樁柱式雙丁壩局部水流結(jié)構(gòu)及沖淤規(guī)律的試驗研究

王燕燕，劉煥芳，王振

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 832003）

樁式透水丁壩是一種新型結(jié)構(gòu)的河道及航道整治建筑物 ，其壩體為透水結(jié)構(gòu)，對水流有導(dǎo)有透，因其阻水范圍較小，一般受到較小的水力荷載，自身能夠在河流及潮水沖刷作用下維持穩(wěn)定［1］。目前樁式透水丁壩的應(yīng)用范圍很廣，遍布全國各大流域河道治理以及主要航道和河口治理工程，國內(nèi)黃河鄭州中牟韋灘彎道整治工程、黃河花園口河道整治工程等均應(yīng)用了這種新型結(jié)構(gòu)［2－3］，國外荷蘭在萊茵河和Jamuna河（孟加拉國）進行了創(chuàng)新實踐，積累了一定經(jīng)驗［4］。

本文針對樁式丁壩群中受水流影響最大的前2座丁壩分別進行定床和動床模型試驗，分析了沖刷穩(wěn)定后不同透水率及組合對壩群周圍的水流結(jié)構(gòu)和河床形態(tài)影響的規(guī)律。

1 試驗概況

定床試驗后，開展清水沖刷試驗，采用的矩形水槽長10m、寬1.0m、深0.5m，坡度為1／5000，流量15L／s，均勻來流的Fr為0.31；模型河床床面均勻鋪設(shè)10cm厚度的河沙，河沙干密度為2.63kg／L，中值粒徑為0.5m。

試驗布置如圖1所示，其中丁壩模型為圓鋼焊接而成，整個丁壩與水流成非淹沒狀態(tài)。

試驗主要控制條件見表1，第1座丁壩的透水率選為0%、20%、25%、30%、40%，以了解不同工況下透水丁壩局部水流結(jié)構(gòu)及沖淤效果變化的規(guī)律。間距采用15、22.5、30、37.5、45、60cm，共6組。

試驗時，根據(jù)水流狀況設(shè)定測量斷面，每個斷面布設(shè)5～11根垂線，在丁壩附近布設(shè)斷面較密，以達到反映丁壩附近水流狀態(tài)的目的 ，垂線平均流速采用三點法測量，所取測流速延時為10s，每點測量3次，以3次平均值作為該點的流速值。沖刷7h后開始觀測水流結(jié)構(gòu)，完畢后停水，迅速放干水槽中的水流，對河床形態(tài)開始測量。

圖1 試驗布置圖Fig.1 Layout

表1 試驗主要控制條件Tab.1 The main control conditions of experiment

2 透水率對雙丁壩附近縱向流速的影響

丁壩作用河床后，出現(xiàn)分離、回流、彎曲剪切等復(fù)雜的流動，從瞬時來看，脈動較大，水流紊動強烈，但在時均意義上，丁壩附近的水流仍可視為各向同性的紊流，除局部橫向水流流速作用為主外，縱向流速在流場中起主要作用［5］。下面著重分析不同透水率及組合對雙丁壩附近縱向流速的影響規(guī)律。

2.1 縱向流速沿橫向變化規(guī)律

圖2是間距30cm、壩長18cm不同透水率各橫斷面的流速分布圖。

由圖2可以看出：

1）第1座丁壩對水流的影響與單丁壩相似，在靠近第1座丁壩的壩前5cm處，丁壩側(cè)水流流速已經(jīng)受到丁壩的影響而減小，這是因為受丁壩的阻擋，壩前水位開始壅高，在來流流量保持不變時，過水?dāng)嗝婷娣e增大，流速減小。

2）第1座丁壩壩后流速變化極為不規(guī)則，如透水率25%時，過壩水流由壩前的20.4cm／s減至壩后的13.7cm／s，類似圓柱繞流和攔污柵水流，這部分水流過壩時將壩間泥沙卷起帶走，將部分機械能傳遞給泥沙，同時由于丁壩前后的水位差，一部分動能轉(zhuǎn)換為勢能，而水流與丁壩樁柱之間的摩擦又損失了一部分能量，總體上過壩水流產(chǎn)生了較大的局部水頭損失。壩后50cm以后為流速恢復(fù)段，但由于丁壩的挑流作用，整個河流的主流區(qū)開始向丁壩對岸側(cè)移動。研究［1］表明，直道型河流采用丁壩做為整治建筑物時，對整治線的控導(dǎo)必須綜合考慮，采用對口丁壩或錯口丁壩的形式保護對岸岸堤。

3）丁壩對水流的影響范圍非常廣，壩后200cm斷面（13倍壩長）丁壩側(cè)流速仍然未能恢復(fù)到無壩狀態(tài)，往往需要幾十倍壩長甚至百倍壩長以上水流才能恢復(fù)到正常水流狀態(tài)。

圖2 不同透水率橫斷面流速分布圖 （間距30cm，壩長18cm）Fig.2 Velocity cross－sectional profile of different permeability rates（spacing 30cm，dam length 18cm）

2.2 縱向流速沿程變化規(guī)律

流速沿程變化最明顯的是丁壩掩護一側(cè)，在丁壩斷面之前，流速為河道內(nèi)水流自然狀況，而放置丁壩之后，流速急劇減小。

圖3是間距30cm、壩長18cm不同透水率條件下縱向流速的沿程分布圖。

由圖3可以看出：透水率對水流的影響主要在靠丁壩側(cè)河岸。從圖3a可以看出：在壩后保護區(qū)范圍內(nèi)，透水率為30%時，流速較小，最利于壩后泥沙淤積。從圖3c、d可以看出：主流區(qū)流速在30%時也小于其他透水率條件，說明透水率為30%時，丁壩對主河道整體影響最小。

圖3 不同透水率條件下流速縱斷面圖（間距30cm，壩長18cm）Fig.3 Velocity vertical sectional profile of different permeability rates（spacing 30cm，dam length 18cm）

3 透水率對沖淤穩(wěn)定后河床形態(tài)的影響

如上分析，樁式透水丁壩放入河道中后，丁壩附近的流速場已進行了重新分布［6］。當(dāng)行近水流遇丁壩受阻后，絕大部分水流被迫沿壩體流向壩頭形成繞壩水流，對壩體迎水面產(chǎn)生橫向沖刷，而另一部分穿過樁柱間的空隙流向壩后，這一過程中水流先受樁柱擠壓，過水?dāng)嗝婵s小流速增大，對樁柱基礎(chǔ)進行沖刷，穿過樁柱間隙后水流突然擴散流速減小，流入壩后保護區(qū)，同時水流攜帶的泥沙在壩后沉降，形成壩后淤積體［7－9］。繞壩水流在通過樁式透水丁壩壩頭縱向軸線后，與主流形成較長的匯合區(qū)，這一區(qū)域縱向流速較大，形成一個縱向沖槽，沖槽靠主流區(qū)一側(cè)的泥沙被水流帶走，而靠壩后保護區(qū)一側(cè)的泥沙逐漸沉積形成淤積帶，如圖4a所示。

雙丁壩與單個樁式透水丁壩的沖淤效果有很大差異，如圖4b所示［10］。在第2座丁壩壩根處也要形成橫向沖槽，壩后也有淤積體存在，同時由于第2座丁壩的加入，使得河道水流結(jié)構(gòu)重新分布，縱向沖槽和縱向淤積帶的范圍均順河道延長，這種作用能有效控制河道整治線。

3.1 透水率對雙丁壩沖淤效果的影響

透水率的改變，對樁式透水丁壩的導(dǎo)流落淤效果有較大影響［11］。

本研究不同透水率下雙丁壩沖淤效果圖如圖5所示。

由圖5可知：透水率小，樁柱間空隙變窄，透過壩體的流量減小，大部分流量繞過壩頭，丁壩的導(dǎo)流作用明顯，而且有利于壩后泥沙沉降。當(dāng)透水率為20%時，第1座丁壩壩頭的沖刷槽與第2座丁壩壩頭往后的沖刷槽連成一體，并隨著透水率的增大，這種作用減弱。這說明透水率過大時，河道不能形成有效的整治控制線，而且較大的透水率不利于壩后泥沙沉降，保護區(qū)的長度寬度都有所減小，但過小的透水率又會加劇丁壩壩根的沖刷，威脅丁壩自身的安全。因此，選擇合適的透水率是樁式丁壩工程設(shè)計的關(guān)鍵，通過物理試驗看出，在透水率20%時，沖刷槽相對最大深度為0.635，透水率30%時，沖刷槽相對最大深度為0.403，比較各透水率情況下流速、壩頭沖刷、壩后淤積以及壩后保護區(qū)范圍可得出30%透水率效果最佳。

圖4 樁式透水丁壩作用后河床沖淤形態(tài)Fig.4 Riverbed scouring and depositing patterns from pile permeable spur

圖5 不同透水率下雙丁壩沖淤效果圖（壩長15cm，間距30cm）Fig.5 Scouring and depositing effect of double spurs in different permeability rates（dam length 15cm，spacing 30cm）

3.2 透水率對壩頭沖刷深度的影響

在樁式透水丁壩的設(shè)計中，一個重要的考慮就是丁壩壩頭的最大沖刷深度［8］。透水丁壩結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)須置于預(yù)測的最大沖刷深度之下，以防止結(jié)構(gòu)體失穩(wěn)破壞。透水率是影響丁壩沖刷的一個很重要因素。

不同透水率下丁壩壩軸的斷面高程圖見圖6。

圖6 不同透水率下丁壩壩軸斷面高程圖（壩長15cm，間距30cm）Fig.6 Dam axis section elevation map of the spur in different permeability rates（dam length 15cm，spacing 30cm）

從圖6可以看出：

1）2座丁壩的壩體沖刷深度均從壩根（與河岸接觸部分）到壩頭逐漸加深，至壩頭附近達到最大沖刷深度。因此，在設(shè)計樁柱埋深時，可以從岸邊到河中逐漸加深，從而減少樁材用料 。

2）本文試驗條件是保持第2座丁壩透水率為20%不變，在改變第1座丁壩透水率的條件下，對2座丁壩均有影響，不過，第1座丁壩的沖刷深度遠大于第2座丁壩，都有隨透水率的增大沖深減小的趨勢。

3）第1座丁壩壩軸斷面的沖刷只發(fā)生在丁壩附近，對于遠離丁壩的主河道內(nèi)，河床面高程幾乎沒有變化，為未修丁壩時床面高程，因此，在確定丁壩整治線時，應(yīng)將丁壩放置位置超前于整治控制點，這樣才能對保護區(qū)域進行有效控制。

4）第2座丁壩整個壩軸斷面均發(fā)生沖刷，主河道河床泥沙普遍揚動，削弱了床面高程。

4 結(jié)論

1）雙丁壩條件下第1座樁式透水丁壩與單個丁壩的水流結(jié)構(gòu)相似，二者的區(qū)別主要在于：單丁壩壩后主流經(jīng)歷先收縮后擴散的過程，而雙丁壩在這一過程中受到第2座丁壩的作用，使得水流結(jié)構(gòu)重新分布，經(jīng)過第2座丁壩壩軸斷面后的水流再次與單丁壩相似。雙丁壩更好的起到了對水流的控導(dǎo)作用。

2）雙丁壩中第2座丁壩的加入，會改變第1座丁壩形成的保護區(qū)形態(tài)，主要表現(xiàn)為第2座丁壩壩根的橫向沖槽、壩頭沖刷深度和壩后淤積體，第2座丁壩的這些特征發(fā)生程度上均弱于第1座丁壩。

3）第1座丁壩壩頭的沖刷與單個樁式透水丁壩相似，壩頭單寬流量增大，繞壩水流產(chǎn)生的下潛水流和馬蹄形漩渦體系的綜合作用促使壩頭沖刷坑的形成。

4）隨著透水率的增大，2座丁壩的壩頭最大沖刷深度均減小，同時兩壩間的淤積作用也減弱，不利于護岸促淤；透水率較小時，壩根的橫向沖槽深度增加，不利于樁柱自身穩(wěn)定。因此，結(jié)合水流結(jié)構(gòu)分析，本文推薦的透水率為30%。

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