丁壩沖刷及整流樁防護(hù)措施研究

1、丁壩沖刷及整流樁防護(hù)措施研究張俊華，陳書奎，馬懷寶，李書霞，李 濤，李昆鵬（黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）摘 要：通過(guò)丁壩局部模型試驗(yàn)進(jìn)一步研究丁壩沖刷機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)丁壩防護(hù)問(wèn)題，提出了改變以往被動(dòng)防護(hù)為主動(dòng)防護(hù)的思路，即在丁壩壩體布設(shè)整流樁這樣一種新型的防護(hù)措施。相應(yīng)的模型試驗(yàn)結(jié)果表明，整流樁可有效改善丁壩壩頭局部水流結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使丁壩壩頭沖刷坑深度減小，最大沖刷部位偏離，有利于丁壩的穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：丁壩 沖刷 整流樁 防護(hù)丁壩具有導(dǎo)流、護(hù)岸、防沖和穩(wěn)定河勢(shì)的作用，是保灘護(hù)岸工程中最為常見(jiàn)的水工建筑物之一。近年來(lái)，黃河下游修了很多由丁壩組成的護(hù)灘控導(dǎo)工程，逐步形成了“以壩

2、護(hù)彎、以彎導(dǎo)流”的整治模式。黃河上修筑的壩工，一般為非淹沒(méi)式的下挑丁壩，根石多為散拋塊石結(jié)構(gòu)。黃河下游河床抗沖性差，往往在壩頭形成沖刷坑，進(jìn)而引起根石走失，危及壩體安全。為改變傳統(tǒng)壩岸工程頻繁搶險(xiǎn)的被動(dòng)局面，治黃工作者曾利用新材料、新技術(shù)和新工藝進(jìn)行整治工程新結(jié)構(gòu)形式的試驗(yàn)研究，例如混凝土灌注斜墻壩、塑料編織袋護(hù)根壩、網(wǎng)護(hù)壩、沉排壩等，取得了較好的抗沖效果14。然而，這些方法與手段從機(jī)理上講均可稱為被動(dòng)防護(hù)，即通過(guò)不同措施增加壩體的抗沖性。丁壩的沖刷是水流與河床相互作用的結(jié)果。若從改善丁壩壩頭局部水流結(jié)構(gòu)入手，可從根本上緩解丁壩沖刷問(wèn)題，可稱之為主動(dòng)防護(hù)?；谶@種思路，筆者針對(duì)丁壩沖刷機(jī)理進(jìn)行

3、了模型試驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上提出了一種新型的丁壩防護(hù)措施整流樁。1 模型試驗(yàn)裝置及方法筆者在一長(zhǎng)25 m、寬1.8 m的水槽中進(jìn)行了丁壩沖刷機(jī)理及其整流樁防護(hù)效果的試驗(yàn)研究。模型幾何比尺為100、流速比尺為10、床沙粒徑比尺為3.5。水槽進(jìn)口以電磁流量計(jì)控制流量，出口通過(guò)調(diào)整底部高程控制水面比降，床面鋪設(shè)鄭州熱電廠粉煤灰，中徑在0.03 mm左右。模型丁壩按幾何比尺1：100塑造，壩頭為半圓形。壩軸線與水槽邊壁呈30夾角，相當(dāng)于黃河下游下挑式丁壩，壩根與水槽邊壁連接。試驗(yàn)采用恒定流過(guò)程，控制單寬流量為11 m2/s，相當(dāng)于黃河花園口河段8 000 m3/s時(shí)丁壩附近的水力特征，控制進(jìn)口含沙量不大

4、于5 kg/m3。試驗(yàn)內(nèi)容包括丁壩沖刷機(jī)理試驗(yàn)及整流樁防護(hù)效果試驗(yàn)。2 丁壩沖刷機(jī)理丁壩的沖刷是水流與河床相互作用的結(jié)果，探討丁壩局部水流結(jié)構(gòu)不僅具有重要的水力學(xué)研究?jī)r(jià)值，也對(duì)丁壩的實(shí)際工程應(yīng)用有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。許多學(xué)者圍繞丁壩的沖刷進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，目前對(duì)丁壩沖刷機(jī)理的認(rèn)識(shí)存在不同的觀點(diǎn)。筆者試圖通過(guò)試驗(yàn)深化對(duì)丁壩沖刷機(jī)理的認(rèn)識(shí)，此外，該組次的試驗(yàn)結(jié)果可作為分析丁壩整流樁防護(hù)效果的基礎(chǔ)。2.1 丁壩局部水流結(jié)構(gòu)按恒定的進(jìn)口流量及尾門水位控制，丁壩迎水面水位為23.5 m（水槽底部高程為0 m，下同），本次試驗(yàn)過(guò)程中，壩體附近水位及流場(chǎng)變化的觀測(cè)結(jié)果為：（1）由于丁壩的阻水作用，因此壩體上游水

5、位壅高，縱向水面線呈下凹形曲線。（2）水流在丁壩上游中部發(fā)生分離，部分水流下潛，水流壓縮和繞流形態(tài)非常明顯。壩頭上游側(cè)水流集中，水流接近壩頭端時(shí)，流線曲率及流速梯度較大，在壩端上游側(cè)發(fā)生了明顯的分離現(xiàn)象，進(jìn)而形成旋轉(zhuǎn)速度較大的渦漩（見(jiàn)圖1）。渦漩從水底向水面發(fā)展，且自上游向下游移動(dòng)，而后逐漸失。 圖1 丁壩壩頭部位水流結(jié)構(gòu)總體看來(lái)，丁壩改變了局部水流流態(tài)，水流的下潛、壓縮、分離、渦旋的產(chǎn)生和衰減使水流呈強(qiáng)紊動(dòng)性三維結(jié)構(gòu)，上述各種因素共同作用提供了丁壩沖刷的水力條件。2.1 丁壩局部沖刷 圖2 丁壩周圍沖淤形態(tài)黃河丁壩建于沙質(zhì)河床之上，河床抗沖性差。丁壩附近水流一方面將床沙沖起，使壩頭附近沖刷坑

6、逐漸擴(kuò)大；一方面產(chǎn)生橫向及縱向不平衡輸沙，在壩后回流區(qū)及下游產(chǎn)生淤積。試驗(yàn)初期可以看到，壩頭附近床面泥沙被渦旋水流帶至水面，而后向下游輸移的現(xiàn)象。沖刷坑的發(fā)展過(guò)程是由快而緩，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。穩(wěn)定后的沖刷坑呈現(xiàn)出不對(duì)稱的形態(tài)，最深點(diǎn)位于壩頭壩軸線附近，高程3 m。最大沖刷坑水深20.5 m。最深點(diǎn)上游部位邊坡較陡，下游坡度較緩（見(jiàn)圖2）。沖刷坑下游邊緣至下游一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)順?biāo)鞣较虻挠俜e帶。丁壩背水面產(chǎn)生淤積。3 整流樁防護(hù)試驗(yàn)基于上述丁壩沖刷機(jī)理的試驗(yàn)，從改變丁壩局部水流結(jié)構(gòu)入手，在丁壩頭部附近布設(shè)了整流裝置。整流樁布設(shè)于丁壩前端半圓直徑的延長(zhǎng)線上，距丁壩軸線2035 m之間，長(zhǎng)15 m，透

7、水率為 圖3 整流樁及布設(shè)部位 50，見(jiàn)圖3。由試驗(yàn)過(guò)程可以看出，丁壩壩頭附近設(shè)置整流樁可明顯改善壩頭局部的水流結(jié)構(gòu)。整流樁使高流速區(qū)偏離壩頭，而且使得對(duì)壩頭沖刷作用大的渦漩遠(yuǎn)離壩頭（見(jiàn)圖4）。整流樁的阻水作用使其前方產(chǎn)生壅水，其后方流速明顯減小，見(jiàn)圖5。 圖5 整流樁下游垂線流速分布 圖4 布設(shè)整流樁后丁壩壩頭部位水流結(jié)構(gòu)圖6 布設(shè)整流樁后丁壩周圍沖淤形態(tài)丁壩壩頭的失穩(wěn)不是水流對(duì)根石的直接沖刷，而是由于沖刷坑的發(fā)展引起根石坍塌所致。減輕水流對(duì)壩頭局部河床的沖刷強(qiáng)度，或使沖刷坑偏離壩頭，這正是整流樁通過(guò)改善水流結(jié)構(gòu)而達(dá)到的目的。圖6為增加整流樁防護(hù)措施后，在沖刷達(dá)到穩(wěn)定的情況下所形成的沖刷坑，

8、最深點(diǎn)高程為6 m，與圖1對(duì)比，沖刷坑最大水深由20.5 m減少至17.5 m，沖刷坑最深點(diǎn)部位由壩軸線的連線處向上游偏離約45，丁壩下游的淤積范圍擴(kuò)大。圖7 整流樁位置改變后丁壩周圍沖淤形態(tài)在圖6地形基礎(chǔ)上，將整流樁向坡腳方向外移至距丁壩軸線3045 m之間，進(jìn)行相同水流條件及歷時(shí)的試驗(yàn)，穩(wěn)定后地形見(jiàn)在圖7。對(duì)比在圖6及圖7，最大沖刷坑水深由17.5 m減小至14.5 m，且部位進(jìn)一步上移，這就意味著整流樁布設(shè)的位置不同，其防護(hù)效果亦不同。此外，進(jìn)行了整流樁不同長(zhǎng)度、不同透水率的對(duì)比試驗(yàn)，其定量結(jié)果還有待于進(jìn)一步研究。4 結(jié)語(yǔ)（1）丁壩附近水流的壓縮、分離、渦旋的產(chǎn)生和衰減使水流呈強(qiáng)紊動(dòng)性三

9、維結(jié)構(gòu)，上述各種因素共同構(gòu)成丁壩沖刷的水力條件。黃河沙質(zhì)河床抗沖性差是產(chǎn)生沖刷坑的直接因素。沖刷坑的發(fā)展過(guò)程由快而緩，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。（2）河床邊界條件及丁壩體形確定后，水流結(jié)構(gòu)是造成丁壩沖刷形態(tài)及過(guò)程的決定因素。整流樁可有效改善壩頭局部水流結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使沖刷坑深度減小，深泓點(diǎn)位移，對(duì)丁壩的穩(wěn)定有利。本階段研究?jī)H僅是對(duì)設(shè)想的的初步驗(yàn)證，下階段將進(jìn)一步研究整流樁布設(shè)位置、長(zhǎng)度、高度與透水率等指標(biāo)的優(yōu)化組合。此外，由于整流樁使丁壩下游的防護(hù)范圍擴(kuò)大，可否增大丁壩之間的間距，以及丁壩群的防護(hù)問(wèn)題均需進(jìn)一步研究。（3）由于丁壩的失穩(wěn)不是水流直接沖刷造成的，因此整流樁可直接埋置在壩體的坡面上，坡面的石材結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗沖性，在不出現(xiàn)坡面整體位移的情況下，整流樁具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。此外，可否將整流樁設(shè)計(jì)成非接觸式的結(jié)構(gòu)形式還有待進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)1 張俊華，許雨新，張紅武，等.河道整治及堤防管理M.鄭州：黃河水利出版社，1998.2 張紅武，張俊華，江恩惠，等.工程泥沙研究與實(shí)踐M.鄭州：黃河水利出版社，1999.3 胡一三，張紅