不同形式丁坝对泥沙扩散试验研究

陈聪聪

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2.重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

丁坝是长江航道整治中最常见的坝体类整治建筑物，其主要功能为保护河岩不受来流直接冲蚀而产生掏刷破坏以及改善航道、维护河相以及保全水生生息场多样化，同时对水体中的泥沙输移有着重大影响。航道中的丁坝可以有效截留泥沙，防止吸附重金属离子的悬移质继续扩散，改善丁坝下游的水体环境。Uijttewaal[1]通过物理模型试验得出了对于丁坝设计所改变的细微变化可以对河床的形态变化、水流之间的相互作用以及泥沙输移等都会产生复杂影响，对于综合考虑河流系统在生态、航运及防洪方面的优化有很大意义；黄岁梁[2]等研究得出对于同等水体条件，泥沙粒径越小，其比表面积越大，对重金属污染物的吸附能力就越强。长江的重金属污染多来自化工厂和人们日常的污水排放，即为点源排放。本文研究航道整治中最常见的普通实体丁坝及课题组提出已获国家专利的新形丁坝对泥沙扩散的影响，所得结果对选取坝体曲线和空隙尺寸以及更好发挥丁坝在航道整治的作用，具有一定的参考价值。

1 物理模型试验

1.1 模型丁坝设计

1)常规丁坝的设计

搜集长江中游航道整治工程中丁坝尺寸和特征值，根据现场实际工程中丁坝的尺寸和特征值，结合模型比尺，确定模型试验丁坝尺寸和特征值。以护岸固滩为目的的丁坝，一般都是长度和河宽比小于0.33的正挑短丁坝，坝高取6 m，坝宽3 m，坝头顶部直径为3 m的半圆，丁坝迎水坡坡度为1:1.5，背水坡坡度为1:2；沿坝轴线向河坡坡比为1：3。结合模型比尺，物理模型丁坝坝长为125 cm，坝宽为60 cm，坝高为15 cm，坝头为半径30 cm的半圆(如图1所示)。

a 丁坝平面示意

b 丁坝横断面示意

2)新形丁坝的设计

借鉴水利工程中溢流堰溢流面具有水流平顺、不产生不利的负压和空蚀破坏、形体简单、造价低、便于施工等特点，丁坝背水坡曲线由顶部曲线段、中间直线段和返弧段组成，丁坝迎水坡曲线由顶部曲线段和返弧段组成。顶部曲线段基于WES曲线进一步优化得到，返弧段为圆弧曲线，中间直线段与顶部曲线段和下部返弧段相切。丁坝迎水坡坡度为1：1.3，背水坡坡度为1：3.5。丁坝坝体由坝根、坝身和坝头三部分组成。该新型透水丁坝为可拼装结构。坝根由混凝土构件拼接而成。

坝身设计需保持合适的透水率，实现对水流有导有透，坝身由混凝土透水构件拼接而成，透水构件为在混凝土构件上剖出一个拱洞，拱洞剖面由半圆和矩形组成。其大小分别为2 cm和3 cm，根据丁坝透水构件的孔洞面积与实体丁坝构件表面积之比确定丁坝孔隙率，对应孔隙率分别为8%和16%(如图2所示)。

a 混凝土构件示意

c 丁坝实体示意

1.2 试验方案设计

试验在重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心长30 m、宽3 m的矩形水槽中进行，采用概化定床模型，模型比尺为1：40，槽底比降为0.05%，水面比降通过尾门控制调节。通过流量计查看流量的实际大小，然后使用手动阀门控制水槽的流量变化。使用ASM-IV测量水体中的悬沙浓度(有多个通道，96通道距槽底3 cm，以此类推)，使用水位测针读取丁坝周围的水深。采用流量为142 m3/s，水深控制为18.5 cm。长江中的悬移质泥沙多为小粒径泥沙，所以试验选用粒径在0.007 5 mm以下的模型沙模拟航道中的悬移质，每次实验向水槽中匀速倒入1 L浓度为200 g/L 的模型沙悬浊液。因每次测量仅能在一个测点位置进行，所以此位置测量完成后，需将水槽淤积的泥沙打扫干净，才可进行下次实验观测，以保证数据的准确性。投放点位置以及浓度测量点的位置如图3所示。通过组合不同结构形式丁坝和不同流量水流条件进行了35组工况实验。

将ASM-IV放置水中测量悬沙的浓度，由于其竖向有多个感应器，即同一时刻可测量多组数据，求出同一时刻所有水中传感器所测量数据的期望值，将期望值作为此时刻该测点的平面平均浓度。

图3 实验布置示意(单位：cm)

2 实验结果分析

2.1 丁坝对污染物扩散的影响

选取普通实体丁坝、流量为142 m3/s进行实验，测量8#断面(坝前断面)和主流线纵向各测点浓度。绘制8#断面各测点浓度随时间的变化(如图4～5所示)，将各测点最大浓度与泥沙到来前(浓度突然增加前)平均浓度之差作为此测点最大浓度差，绘制各测点最大浓度差与测点距左岸距离关系(见图6)。同理，绘制纵向各测点最大浓度差与丁坝中轴线距离关系(见图7)。

分析图6可知，距离左岸最近测点的最大浓度差最大，随着与左岸距离的增大，最大浓度差逐渐变小，2号测点为8#断面所有测点中最大浓度差最小的一个，当测点越来越靠近主流线时，最大浓度差越来越大。丁坝放置水槽中，与无丁坝水槽最直接的差别是使水体发生分流，形成明显的坝前回水区，距左岸越近的区域流速越小，靠近主流线的区域越大。在左岸投放点投放泥沙之后，受坝前回水区的影响，流速较大的水体会携带一部分泥沙汇聚于主流线上，所以主流线上测点的泥沙浓度大于主流线之外的测点；另外一部分泥沙进入回流区之后，越靠近丁坝的区域流速越小，而且距离左岸更近的区域分流越少，所以泥沙聚集于左岸的回流区，造成1号测点最大浓度差为8#断面最大的结果；测点2虽然位于坝前回流区，但其上游区域分流较多，绝大多数泥沙都随水流汇聚于主流线上，所以最大浓度差最小，且向主流线的横向方向最大浓度差逐渐增大。

图4 8#断面1号测点平均浓度示意

图5 8#断面3号测点平均浓度示意

图6 8#断面最大浓度差与左岸距离关系示意

分析图7可知，受坝前回流区影响，主流线上于坝头位置泥沙聚集的最多，所以坝头位置的测点泥沙最大浓度差最大。水流经过坝头，受坝头影响，会产生向坝后回流区的漩涡，水体将泥沙带入坝后回水区，所以下游方向距丁坝中轴线越远的区域最大浓度差越小。

图7 纵向最大浓度差与丁坝中轴线距离关系示意

2.2 不同剖面丁坝对扩散影响的差异分析

为了验证新形实体丁坝和普通丁坝对泥沙截留作用的区别，选取普通实体丁坝和新形丁坝，分别在流量为156 m3/s的条件下进行实验。由2.1可知，坝前断面2号测点与其他测点的差异最大，绘制出2种丁坝8#断面2号测点平面平均浓度变化进行比较分析(见图8～9)。

图8 普通丁坝8#断面2号测点平均浓度示意

图9 新型实体丁坝8#断面2号测点平均浓度示意

分析图8～9得知，对于同样的工况及测点而言，当上游泥沙随水流经过2种丁坝时，泥沙浓度都会突然增大，经过一段时间后，泥沙随水流漫过丁坝向下游流去，2种丁坝同测点的浓度会慢慢变小，最后趋于稳定，但此时的泥沙浓度均大于泥沙经过丁坝之前的浓度。相比于普通丁坝，新形实体丁坝8#断面2号测点泥沙浓度变化较大且泥沙停留时间要长，因为曲面型剖面丁坝的阻水作用比直线型剖面丁坝更强，使得新型实体丁坝坝前流速小于普通丁坝，泥沙于此测点停留的时间更长。

2.3 不同空隙尺寸丁坝对扩散影响的差异分析

选取空隙尺寸为2 cm和3 cm的新形丁坝，分别在流量为142 m3/s的条件下进行试验。由于实验中的丁坝具有一定尺寸的空隙，所以泥沙不仅可随水流漫坝，也可通过丁坝的空隙穿过丁坝。测量2种工况的8#断面2号测点和9#断面的2号测点，分析2种不同孔隙率丁坝坝前和坝后泥沙浓度的差异(见图10～13)。

分析图10和图12，2 cm空隙尺寸新形丁坝与3 cm新形丁坝相比,坝后浓度持续时间较短，泥沙浓度峰值高于3 cm新形丁坝。分析图11和图13，不同空隙尺寸的新形丁坝的坝前平均浓度增加的时间都接近相等，但随着空隙尺寸的增加，坝前浓度的增幅越来越大，2 cm新形丁坝和3 cm新形丁坝的坝前泥沙浓度在泥沙到来之前与泥沙完全经过测点之后未存在明显差距。由于较小的空隙尺寸会造成坝前回流区的流速过小，回流区流向主流线的泥沙也过多，所以空隙尺寸越小的丁坝坝前泥沙增幅越小。对于坝后回流区，空隙尺寸越大的丁坝，因坝头产生的漩涡所被带到坝后回流区的泥沙越多，通过这种途径到达9#断面2号测点的泥沙晚于直接漫坝或者通过孔洞到达9#断面2号测点的泥沙，所以其泥沙持续的时间越长。

图10 2 cm丁坝9#2号测点平均浓度示意

图11 2 cm丁坝8#2号测点平均浓度示意

图12 3 cm新形丁坝9#2号测点平均浓度示意

图13 3 cm新形丁坝8#2号测点平均浓度示意

3 结语

通过水槽模型试验，分析研究了不同流量条件下，不同结构形式丁坝对泥沙扩散的影响，主要结论如下：

1)丁坝通过形成回流区来影响泥沙的扩散，对于上游来沙，横向来看，越靠近左岸和主流线的区域泥沙浓度变化最大，坝体中部的泥沙浓度变化最小；纵向来看，主流线在坝头附近的泥沙浓度变化最大，上下游主流线泥沙变化浓度较小。

2)同一流量情况，新形实体丁坝较之普通丁坝的坝前泥沙停留时间更长。新形丁坝的透水性越大，坝前泥沙浓度增幅越大，坝后泥沙浓度的增幅越小且泥沙浓度保持增长的时间越长，不同空隙尺寸丁坝的坝前泥沙持续时间无明显差异。