底部导流式隔板对泥沙导流特性之试验研究(黄进坤,石镇源)

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底部导流式隔板泥沙导流特性之试验研究水利论文6\I]"\![

黄进坤石镇源
1a3tO]#i4d^UI0(国立成功大学 水利及海洋工程学系)

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摘要:本研究于清水冲刷条件下,探讨底部导流式隔板之导流特性及其冲淤现象。依试验结果显示,隔板所造成的冲刷及淤积先随着水流攻角增加而增大,之后,再随着水流攻角增加而略为减小,此转折约介于45°~60°间,视入水深度是否小于0.5倍水深而定。隔板附近冲刷坑发生位置,会随水流攻角增加,起先由上游端往下游端方向移动,之后,再往中心方向移动;冲刷深度和淤积高度随着隔板入水深度之增大而增加,且大约呈现一线性关系;冲刷坑之尖锐度随水流攻角增加而增大且呈一线性关系。

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关键词:底部导流式隔板;泥沙导流;冲刷;淤积

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作者简介:黄进坤,男,国立成功大学助理教授。

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1 前言

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水利工程而言,泥沙输送过程中所造成河床冲刷与淤积是常见的问题之一,目前在冲刷问题方面经常利用蛇龙、消能块、抛石、桩群等等的保护措施;而淤积问题方面常用的措施,如挖泥或抽沙。以上方式之缺点是皆需要投入大量的财力与物力,而且尚无法完全解决现存之问题。因此,如何寻求较简便及安全的方法以达到控制泥沙的输送,是值得深入研究的课题。一简易的隔板,依过去的一些经验似乎可以达到此目的,其是利用导引水流之特性,使泥沙产生偏离现象,而调整河床冲淤的位置,以达到我们利用的目的,其具有构造简单、布置容易、造价低廉与机动性高等优点,是一极具发展性的水工结构物。水利论文btI\d#Qlx

利用导流隔板于现场之应用上,例如:Asano等[1]利用隔板产生之螺旋流以消减因弯道所造成之二次流,减弱二次流对凹岸冲刷之影响,达到保护凹岸的目的;Barkdoll等[2]及Drain[3]利用其特性将水力发电取水口前的泥沙导离取水口,以减少泥沙进入管路中。水利论文hBN6T0q_@9k

关于利用隔板导流泥沙,解决泥沙冲淤问题已有多位学者证实应用在现场于适合场所可以有相当不错的成效。对隔板导流特性的基础研究上,以Odgaard[4,5]较为深入及完整,Marelius和Sinha[6,7]对流场有深入讨论,但是对于隔板布置所产生对泥沙移动所形成河床变化之讨论则较为不足,因此本文主要将进一步探讨水流攻角与隔板入水深度等导流因子对隔板导流特性与底床泥沙冲淤形态的影响,以期能更进一步了解此类水工结构物的特性。

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2 隔板冲刷之原因

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局部冲刷的产生主要是由于水流受水中结构物阻挡,使水流结构产生变化,破坏原有泥沙输送的平衡,而造成河床的变化。本文所谓底部导流式隔板为将隔板底部插入底床内,且其不会因为冲刷而导致底部裸露,隔板之上部可以凸出水面。当隔板凸出水面时,其所受水流之作用大略类似桥墩冲刷(Melville[8]),分成四种:(1)水表面涡流(surface roller),(2)向下水流(downflow),(3)马蹄状涡流(horseshoe vortex),(4)尾迹涡流(wake vortex)。如果隔板未凸出水面时,水表面涡流则不存在。向下水流及马蹄状涡流一般认为是造成局部冲刷最主要因素,而尾迹涡流可将被冲起之泥沙颗粒卷起且输送至下游处。水利论文 l1M/H:G"A?@-s'Q

Marelius与Sinha[6]利用攻角40°所做的实验结果发现,隔板迎水面的水流将因存在一分流线而使水流分成两股分别往隔板两侧绕流而过。而大部分之水流皆由下游端绕经隔板,只有少部份水流经由上游端绕过,流经隔板下游端之水流主要受隔板迎水面的压力分布影响,而绕经隔板上游端之水流主要是受隔板背水面低压分布所控制。因隔板背水面低压的引力所影响,将在隔板后方形成两个逆时针涡流,不同于以往各家学者所假设之小攻角的潜没式隔板将会在后方形成单一螺旋流。水利论文K3t {(vg'}+P

3 实验条件

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  本实验在清水冲刷条件下进行,实验场地为一循环水路系统,渠道长9.8m,宽0.6m之木制渠道,于渠道进水口下游约4m处设一局部加深槽(长80cm、宽50cm、深20.3cm)作为实验段。试验泥沙之中值粒径为0.65mm,几何标准偏差()为1.18,比重为2.64,均匀系数(Cu=d60/d10)为1.28,式中d10、d15.9、d60、d84.1分别为泥沙筛分析通过10%、15.9%、60%、84.1%之孔径大小,泥沙起动流速为29.6cm/s。水流流速为25.4cm/s,水深D为6cm,实验冲刷时间为6小时,底床可以达到平衡状态。
4 试验结果与讨论

h*BOG/Nz|0j M1B04.1 水流攻角对隔板泥沙导流能力的影响

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"@'VK:q} } X0隔板以丙烯酸树脂(acrylic resin)为材料,厚0.2cm、长6cm,底部埋入河床深度大于冲刷深度而顶部露于水中一固定高度h。试验隔板布置如图1所示。水利论文X;{6W:{`'u7i*G

1 隔板配置示意图
3r%gr6x;Q.X!\0Fig.1 Scheme of panel set

水利论文)X2P7x)?x Q1I

2 隔板入水深度为0.3倍水深时,不同水流攻角θ对床形变动之影响(等高线为冲淤深度/最大冲刷深度,正值表示淤积,负值表示冲刷)
7I7] PL%~1@"M6K0Fig.2 Bed variation for different θ in h/D=0.3
O5V0Q`+i*s6Nc0(The contours are scour or deposition depth, positive shows deposition,
水利论文3A(t%t5g8yw"s!mqY,]
negative shows scour)

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  当水流通过隔板时,位于隔板两端之底床将直接受涡流影响而产生冲刷,其中位于隔板上游端处更因与水流呈逆向相交状态,形成较强烈的涡流,导致其冲刷更剧烈且位于其下游端。根据Barkdoll等[9]的研究发现,水流绕经底部导流式隔板上游端后,会在隔板背水面接近底床附近产生一螺旋流,将泥沙往上带离底床,由冲刷坑淘起之沙粒藉尾迹涡流带往下游处沉积。水利论文^6]SF%_$T(n*@Z@

  水流攻角θ对冲淤之影响,依实验结果示于图2中,在隔板h/D=0.3时,不同水流攻角变化下,由相对等冲淤分布图(冲淤量对最大冲刷深度之比值)可以看出,隔板处的冲刷范围随着θ增加而变大,而于θ=45°时达到最大值;就隔板下游处冲淤型态之发展趋势而言,于θ>30°时大略相似;主要淤积区位于隔板下游端近中心线处,若依最大淤积点而言,随着θ之增大而逐渐远离隔板,但是在45°时达到最远处,之后,于60°时又再接近隔板,表示着依导流效应而言,θ=45°者比60°者为佳。

7?EK.AS,th@%[0  θ对冲刷深度ds和水深D比值ds/D的关系如图3所示,ds为由原始底床到最大冲刷点之高度,由图3知,随着θ增大冲刷深度随之增加,但是约于45°到60°时达到最大值,之后再略为下降,当h/D小于0.5时,攻角60°之冲刷深度明显小于攻角45°者,造成此现象的原因,是由于侧向流速的影响相对减少所致;水利论文sq{,~ C w5k!oA7l,HZJ

3 水流攻角θ与冲刷深度水深比值ds/D之关系水利论文\5B1F+mu6D
Fig.3 The relationship betweenθand ds/D

ds/D值除了于h/D=1且θ=60°时大于1之外,其余均小于1。我们知道造成局部冲刷的主要机制‘马蹄形涡流’是由向下水流与侧向水流相结合而成的,向下水流的强弱决定了隔板基础处局部冲刷的能力,而侧向水流则是将泥沙导流出冲刷坑的主因,当导流隔板水流攻角小时,所形成的向下水流并不大,故造成的冲刷亦小;随着θ加大,向下水流也随之加强,由马蹄形涡流所造成的冲刷坑也随之加深,但是当隔板之θ大于某一角度后,侧向流速因θ增加而减缓,致使泥沙不易被带离冲刷坑,反而使局部冲刷现象减弱;因此,依现有的实验资料,我们发现当h/D小于0.5时,侧向流速之影响能力在θ为45°时已达极点,而h/D不小于0.5时,则在θ为60°时才发生。

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4 水流攻角θ与冲刷坑位置对隔板长度比值Ps/0.5L之关系
s8VwvN[0Fig.4 The relationship betweenθand Ps/0.5L
5 水流攻角θ与淤积高度对水深比值dd/D之关系
#p.{ OU*~)g9]!y:br0Fig.5 The relationship betweenθand dd/D
  另外,因为侧向流速可将泥沙导离隔板而向下游移动,其强弱控制着冲刷坑的位置,若我们定义以隔板中心为原点,沿着隔板中心向上游端方向为正,向下游端方向为负。隔板附近之冲刷坑受θ之影响结果示于图4,由图4我们可以发现,冲刷坑最深点之位置,在θ=15°时较靠近隔板上游端,于θ=30°、45°时则游移至隔板下游端处,此时之Ps/0.5L即转为负值,Ps为冲刷坑最深点之位置至隔板中心之距离,待θ=60°时又回移至导流隔板中心稍偏向隔板上游端处,此种趋势受h/D之影响不明显,于θ=90°时则发生于隔板两端,其正负值视较大冲刷者发生于左或右而定。水利论文{x |k9v a

  依本文之清水冲刷条件,淤积现象乃因於水流强度减弱至无法带动泥沙的情形下而使泥沙沉积下来。水利论文q$T.nv"P D@R)f

6 水流攻角θ与最大淤积处在水流方向距离Xd之关系
H Sm.Eiq*BJR ]0Fig.6 The relationship betweenθand Xd
  由图5可看出,淤积沙堆之相对淤积高度dd/D受θ之影响,dd为由原始底床到最大淤积点之高度,其发展趋势和冲刷坑深度之情况相类似,泥沙淤积的规模会随攻角增加而越趋明显,但是由于在水流攻角条件过大时,隔板的导流能力降低,致使在隔板入水深度小于0.5倍水深的条件下,θ=60°之淤积高度反而小于45°者。若探讨其发生位置,我们可以发现,当水流攻角小时,导流隔板后方形成之螺旋流强度不大,涡流结构易于传递过程中瓦解,故泥沙之输送能力不佳,淤积也常发生於隔板后方不远处;随着水流攻角增加,隔板之导水能力增强,更有助于涡流结构的补强,而将泥沙携带至较远处淤积,因此,依泥沙淤积位置之远近,可以显示出导流涡流之强弱;但是当隔板水流攻角持续增加达一程度后,流经隔板之水流受阻成分将增强,致使导流效应无法再发展,即导流强度不再随水流攻角增加而增强;反而有减弱的趋势,由图6中发现,θ=60°时输送泥沙的能力不及θ=45°者,甚至不及θ=30°者。由上述结果证明,隔板的配置存在一最佳导流水流攻角,其值介于45°至60°间。水利论文&[vr;E-Iy

4.2 隔板入水深度对于隔板导流能力的影响

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${3Z*AMuq0  针对隔板入水深度对冲刷坑深度的影响而言,图7中,在θ=30°的条件下,不同h/D之相对等冲淤(冲淤深度对最大冲刷深度之比值)变化分布结果,从图中我们发现,由于淤积沙堆的发生位置及型态受隔板后方螺旋流的影响甚钜,当h/D=0.2时,淤积沙堆位置发生于下游端下游侧,随着h/D的增加,泥沙堆积位置逐渐往中线移动,约于h/D=0.4时已趋稳定,且其范围于h/D=0.8时约以中心线呈现左右对称之现象;冲刷的范围亦随h/D的增加而逐渐扩大,直至h/D=0.5时大底稳定;於沿隔板下游端方向有一冲刷坑序列存在,其随h/D的增加而更明显,约于h/D=0.5时亦趋稳定。

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7 水流攻角30度时,不同隔板入水深度对床形变动之影响
Jdj:l)aV A0(等高线为冲淤深度/最大冲刷深度,正值表示淤积,
水利论文6R^,v3k(gz
负值表示冲刷)
Z _m d ` X`7T[0Fig.7 Bed variation for different h/D in θ=30°
mJ3a$e o6b0(The contours are scour or deposition depth, positive shows deposition, negative shows scour)

由图8中可看出,冲刷坑深度ds/D与隔板入水深度h/D是呈一线性关系,h/D越大则冲刷深度越深。此显示隔板入水深度越大时,隔板阻水面积越大,所阻挡的水流越多,造成的向下水流越增强,故引起的冲刷现象就越明显。水利论文d2uX/o+n

8 隔板入水深度对水深比值h/D与冲刷深度对水深水利论文+ceX3_[/F
比值ds/D之关系水利论文2[ yXC!fsRZ
Fig.8 The relationship between h/D and ds/D
9 隔板入水深度对水深比值h/D与淤积高度对水深
*usL"dI-HWyY0比值dd/D之关系水利论文U:d5N2JAc.yr[
Fig.9 The relationship between h/D and dd/D
  就淤积沙堆之高度与隔板入水深度之关系,我们由图9中可以明显发现,在同一水流攻角条件下,泥沙淤积的高度随着隔板入水深度之增大而增加,且呈一线性关系。

(w |S%E,R+RT;@0  若以冲刷坑深度ds对其长度a之比值视为此冲刷坑的尖锐度ds/a,此值受水流攻角影响之结果,见图10所示。由图10知,冲刷坑尖锐度随着水流攻角增加而增大,两者呈一线性关系,且受隔板入水深度影响而略有变化,但是无明显之规律存在。

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,? S[9R3v S05 结论

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ByG4i%si0  於清水冲刷条件下,经由上述实验结果分析与讨论,我们可以得到以下几点结论:

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10 水流攻角θ与冲刷坑尖锐度ds/a之关系水利论文8f q'y+nI#NKF.ZN
Fig.10 The relationship between θ and ds/a

(1)隔板所造成的冲刷深度及淤积高度,先随着水流攻角之增大而增大,但于h/D<0.5时,θ=45°可达最大值,而于h/D≥0.5倍时,在θ=60°才达最大值,之后,随着水流攻角之增大而略为减小。水利论文8\x!^7M#r[

(2)隔板附近冲刷坑之位置,会随水流攻角增加,起先由上游端往下游端方向移动,之后,再往中心方向移动。水利论文/f*PPZr4mc'@

(3)冲刷深度和淤积高度随着隔板入水深之增大而增加,且大约呈现一线性关系。

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(4)冲刷坑之尖锐度随着水流攻角之增加而增大,两者呈一线性关系。

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(5)淤积区域在h/D≤0.6时偏向下游端,h/D>0.6之后,则在中心线约呈一对称分布。水利论文$_%hp0o8W

参 考 文 献

,|_8G8qi,L0

[1] Asono,T., Odgaard,A.J., and Kennedy,J.F.(1984),“Prevention of Local Scouring at River-Bend by Iowa Vanes,”Journal of Hydroscience and Hydraulic Engineering,Vol.2,pp.1-13.

y+z_G{0

[2] Barkdoll,B.D.,Hagen,B.L.,and Odgaard,A.J.(1995),“Sediment Exclusion at Hydropower Intakes Using Submerged Vanes”,Waterpower-Proceedings of the International Conference on Hydropower ,ASCE,Vol.3,pp.1915-1924.水利论文(pv~|Tm^^8B

[3] Drain,M.A.,Hotchkiss,R.H.,Hendrickson,M.C., and Holloway,R.E.(1995),“Hydraulic Model Investigation of Submerged Vanes for the Intake Structure at Fort Calhoun Station”,International Water Resources Engineering Conference-Proceedings,ASCE,Vol.2,pp.1234-1238.水利论文 ?s6\]5lC EMjH

[4] Odgaard,A.J., and Wang,Y.(1991),“Sediment Management with Submerged Vanes.I:Theory”,Journal of Hydraulic Engineering,ASCE,Vol.117,No.3,pp.276-283.水利论文"^8t;x$@g {.n!Db

[5] Odgaard,A.J., and Wang,Y.(1991),“Sediment Management with Submerged Vanes.Ⅱ:Applications”,Journal of Hydraulic Engineering,ASCE,Vol.117,No.3,pp.284-302.

P\.p%w$WLWi.c0

[6] Marelius,F., and Sinha,S.K.(2000),“Analysis of Flow Past Submerged Vanes”,Journal of Hydraulic Research,Vol.38,No.1,pp.65-71.

y(Yhk]e(^'n:[ h0

[7] Marelius,F.and,Sinha,S.K.(1998),“Experimental Investigation of Flow Past Submerged Vanes”,Journal of Hydraulic Engineering,ASCE, Vol.124,No.5,pp.542-545.水利论文ast&rLG-Wv7D

[8] Melville,B.W.,and Raudkivi,A.J.(1977),“Flow Characterristics in Local Scour at Bridge Piers”,Journal of Hydraulic Research,Vol.15,pp.373-380.水利论文C#O T C0yKkf

[9] Barkdoll,B.D.,Ettema,R., and Odgaard,A.J.(1999),“Sediment Control at Lateral Diversions:Limits and Enhancements to Vane Use,”Journal of Hydraulic Engineering,ASCE,Vol.125,No.8,pp.862-870.

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