護(hù)底余排作用下潛壩下游局部沖刷深度計(jì)算研究

付中敏，李雨晨

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢430011）

護(hù)底余排作用下潛壩下游局部沖刷深度計(jì)算研究

付中敏1,2，李雨晨1

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢430011）

潛壩下游沖刷主要由于越堤水流在堤后形成強(qiáng)紊動(dòng)渦旋水流，并淘刷床面引起。沖刷坑最大深度與壩高、水深以及護(hù)底余排寬密切相關(guān)。根據(jù)水槽試驗(yàn)結(jié)果，分析了不同影響因素下潛壩下游的沖刷變化，并提出了考慮護(hù)底余排作用下的潛壩壩身下游最大沖刷深度計(jì)算式。結(jié)合長江下游黑沙洲水道航道整治工程中護(hù)底余排作用下潛壩的實(shí)際沖刷深度資料，對(duì)文章研究中提出的沖刷深度計(jì)算式進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：在考慮余排寬度的條件下，按照該公式計(jì)算得到的局部沖刷深度與實(shí)測(cè)值基本一致。

潛壩；護(hù)底；沖刷；航道整治

航道整治建筑物主要有丁壩、順壩、鎖壩、魚嘴、護(hù)岸和護(hù)灘等［1-2］，它們能夠起到穩(wěn)定航槽；刷深淺灘，增加航道水深，拓寬航道寬度，增大彎曲半徑；降低急流灘的流速；改善險(xiǎn)灘的流態(tài)等作用。長江南京以下12.5m深水航道一期工程以“固灘穩(wěn)槽”為主要目的，工程以潛堤和齒壩為主體建筑物，采用堤身砂肋軟體排加混凝土聯(lián)鎖塊余排組成的混合軟體排護(hù)底結(jié)構(gòu)，其護(hù)底結(jié)構(gòu)對(duì)主體建筑物的穩(wěn)定與安全十分重要。該護(hù)底結(jié)構(gòu)在長江中下游航道整治工程中的應(yīng)用也越來越廣泛，護(hù)底范圍的確定主要取決于沖刷坑的深度，目前，沖刷坑的深度一般通過經(jīng)驗(yàn)公式、模型試驗(yàn)和以往工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定［3］。雖然計(jì)算堤壩下游沖深深度的經(jīng)驗(yàn)公式較多，但很少考慮護(hù)底結(jié)構(gòu)對(duì)沖刷坑的影響。事實(shí)上，堤壩最大沖刷深度不僅與壩體尺度、水流條件、河床組成等有關(guān)［4-8］，還與堤壩護(hù)底余排的寬度相關(guān)。不同寬度的護(hù)底余排使堤壩下游水流的紊動(dòng)強(qiáng)度產(chǎn)生差異，同時(shí)也使沖刷坑與堤壩的相對(duì)位置、沖刷坑附近水流條件及沖刷坑范圍和深度均發(fā)生了不同程度的變化。因此，本文開展水槽試驗(yàn)，分析不同影響因素下潛壩下游的沖刷變化，建立考慮護(hù)底余排作用下的潛壩下游最大沖刷深度計(jì)算式，并應(yīng)用于長江下游黑沙洲水道航道整治工程中護(hù)底余排作用下潛壩下游的沖刷深度計(jì)算。

1 試驗(yàn)條件

為了在室內(nèi)水槽試驗(yàn)中合理模擬潛壩附近水流結(jié)構(gòu)、床面沖刷及建筑物穩(wěn)定性的影響，選擇長江通州沙過渡段作為潛壩試驗(yàn)的典型區(qū)域，如圖1所示，試驗(yàn)選取的幾何比尺為60。根據(jù)研究問題的需要，試驗(yàn)水槽寬度不應(yīng)過小，寬度過小時(shí)水流受水槽兩側(cè)邊壁影響，不利于建筑物附近局部沖刷坑的自由發(fā)展，根據(jù)試驗(yàn)室動(dòng)力條件及以往經(jīng)驗(yàn)，水槽寬度選定4m，長×寬為55.5m×4m的矩形水槽，槽底坡度為1‰，中部24m段為動(dòng)床段，深度20 cm，沿程設(shè)置6把自動(dòng)水位儀觀測(cè)水位變化。模型采用水流自循環(huán)系統(tǒng)，水槽的進(jìn)口流量過程由矩形量水堰控制，并設(shè)格墻以調(diào)整平順?biāo)鳎隹跒榉逭{(diào)節(jié)水位。

試驗(yàn)考慮了壩身尺度（壩高、邊坡）、水流條件（水深、流速）以及余排寬度等因素，其中壩身高取6.8m，邊坡取1∶2，壩身所在床面水深取9～14m，水流流速以壩頂平均流速進(jìn)行控制，分別取2.5～4.0m/s，壩身下游余排寬度取0～150m。

2 潛壩下游局部沖深的單因素分析

潛壩壩身護(hù)底下游沖刷主要與余排寬度、水流條件、紊動(dòng)強(qiáng)度以及河床組成等有關(guān)，其中水流條件包括水深、流速，紊動(dòng)強(qiáng)度主要由建筑物尺度決定，包括壩高、邊坡、余排寬等，以下主要分析余排寬度、壩身尺度以及水流條件對(duì)越堤渦流引起沖刷的影響。試驗(yàn)組次如表1所示，共進(jìn)行12組試驗(yàn)，試驗(yàn)考慮清水沖刷，沖刷時(shí)間以建筑物附近床面沖刷變形基本不變?yōu)橐罁?jù)，一般進(jìn)行4 h左右。

（1）護(hù)底余排寬度對(duì)下游沖刷的影響。圖2為不同余排寬度條件下壩身下游實(shí)測(cè)沖刷坑形態(tài)，可以看出，沖刷坑緊貼余排末端，余排防護(hù)時(shí)，沖刷坑位置隨著余排寬度的增大而逐漸推離壩軸線，同時(shí)沖刷深度減小，余排寬度15m時(shí)沖刷深度6.93m，余排寬度100m時(shí)，沖刷深度減小至2.61m，余排寬度150m時(shí)沖深進(jìn)一步減至1.67m（圖3）。無余排防護(hù)時(shí)（即余排寬度為0m），壩下游沖刷過程中，壩根逐漸失穩(wěn)，塊石滾落至沖刷坑內(nèi)，對(duì)沖刷坑的發(fā)展起抑制作用，最大沖刷深度為6.4m，較余排寬度15m時(shí)的沖深小，但嚴(yán)重影響壩身穩(wěn)定性。

（2）水流條件對(duì)壩身沖刷的影響。圖4、圖5分別為不同壩頂流速及沖刷前壩下水深時(shí)的沖刷坑形態(tài)，可見隨著壩頂流速的加大，沖刷坑范圍加大，最大沖刷深度增加，沖深位置有所下偏，試驗(yàn)中最大沖刷深度為9.85m；圖5中，相同堤頂流速條件下，當(dāng)水深較大時(shí)，堤身對(duì)上游來流阻擋程度相對(duì)減弱，堤身下游沖刷范圍及深度加大。

（3）壩體尺度對(duì)壩身沖刷的影響。圖6為相同水深、壩頂流速，不同壩高件下的沖刷坑變化，可以看出，壩身高度加大時(shí)，壩體對(duì)上游來流阻擋程度增強(qiáng)，壩下游流速降低，下游沖刷范圍及深度均減小。

圖1 通洲沙河段整治建筑物布置示意圖Fig.1 Regulation building layout of Tongzhousha reach

表1 不同影響因素下潛壩下游沖刷試驗(yàn)組次Tab.1 Scouring test conditions

圖2 不同余排寬度下丁壩壩身下游沖刷坑Fig.2 Local scouring depth around spur dike downstream under various bottom protection works width

圖3 壩身下游沖刷深度隨余排寬度變化Fig.3 Local scouring depth around spur dike downstream changes with different bottom protection works width

圖4 不同壩頂流速下潛壩壩身下游沖刷坑Fig.4 Local scouring depth around spur dike downstream under different velocity conditions

圖5 不同水深下潛壩壩身下游沖刷坑Fig.5 Local scouring depth around spur dike downstream under different water depth conditions

3 護(hù)底作用下潛壩下游局部沖刷計(jì)算方法

潛壩下游沖刷與鎖壩下游的沖刷類似，均為強(qiáng)紊動(dòng)的渦旋水流引起，文岑等［7］基于渦旋環(huán)量在沖刷前后相等的觀點(diǎn)，推導(dǎo)得到鎖壩下游的沖刷深度計(jì)算公式，公式結(jié)構(gòu)形式如下

式中：hs為鎖壩下游的最大沖刷深度；h為沖刷前鎖壩下游水深；d為床沙中徑；p為鎖壩高度；γs、γ分別為泥沙、水的容重；Δh為鎖壩上下游水位差；k、a為系數(shù)，可根據(jù)試驗(yàn)資料得到，作者根據(jù)水槽試驗(yàn)得到k= 0.424、a=0.35，該公式也是《航道整治工程技術(shù)規(guī)范（JTJ312-2003）》推薦的鎖壩下游沖刷深度計(jì)算公式。

由于潛壩下游沖刷坑的形成機(jī)理和影響因素與鎖壩較為相似，故潛壩下游局部沖刷的計(jì)算可借用公式（1）。公式（1）中僅需知道壩高p、水深h、床沙中徑d、壩體上下游水位差Δh就可確定鎖壩下游的最大沖刷深度，但式（1）未考慮壩下游護(hù)底對(duì)沖刷的影響。由前文中潛壩引起的床面沖刷試驗(yàn)可知，壩下軟體排護(hù)底后，守護(hù)處床面得到保護(hù)，但排體邊緣及下游未護(hù)床面仍將受渦流影響而沖刷，沖刷深度隨軟體排寬度的增大而減小，因而，潛壩下游局部沖刷的計(jì)算以式（1）為基礎(chǔ)增加余排寬度項(xiàng)后為

式中：B為護(hù)底余排寬度；k、a、b為系數(shù)，需根據(jù)試驗(yàn)資料確定。

表2為潛壩沖刷試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料對(duì)無量綱參數(shù)hs/p、Δh/h、1+B/p進(jìn)行回歸分析，確定了各待定系數(shù)，a=0.42、b=-0.63、k=0.463，得到考慮護(hù)底條件下的潛壩下游沖刷深度計(jì)算公式

圖6 不同壩身高度下潛壩壩身下游沖刷坑Fig.6 Local scouring depth around spur dike downstream under different spur dike height

表2 不同條件下潛壩沖刷試驗(yàn)條件及結(jié)果Tab.2 Scouring test conditions and the results

圖7為式（3）的計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較，二者相關(guān)性較好。

對(duì)于原型泥沙，(γs-γ)γ=1.65，則式（3）簡(jiǎn)化為

圖7 相對(duì)沖刷深度hs/p與參數(shù)Δh/h、1+B/p關(guān)系Fig.7 Relationship between hs/p,Δh/h and 1+B/p

4 護(hù)底作用下潛壩下游局部沖刷深度公式驗(yàn)證

黑沙洲水道位于長江下游安徽省境內(nèi)，河道平面形態(tài)為首尾窄、中間向左展寬的典型鵝頭型分汊河道，江中的天然洲、黑沙洲將河道分成南、中、北三個(gè)水道，其中南水道為現(xiàn)行主航道，是長江下游重點(diǎn)礙航淺水道之一。黑沙洲水道航道整治工程中的壩體結(jié)構(gòu)主要有黑沙洲南水道左槽內(nèi)布置的四道潛壩，工程平面布置見圖8，其中3#壩體結(jié)構(gòu)參數(shù)為：壩體高度14m，壩上游余排寬度60m，壩下游余排寬度150m。該壩體結(jié)構(gòu)在枯水期為非淹沒，在中洪水期淹沒，本次研究按洪水水位作為工程區(qū)域水深條件，計(jì)算條件為：潛壩高度15m，床沙中值粒徑0.14mm，水深22m，壩體上下游水位差0.3m，余排寬度150m。根據(jù)前述研究成果確定的計(jì)算公式，計(jì)算局部沖刷坑深度10.06m，由公式（4）計(jì)算得到的3#潛壩下游沖刷坑深度與實(shí)際值9.3m較為接近，計(jì)算值略有偏大，主要由于工程區(qū)域依次布置了4道潛壩，下游潛壩的存在對(duì)上游潛壩下游沖刷有一定的抑制作用，可能導(dǎo)致沖刷坑較單潛壩時(shí)稍小。

圖8 長江下游黑沙洲水道航道整治工程平面布置示意圖Fig.8 Layout sketch of Heishazhou waterway regulation engineering

5 結(jié)論

潛壩下游的沖刷主要是由越堤水流在堤后形成強(qiáng)紊動(dòng)渦旋水流，并淘刷床面引起，沖刷坑位置隨余排寬度的增大而逐漸遠(yuǎn)離壩軸線，且沖刷深度減小。隨著壩頂流速的加大，沖刷坑范圍加大，最大沖刷深度增加，沖深位置有所下偏；相同壩頂流速條件下，水深越大，壩下沖刷范圍及深度也越大。壩高加大時(shí)，下游沖刷范圍及深度加大；壩體兩側(cè)邊坡減緩時(shí)，壩下游沖刷范圍及深度也減小。文中考慮余排寬度影響建立的潛壩下游最大沖刷深度計(jì)算公式，能較好反映潛壩下游最大的沖刷深度，可用于相關(guān)整治工程的分析計(jì)算。

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Calculationmethod of local scouring depth downstream of submerged dike under bottom protection works

FU Zhong?min1,2,LI Yu?chen1
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Changjiang Waterway Institute of Planning，Design&Research,Wuhan 430011,China）

The local scouring downstream of submerged dike ismainly caused by the turbulent over dike water flow.Themaximal local scouring depth is connected with dam height,slope gradient and bottom protection works width.A great number of flume experiments were developed in this paper.Based on the experiment result,the influ?ence factors of local scouring depth downstream of submerged dike were analyzed,and the formula for calculating the local scouring depth was proposed.Then the formula was verified through the observed data of local scouring depth downstream of submerged dike in Heishazhou waterway in Changjiang River.The verification indicates that the formula in this paper is reasonable.

submerged dike;bottom protection;scouring;waterway regulation project

TV 142；U 617

A

1005-8443（2015）03-0229-05

湛江市擬建湛江港亞士德航道

2014-12-05；

2015-02-12

付中敏（1977-），男，吉林省人，高級(jí)工程師，主要從事航道科研與設(shè)計(jì)工作。

Biography：FU Zhong?min（1977-）,male,senior engineer.

本刊從湛江市交通運(yùn)輸局獲悉，經(jīng)多年規(guī)劃籌建，《湛江港亞士德航道工程可行性研究報(bào)告》已編制完成，該項(xiàng)目被列入2015年廣東省重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)計(jì)劃。亞士德航道位于沙灣水道、寶滿港區(qū)與東海島港區(qū)西北側(cè)之間，東接湛江港30萬t級(jí)航道，西至湛江東北堵海大堤，推薦航道方案全長約10.16 km。其中主航道總長8.67 km，分為轉(zhuǎn)彎段和直線段，航道直線段長6.55 km，轉(zhuǎn)彎段長2.12 km。主航道近期主要考慮滿足5萬t級(jí)集裝箱船通航要求，遠(yuǎn)期預(yù)留可擴(kuò)建為10萬t級(jí)航道。航道為單向航道，設(shè)計(jì)最低通航水位采用設(shè)計(jì)低水位0.31m。5萬t級(jí)航道設(shè)計(jì)底高程-14.8m，設(shè)計(jì)航道寬度185m。疏浚工程量為7 644.65萬方，工程為18個(gè)月。（殷缶，梅深）