有丁坝模型变率影响试验

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：#5模型有丁坝时的流速偏离值明显大于无丁坝时的，说明模型变率对有丁坝时的流场影响大于无丁坝时的流场。对丁坝时，#1、#2、#3和#4模型航道平均淤积厚度分别为0.525m、0.58m、0.536m和0.616m，模型变率对航道淤积厚度影响不明显。

分别进行三种丁坝布置方案试验，即有N1丁坝和S2丁坝的“斜对丁坝”、有N1和S1丁坝的“对丁坝”和有N1、N2、S1和S2 “四条丁坝”。

10.3.4.1　变率对航道流速的影响

1.与#1和#2模型流速平均值比较

斜对丁坝时，#3 模型的偏离值约在-13%～7%，#4 模型的偏离值约在-5%～13%，#5模型的偏离值约在8%～36%。

对丁坝时，#3模型的偏离值约在-16%～8%，#4模型的偏离值约在-6%～16%，#5模型的偏离值约在13%～44%。

四丁坝时，#3模型的偏离值约在-7%～7%，#4模型的偏离值约在-1%～12%，#5模型的偏离值约在6%～31%。

#5模型的偏离值相对误差最大，#4模型和#3模型次之，即随着变率的增大，各测点的涨落潮平均流速的相对误差也增大。#5模型有丁坝时的流速偏离值明显大于无丁坝时的，说明模型变率对有丁坝时的流场影响大于无丁坝时的流场。

2.与各模型流速平均值比较

斜对丁坝时，#1模型的偏离值在-9%～11%，#2模型的偏离值在-13%～-4%，#3模型的偏离值在-13%～-2%，#4模型的偏离值在-7%～5%，#5 模型的偏离值约在6%～24%。

对丁坝时，#1模型的偏离值在-18%～7%，#2模型的偏离值在-10%～-1%，#3模型的偏离值约在-16%～4%，#4模型的偏离值在-11%～6%，#5模型的偏离值在10%～27%。

四丁坝时，#1模型的偏离值在-7%～3%，#2模型的偏离值在-12%～-2%，#3模型的偏离值约在-9%～1%范围，#4模型的偏离值在-3%～7%范围，#5模型的偏离值在3%～20%。

可以看到，有丁坝时#1模型～#4模型的涨落潮平均流速偏离幅度相差不大，#5模型涨落潮平均流速均较平均值增大，变率对#5模型流速的影响是明显的。

10.3.4.2　变率对清水动床模型航道冲淤的影响

在#1～#4模型分别进行了大潮和中潮作用下的清水动床试验，测量斜对丁坝、对丁坝和四丁坝布置条件下的航道冲淤厚度，试验时间相当于原型半年。

1.大潮时航道冲淤变化

斜对丁坝时，各模型航道断面平均冲刷深度较无丁坝时大，#1～#4模型航道底宽上的平均冲刷深度分别为-0.129m、-0.164m、-0.085m 和-0.136m，边坡上的平均冲刷深度分别为-0.120m、-0.144m、-0.197m 和-0.208m。

对丁坝时，#1～#4 模型航道底部平均冲刷深度分别为-0.140m、-0.198m、-0.127m和-0.177m，边坡平均冲刷深度分别为-0.119m、-0.178m、-0.198m 和-0.186m。

四丁坝时，#1～#4 模型的航道底部平均冲刷深度分别为-0.236m、-0.249m、-0.203m和-0.216m，边坡平均冲刷深度分别为-0.348m、-0.299m、-0.348m 和-0.344m。

航道的冲刷深度由大到小依次为四丁坝、对丁坝、斜对丁坝和无丁坝，航道边坡上的冲刷大于航道内的。当变率在2.5～8.33之间，变率对航道及边坡上的冲刷深度影响不明显。

2.中潮时航道冲淤变化

斜对丁坝时，#1～#4 模型的航道平均冲刷深度分别为-0.085m、-0.099m、-0.114m和-0.117m，边坡的平均冲刷深度分别为-0.107m、-0.113m、-0.145m 和-0.144m。

对丁坝时，#1～#4模型航道平均冲刷深度分别为-0.159m、-0.155m、-0.164m和-0.154m，边坡平均冲刷深度分别为-0.121m、-0.186m、-0.186m 和-0.258m。

四丁坝时，#1～#4模型航道平均冲刷深度分别为-0.166m、-0.188m、-0.141m和-0.182m，边坡平均冲刷深度分别为-0.234m、-0.312m、-0.249m 和-0.354m。

航道的冲刷深度由小到大依次为斜对丁坝、对丁坝和四丁坝;当变率在2.5～8.33之间时，变率对航道平均冲刷深度的影响不明显。

10.3.4.3　变率对悬沙定床模型航道回淤的影响

按模型设计要求的含沙量和悬沙粒径，在各模型上进行枯季大潮对丁坝布置时悬沙定床试验。模型上含沙量为3.0kg/m3，相当于原型含沙量1.56kg/m3，涨潮时在尾门处加沙，落潮时在上游扭曲水道加沙，每隔20min在上下游口门处监测一次含沙量。试验时间相当于原型半年。

对丁坝时，#1、#2、#3和#4模型航道平均淤积厚度分别为0.525m、0.58m、0.536m和0.616m，模型变率对航道淤积厚度影响不明显。

10.3.4.4　变率对悬沙动床模型航道冲淤的影响

在#1、#3和#4模型上分别进行了大潮作用下四丁坝布置方案的悬沙动床试验，试验时间分别相当于原型半年。上游和下游含沙量控制站的含沙量控制在1.8～2.0kg/m3范围。在一个涨落潮的过程中分别在中潮位、高潮位、中潮位和低潮位测4个含沙量值，平均后作为该潮的平均含沙量。航道底宽和边坡淤积厚度测量与悬沙定床试验相同。

四丁坝时，#1、#3和#4模型航道冲淤形态基本相似，#1、#3和#4模型航道底宽平均淤积厚度分别为0.073m、-0.003m 和0.008m，航道边坡平均淤积厚度分别为-0.214m、-0.173m 和-0.195m，变率对航道平均回淤厚度的影响不明显。

10.3.4.5　变率对坝头冲刷坑的影响

在各模型中进行大潮作用下的清水动床试验，试验中每隔一段时间(相当于原型1个小时)测量一次丁坝坝头的冲刷坑深度，直至冲刷坑稳定为止，得到5个模型对丁坝布置时坝头冲刷坑深度随时间的变化，测量稳定后的冲刷坑范围和深度。

在潮流作用下各模型坝头冲刷坑不断冲深，#1、#2和#3模型的冲刷坑发展过程基本一致，#4和#5模型的冲刷坑一开始发展很快，在2～3h后就达到稳定冲刷坑深度的一半左右(图10-11和图10-12)。试验结果表明，变率越大，冲刷坑的稳定冲刷深度也越大。对应于北1丁坝坝和南1丁坝，#5模型坝头稳定冲刷深度分别是#1模型坝头冲刷深度的1.9倍和2.0倍，#4模型坝头稳定冲刷深度分别是#1模型坝头冲刷深度的1.4倍和1.5倍。

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图10-11　清水潮流时对丁坝北1丁坝坝头冲刷坑深度变化过程

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图10-12　清水潮流时对丁坝南1丁坝坝头冲刷坑深度变化过程

对于变率小于6的三个模型，北1坝头和南1坝头的冲刷坑面积相差不大;当模型的变率在8以上时，坝头冲刷坑的面积比模型变率为2.5的冲刷坑面积要大1.5～5倍。

表10-4　潮流作用下各模型对丁坝冲刷坑稳定冲刷深度

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表10-5　清水潮流时对丁坝坝头稳定冲刷坑的平面面积

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图10-13　清水潮流时对丁坝坝头稳定冲刷坑的平面面积

系列模型坝头冲刷试验表明，变率越大，冲刷深度和冲刷范围也越大。当变率小于或等于6 时，各模型坝头冲刷过程、冲刷深度和冲刷坑面积都较接近;当变率大于6时，冲刷坑的发展过程、冲刷深度以及冲刷坑面积都发生很大变化。因此，变率6是模型的临界变率。

综上所述，通过对潮流、波浪作用下的泥沙模型变率影响研究，得到以下结论:

1.无丁坝时

各模型涨潮平均流速和落潮平均流速基本不受模型变率的影响;模型变率小于8时，变率对波高的影响不明显，当模型变率为12.8时，变率对各个模型边滩和航道内的波高影响较大;无论是潮流作用还是潮流波浪共同作用，当变率小于8时，模型变率对航道及边坡上的冲刷深度影响不明显;单独潮流作用时，当变率小于8时，模型变率对航道悬沙回淤的影响不大。当潮流波浪共同作用时，变率小于6对航道回淤的影响不大;变率等于或大于6，对航道回淤有较显著的影响;模型变率对大潮中浪作用下的航道回淤影响大于对大潮无浪作用下航道回淤的影响;在潮流作用下，当变率小于8时，模型变率对航道底宽上的平均回淤厚度影响不明显，对航道边坡上泥沙回淤厚度的影响也不太明显;当变率小于8时，模型变率对无浪和中浪作用下的底沙输沙量影响不大;当变率小于6时，模型变率对大浪作用下的底沙输沙量影响不大，当变率大于6，模型变率对底沙输沙量的影响显著。

2.有丁坝时

变率为12.8的模型航道内流速明显大于小变率模型内的流速，因此，研究有丁坝整治建筑物的航道水流问题时，模型变率应小于8;清水动床试验中航道的冲刷深度由大到小依次为四丁坝、对丁坝、斜对丁坝和无丁坝，航道边坡上的冲刷大于航道内的冲刷;当变率在2.5～8.33之间，变率对航道及边坡上的冲刷深度影响不明显;模型变率对悬沙定床和悬沙动床模型航道沿程的淤积强度和淤积分布的影响不明显;坝头冲刷坑深度和冲刷范围与模型的变率成正比，即变率越大，冲刷坑越深，冲刷坑的面积也越大;一对丁坝布置时模型变率对冲刷坑的影响小于两对丁坝布置时的影响，即模型变率对丁坝群冲刷的影响更大。

有丁坝模型变率影响试验

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