

      试验中主要参数的确定参考了长江上游若干径流式低坝的工程资料, 并通过前期探索试验进行比选。固定底坡i=0.6%, 与长江上游山区河段陡坡情况相当[14]。模型坝采用坝高H=2 cm、宽B=25 cm和厚T= 0.5 cm的简化模型, 位置固定在水槽中距离尾门2.6 m处。泥沙采用天然石英砂, 颗粒密度ρs=2.65 kg/L, 粒径范围1~1.5 mm, 代表粒径D=1.22 mm;拟定Q=3 L/s、4 L/s、5 L/s、6 L/s、7 L/s共5级流量, 模拟不同水流工况。水沙参数的确定主要依据泥沙起动条件, 参考了有关文献[15], 保证涵盖推移质输移的典型情况。

      试验组次分清水和冲淤两方面开展。冲淤组的水流条件与相对应的清水组相同;为简化分析, 采取定量来沙模式, 试验前在坝上游40~90 cm(20H~45H)范围内平铺质量1.65 kg、厚度0.8 cm的试验沙。沙量足够大, 保证整个输移过程持续足够长的时间。

      为方便表述, 后文以A1—A5和B1—B5分别依次代表Q=3~7 L/s下的清水和冲淤组。

      通过图像处理方法测量坝附近区域中垂面流场与河床形态, 具体范围大致为:流向上自坝上游5H至下游5H, 垂向上自河底至高于河底3.85H。高速相机最高分辨率1 920×1 080, 由PIV方法测流场时连续采集1 000对粒子图像, 用于计算时均特征。

      接沙系统可实时监测输沙量和输沙率, 关于接沙系统的详细情况可见文献[16]。

    • 上游入水经口门整流, 快速稳定为明渠渐变急流;后由于坝的拦蓄作用, 沿程壅水, 坝上游约150H流段为缓流;在坝顶断面, 水深突然减小, 流速增大;坝下游保持明渠渐变急流, 不发生水跃。流态示意如图 2, 为定量描述各段水流特征, 选取4个断面, 测算具体水流参数如表 1

      图  2  水流流态示意

      Figure 2.  Sketch of flow regime

      表 1  基本水流参数

      Table 1.  Flow parameters

      组次 Q/(L·s-1) 断面1 断面2 断面3 断面4
      h1/cm U1/(m·s-1) Fr1 h2/cm U2/(m·s-1) Fr2 h3/cm U3/(m·s-1) Fr3 h4/cm U4/(m·s-1) Fr4
      A1 3 1.45 0.83 2.19 4.50 0.27 0.40 5.00 0.24 0.34 1.55 0.77 1.99
      A2 4 1.65 0.97 2.41 5.10 0.31 0.44 5.50 0.29 0.40 1.90 0.84 1.95
      A3 5 2.20 0.91 1.96 5.60 0.36 0.48 6.00 0.33 0.43 2.25 0.89 1.89
      A4 6 2.50 0.96 1.94 6.25 0.38 0.49 6.65 0.36 0.45 2.60 0.92 1.83
      A5 7 2.65 1.06 2.07 6.60 0.42 0.53 6.95 0.40 0.49 2.95 0.95 1.76
      注:表中U为断面纵向平均流速;Fr为弗劳德数。

      上游泥沙运动通过定量计算坝上游约50H流段(断面2—断面3)的平均情况进行描述:

      $$ \bar{R}=\frac{R_{2}+R_{3}}{2} $$ (1)

      式中: R为平均水力半径;R2R3分别为断面2、断面3的水力半径。

      $$ \bar{J}=i-\frac{E_{\mathrm{s} 3}-E_{\mathrm{s} 2}}{\Delta s} $$ (2)

      式中: J为平均水力坡度;Es2, Es3分别为断面2、断面3的单位能量;Δs为流段长。

      $$ \mathit{\Theta } = \frac{{\rho g\bar R\bar J}}{{\left( {{\gamma _{\rm{s}}} - \gamma } \right)D}} $$ (3)

      式中: Θ为shields数;ρ为水密度; g为重力加速度; γs为泥沙容重; γ为水容重; D为泥沙代表粒径。

      基于Meyer-Peter推移质公式[17]计算输沙强度, 公式的量纲一形式如下:

      $$ \mathit{\Phi } = K{\left( {\mathit{\Theta } - {\mathit{\Theta }_{{\rm{Cr}}}}} \right)^{1.5}} $$ (4)

      式中: Φ为Einstein量纲一输沙强度;K为系数;ΘCr为临界shields数。

      根据Engelund和Fredsϕe提出的公式[18]计算泥沙起动概率:

      $$ P = \frac{6}{{{\rm{ \mathsf{ π} }}\beta }}\left( {\mathit{\Theta } - {\mathit{\Theta }_{{\rm{Cr}}}}} \right) $$ (5)

      式中: P为起动概率; β为系数。

      参数计算结果如表 2。根据Kramer[19]和窦国仁[20]对起动程度的定义, 结合试验观测现象, 对各工况下泥沙的起动程度进行定性划分。B1—B5组分别对应泥沙起动程度为不动、弱动、中弱动、中动和中普动, 涵盖工况较全。

      表 2  各工况水流及泥沙运动参数

      Table 2.  Flow and sediment parameters

      组次 R/m J Θ Φ P 起动程度
      B1 0.034 4 0.001 7 0.028 9 不动
      B2 0.037 2 0.002 7 0.050 0 0.001 3 0.009 5 弱动
      B3 0.039 6 0.002 8 0.055 9 0.006 7 0.023 5 中弱动
      B4 0.042 5 0.002 9 0.060 8 0.013 0 0.035 4 中动
      B5 0.043 9 0.003 4 0.074 2 0.036 0 0.067 4 中普动

      主要考虑泥沙颗粒本身的物理属性, 参考van Rijn针对不同泥沙群体特性而建立的临界起动条件[21], 计算得试验沙临界起动摩阻流速u*c=0.026 m/s。

      对于B2—B4组, 在水流的带动下, 事先铺设在坝上游的泥沙逐渐推进至坝前, 形成一定规模的淤积体;泥沙翻越坝顶, 部分在坝下游的负流速区内落淤形成一定规模的淤积体, 部分泥沙继续向下游输移。随着事先铺设的沙量不断输移至坝前, 坝上游和下游泥沙冲淤不断调整;当上游再无泥沙补给时, 坝体上、下游的泥沙淤积体在形态上基本维持稳定。坝上游淤积体存在稳定的形态, Sindelar等[22]和Queen[4]曾有过报道;同时分析上、下游淤积体的稳定形态, 则是本文研究的重点。

      对于B1组, 由于水流输沙强度极低, 难以在可能的时段内观察是否存在上述稳定形态, 故不纳入分析。对于B5组, 由于水流强度大, 所铺设的泥沙最终全部成功翻坝, 并未在坝上游形成稳定的淤积体, 但在下游形成稳定的淤积体。

      在B3—B5组实际试验中, 当输沙率小于0.2 g/(m·s)且与峰值的比值小于5%, 认为形成了最终稳定形态。B2组全过程输沙率持续较低, 不易通过输沙率进行判别, 试验中通过观测淤积形态和体量特征变化, 进行人工判别。B2—B5组试验总时长分别为206 min、183 min、98 min和62 min, 形成稳定形态的时刻分别为186 min、167 min、77 min和41 min。

    • A1—A5组坝附近区域若干纵向时均流速等值线(步长4u/u*c)和流线如图 3

      图  3  坝附近区域时均流场

      Figure 3.  Mean velocity in the near-dam area

      水面线在上游趋近坝体时缓慢降低, 翻越坝顶后则迅速降低。越接近坝体, 流线的曲率越大。在不同水深处流线也呈现出明显的差别:在靠近水面附近, 流线在坝前基本上近似水平, 在坝后基本上与水面线平行;在与坝顶高程相当的区域, 流线在趋近坝体时明显抬升, 在坝后0.5H附近达到最高点, 之后与水面线同趋势逐渐下降;在底面附近, 无论是坝前还是坝后, 流线形态都比较复杂。

      观察坝体上游的流速等值线可以发现:在y/H>1.5的上部流区, 在趋近坝体时纵向流速一直在增大;在y/H=1.0附近流区, 在趋近坝体时, 水流流速在x/H∈(-3, -2)的范围内达到最低值(A5组相对不明显);在底部附近存在显著的低流速区(u/u*c≤4)。对比图 3(a)图 3(e), 区域面积整体上随来流强度增大而减小。

      坝下游沿流向0~3H范围内存在负流速区(u/u*c < 0), 对比图 3(a)图 3(e), 区域面积随来流强度增大而增大。

      在坝顶至距离坝顶约0.4H高度区域内, 存在较小范围的低流速区(u/u*c≤4)。对比图 3(a)图 3(e), 区域整体大小随来流强度变化很小。高流速区(u/u*c≥20)多集中在水舌。

    • 坝前附近区域(-4<x/H<-1)为渐变缓流, 非均匀程度低。对A1—A5组计算平均情况下的摩阻流速u*分别为0.046 5 m/s、0.048 0 m/s、0.049 4 m/s、0.051 1 m/s和0.051 8 m/s。

      为定量描述和分析坝前渐变流的平均特征, 选取x=-4H、-3H、-2H、-1H共4处典型断面, 各组次量纲一化纵向流速u/u*的垂线分布如图 4。其中y为垂线上一点到底面的距离。

      图  4  坝前纵向流速垂线分布特性

      Figure 4.  Profile of stream-wise velocity upstream the dam

      图 4可知, u/u*沿垂线并非随高度y的增加而一直增长。对于A1—A4组而言, 出现趋势相同、程度不同的流速衰减区, 在该区域纵向流速随高度增加反而减小, 该现象在x=-3H断面尤其显著。该流速衰减区大致在水深y/H∈(0.9, 1.35)范围内。A1—A4组涉及的具体区域范围y/H分别为0.9~1.35、1.0~1.35、1~1.25和1~1.15, 平均衰减幅度分别为0.68u/u*、0.54u/u*、0.51u/u*和0.38u/u*, 即区域范围和衰减幅度都随水流强度增加而减小。在A5组中, 这种衰减降至很低水平, 几乎没有显现。

    • 坝顶断面流速垂线分布, 如图 5。其中y′为垂线上一点到坝顶的距离, Um为断面纵向平均流速。为便于分析, 对纵向和垂向时均流速均采用Um进行量纲一化。

      图  5  坝顶流速垂线分布特性

      Figure 5.  Profile of stream-wise and vertical velocity at dam crest

      图 5可知, 在不同水流强度下, 坝顶流速分布曲线的形状基本相似。纵向流速u/Um和垂向流速v/Um分布都表现出显著的分区特性, 分别用a、b和c标识。在靠近坝顶的a区(0≤y′/H≤0.3), u/Umv/Um都基本接近0;在中间的b区(0.3<y′/H≤0.7), u/Umv/Um都自0迅速增长至接近最大值, 过程近似服从线性规律;在相对接近水面的c区(y′/H>0.7), u/Umv/Um自最大值以线性规律相对缓慢地减小。特别地, 在0≤y′/H≤0.6区域内, u/Um的分布特性几乎不随水流强度变化。无论是纵向还是垂向流速, 其分区界线都与水流强度无关。

      具体地, 对b区和c区的数据分别进行线性拟合。A1—A5组u/Umv/Um在b区(增长)拟合直线的斜率分别为4.04、3.77、3.55、3.53、3.27(随水流强度增大而减小)和0.27、0.55、0.66、0.78、0.85(随水流强度增大而增大);在c区(衰减)拟合直线的斜率为负, 绝对值分别为0.37、0.22、0.17、0.13、0.10(随水流强度增大而减小)和0.36、0.34、0.29、0.25、0.23(递减, 但变化小)。在c区, A1—A5组u/Um减小的幅度分别为21%、17%、17%、17%和15%(递减, 但变化小), v/Um的减小幅度更大, 且方向改变(数值从正减至负)。

    • 下游漩涡结构特性及变化规律, 可以用几何特征(涡心位置(x/H, y/H)、漩涡面积A/H2)和强度(环量Γ/(UmH))来表征。时均流场中漩涡结构的量纲一化结果如表 3, 参数变化规律如图 6

      表 3  坝下游漩涡结构参数

      Table 3.  Parameters of vortex at downstream of dam

      组次 h/H (x/H , y/H) A/H2 Γ/(UmH)
      A1 2.50 (0.995, 0.663) 1.466 -3.00
      A2 2.75 (1.174, 0.663) 1.903 -3.50
      A3 3.00 (1.390, 0.651) 2.122 -4.10
      A4 3.325 (1.658, 0.638) 2.288 -4.55
      A5 3.475 (1.786, 0.625) 2.801 -4.77
      注:h为坝顶水深;Um为坝顶断面平均纵向流速。

      图  6  坝下游漩涡结构参数变化规律

      Figure 6.  Variation of vortex parameters at downstream of dam

      表 3图 6可见:在A1—A5组涉及工况(2.5≤h/H≤3.5)下, 涡心位置横坐标x/H∈(0.9, 1.8), 纵坐标y/H∈(0.62, 0.67);A/H2∈(1.4, 2.8);Γ/(UmH)∈(-4.77, -3.00)。

      总体上, 随着h/H的增加, 涡心位置横坐标向坝下游移动, 纵坐标向河底移动, 漩涡面积和强度均增大。具体地, 漩涡结构参数随工况变化存在一定的数学规律, 随h/H的增大, x/H以近似线性规律增加(斜率为0.818), y/H以近似线性规律减小(斜率为-0.040), A/H2以近似线性规律增加(斜率为1.181), 漩涡环量数值为负, Γ/(UmH)绝对值以近似线性规律增加(斜率为1.77)。

    • 基于原始资料, 通过图像处理和坐标转换等方法, 得到淤积形态量化结果, 其中最终淤积稳定形态结果如图 7所示。图 7中左侧为上游, 稳定淤积纵剖面形态信息给出了典型数据点和整体趋势线。

      图  7  坝附近区域淤积形态特性规律

      Figure 7.  Characteristics of sedimentation morphology in the near-dam area

      图 7可见:上游形态特性总体上随水流强度变化较敏感, Csiki[1]也曾有过类似报道; 上游淤积稳定泥沙体量随水流强度增大而减小, 对于高水流强度的B5组, 坝体上游泥沙全部冲刷翻坝, 最终没有在上游形成稳定的淤积体; 对于其他水流强度较低工况而言(B2—B4组), 纵剖面形态具有相似的特征, 总体上为曲面斜坡, 推进至坝上游面, 顶点接近坝顶高度。

      本文的实际结果表明, 下游的形态特性对水流强度变化不敏感, 淤积稳定泥沙体量和纵剖面形态在不同来流强度下差异很小, 实测剖面面积(0.65± 0.02)H2;纵剖面形态总体上也为曲面斜坡, 贴近坝下游面, 表面线呈显著的抛物线规律, 拟合相关程度高, 统一经验式如下:

      $$ \frac{y}{H}=-0.28\left(\frac{x}{H}\right)^{2}+0.24 \frac{x}{H}+0.48 \quad R^{2}=0.92 $$ (6)
    • 淤积稳定形态与流场特性密切相关, 以B3组资料为例, 图 8给出了低坝附近同区域等尺度的流场与淤积形态。流场信息为形成稳定淤积体后的若干纵向时均流速等值线和流线。除u/u*c=1等值线, 其余步长为4u/u*c

      图  8  淤积稳定形态与流场信息关联(B3组)

      Figure 8.  Relevance between sedimentation morphology and velocity field (B3)

      从时均效应上看, 上游淤积形态表面线与床面附近低流速等值线(u/u*c=1)贴合程度高, 总体态势一致。下游淤积体则在顺时针漩涡、反向流速和水下重力等效应的共同作用下, 最终保持体量和形态上的动态稳定。基于连续高频(300 Hz)图像采集, 试验中对此现象进行了记录, 获取了下游淤积稳定周期性动态过程的典型序列, 如图 9。其中相邻画面间隔150帧, 即0.5 s。

      图  9  下游淤积稳定周期性动态过程(B3组)

      Figure 9.  Periodic characteristics of downstream sedimentation (B3)

      结合图 89可知, 下游动态平衡淤积表面泥沙颗粒的运动过程可分为起旋、反向运动和向下滑落3个阶段。最初, 淤积体坡脚表面泥沙颗粒在顺时针漩涡的作用下起旋;接着, 颗粒在较强反向流速影响下向上游方向反向运动;之后, 颗粒落在斜坡顶部, 在漩涡掏刷坡脚和水下重力的作用下, 又向下滑落并最终重回坡脚。整个过程(3个阶段)以大约1 s的周期循环往复, 维持淤积体在体量和形态上的动态稳定现象(若在足够长时间尺度内观察, 也仅有极少数泥沙颗粒能够向更下游输移)。

    • 通过图像测量手段, 开展多组水槽试验, 研究径流式低坝近区水流及淤积形态特性, 得到以下结论:

      (1) 坝前临近流段纵向流速沿垂线分布出现衰减区, 减幅随来流强度增加而减小。坝顶纵向和垂向流速沿垂线分布均显著分区, 分别为零流速、线性增长和线性衰减区, 分区界限几乎与水流强度不相关。随坝顶水深增加, 下游漩涡涡心向下游及河底移动, 面积和强度均增大。

      (2) 低坝上游淤积特性随水流强度变化敏感, 在高来流强度条件下最终不形成稳定淤积, 对于其他较低来流强度, 淤积形态皆呈贴近坝上游面的曲面斜坡;因坝下游出现较强漩涡, 下游存在贴近坝下游面的动态稳定淤积体, 纵剖面表面线呈抛物线规律, 几乎不随水流强度变化。

      (3) 坝附近区域淤积形态与流场信息关联密切, 决定最终稳定淤积形态的流场特性因子主要有低流速等值线、反向流速区和漩涡结构。

参考文献 (22)

目录

    /

    返回文章
    返回