基于減小壩頭局部沖刷的非淹沒式水力插板透水丁壩群優(yōu)化試驗(yàn)

張 凱，侍克斌，李玉建

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊830052）

基于減小壩頭局部沖刷的非淹沒式水力插板透水丁壩群優(yōu)化試驗(yàn)

張 凱，侍克斌，李玉建

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊830052）

為了尋找水力插板透水丁壩群減小壩頭局部沖刷的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)和布置方案。文章在雙丁壩布置的情況下，通過(guò)改變第二、三個(gè)丁壩的間距，第三個(gè)丁壩的挑角、透水率、長(zhǎng)度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，得出各單因素與第三個(gè)丁壩壩頭沖刷坑深度的回歸方程。再?gòu)拿拷M單因素試驗(yàn)結(jié)果中選擇最佳試驗(yàn)水平，利用L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表設(shè)計(jì)4因素3水平的正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)結(jié)果表明：4個(gè)單因素對(duì)第三個(gè)丁壩壩頭沖刷坑深度的影響為：丁壩長(zhǎng)度＞丁壩間距＞丁壩透水率＞丁壩挑角。水力插板透水丁壩群減小壩頭局部沖刷的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)和布置方案：第一個(gè)丁壩長(zhǎng)度，第二個(gè)丁壩長(zhǎng)度，第三個(gè)丁壩長(zhǎng)度與河寬的比值分別為0.25、0.21、0.21；第一個(gè)、第二個(gè)丁壩透水率為30%，第三個(gè)丁壩透水率為20%；第一、二個(gè)丁壩間距與第一個(gè)丁壩長(zhǎng)度的比值為3，第二、三個(gè)丁壩間距與第二個(gè)丁壩長(zhǎng)度的比值為2；第一個(gè)、第二個(gè)和第三個(gè)丁壩挑角為60°。

水力插板透水丁壩；丁壩群；壩頭沖刷；丁壩間距；挑角；透水率；丁壩長(zhǎng)度；正交試驗(yàn)

水力插板技術(shù)誕生于1992年，是一個(gè)具有多種工程技術(shù)優(yōu)勢(shì)的一門全新技術(shù)［1］。由于水力插板技術(shù)具有預(yù)置化程度高，工程造價(jià)低，施工周期短等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，水力插板技術(shù)在橋梁基礎(chǔ)工程［2］、河道整治工程［3］、海港工程等多種工程技術(shù)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用［4］。有學(xué)者將透水丁壩與水力插板技術(shù)相結(jié)合，提出水力插板透水丁壩新型水工建筑物，水力插板透水丁壩整體輪廓見圖1。并對(duì)水力插板透水丁壩進(jìn)行數(shù)值模擬和動(dòng)床模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水力插板透水丁壩緩流促淤和防護(hù)堤岸的效果比其他類型丁壩顯著［5-6］。任何類型丁壩都無(wú)法避免局部沖刷和沿程沖刷，而壩頭局部沖刷嚴(yán)重威脅丁壩的穩(wěn)定性和安全性［7］。有學(xué)者通過(guò)研究提出合理的單丁壩及雙丁壩設(shè)計(jì)參數(shù)和布置方案［8-12］。而實(shí)際工程中往往是由丁壩群產(chǎn)生的累積效應(yīng)來(lái)充分發(fā)揮丁壩的作用［13］。所謂累積效應(yīng)是指由河流中多個(gè)水工建筑物共同作用影響下的連鎖反應(yīng)產(chǎn)生的疊加效應(yīng)，表現(xiàn)為河流中多個(gè)水工建筑物的共同影響下時(shí)間、空間、多元耦合等方面累積起來(lái)的差異性或非線性變化［14］。因此，合理的布置和設(shè)計(jì)丁壩群對(duì)于其累積效應(yīng)作用的發(fā)揮至關(guān)重要，還沒有學(xué)者進(jìn)行深入的研究。筆者在已有的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)單因素試驗(yàn)，正交試驗(yàn)尋找減小局部沖刷的水力插板透水丁壩群最佳設(shè)計(jì)參數(shù)和布置方案，為實(shí)際工程中水力插板透水丁壩的應(yīng)用提供參考。

圖1 水力插板透水丁壩整體輪廓Fig.1 Hydraulic flashboard permeable spur dike outline

1 單因素試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)總概況

模型試驗(yàn)是在長(zhǎng)10 m，寬1.2 m，高0.4 m，底坡i=1/4 000的磚砌式混凝土水槽中進(jìn)行。水槽進(jìn)水口設(shè)置有消能欄柵進(jìn)行消能，在離進(jìn)水口6 m處放置丁壩群進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)的平面布置圖見圖2，丁壩所在水槽橫斷面布置見圖3。每次試驗(yàn)流量均為16.03 L/s，所用模型沙為均勻河沙，粒徑范圍為0.3～0.6 mm。為了更好的反映沖刷特性，采用清水進(jìn)行試驗(yàn)。Garde［15］通過(guò)試驗(yàn)研究表明經(jīng)過(guò)3～5 h，丁壩壩頭的局部沖刷趨于穩(wěn)定且壩頭沖刷坑深度達(dá)到最大值，結(jié)合自身試驗(yàn)條件保證在試驗(yàn)沖刷效果明顯的前提下，放水時(shí)間定為3 h。

1.2 單因素試驗(yàn)分組設(shè)計(jì)

如表1所示，參考資料［10-12］，在雙丁壩布置的情況下（第一個(gè)丁壩長(zhǎng)度與河寬的比值為0.25，第二個(gè)丁壩長(zhǎng)度與河寬的比值為0.21，第一、二個(gè)丁壩透水率30%，第一、二個(gè)丁壩挑角60°，第一、二個(gè)丁壩間距與第一個(gè)丁壩長(zhǎng)度的比值為3）。分別改變第二、三個(gè)丁壩的間距，第三個(gè)丁壩的挑角、透水率、長(zhǎng)度進(jìn)行4組單因素試驗(yàn)。每組單因素試驗(yàn)在其他試驗(yàn)參數(shù)不變的前提下，依次改變所研究的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行若干次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)用測(cè)針測(cè)量第三個(gè)丁壩壩頭沖刷坑深度。每次試驗(yàn)結(jié)束后，壩頭沖刷坑填平，河床恢復(fù)平整。

圖2 試驗(yàn)平面布置圖（單位：mm）Fig.2 Plan layout of test

圖3 水力插板所在水槽橫斷面布置圖（單位：mm）Fig.3 Cross section layout of hydraulic flashboard permeable spur dike

2 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 丁壩間距對(duì)于壩頭沖刷坑深度的影響

由圖4可見，第三個(gè)丁壩壩頭沖刷坑深度與丁壩間距的回歸方程為：Y=0.001 2 x2-0.116 4x+5.984 6，相關(guān)性R2=0.943 2。

2.2 丁壩挑角對(duì)于壩頭沖刷坑深度的影響

由圖5可見，第三個(gè)丁壩壩頭沖刷坑深度與丁壩挑角的回歸方程為Y=-0.000 5 x2+0.088 1 x+ 0.643 8，相關(guān)性R2=0.871 4。

2.3 丁壩透水率對(duì)于壩頭沖刷坑深度的影響

由圖6可見，第3個(gè)丁壩壩頭沖刷坑深度與丁壩透水率的回歸方程為：Y=0.000 4 x2-0.060 4 x+4.546 3，相關(guān)性R2=0.928 7。

表1 單因素試驗(yàn)分組設(shè)計(jì)Tab.1 Single factor test grouping design

圖4 壩頭沖刷坑深度與丁壩間距的關(guān)系Fig.4 Relationship between scour depth and spur dike spacing

圖5 壩頭沖刷坑深度與丁壩挑角的關(guān)系Fig.5 Relationship between scour depth and layout angle

2.4 丁壩長(zhǎng)度對(duì)于壩頭沖刷坑深度的影響

由圖7可見，第3個(gè)丁壩壩頭沖刷坑深度與丁壩長(zhǎng)度的回歸方程：Y=1.628 8e0.028 8x，相關(guān)性R2=0.943 9。

圖6 壩頭沖刷坑深度與丁壩透水率的關(guān)系Fig.6 Relationship between scour depth and permeable rate

圖7 壩頭沖刷坑深度與丁壩長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.7 Relationship between scour depth and spur dike length

3 正交試驗(yàn)

3.1 正交試驗(yàn)表的選擇

根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，選取各因素中最佳試驗(yàn)水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇L9（34）正交表，即丁壩間距、丁壩挑角、丁壩透水率、丁壩長(zhǎng)度4個(gè)因素。每個(gè)因素選取3個(gè)最佳試驗(yàn)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。

3.2 最佳試驗(yàn)水平的選擇

3.2.1 丁壩間距水平的選擇

丁壩間距對(duì)于水力插板透水丁壩群的布置至關(guān)重要，合理的丁壩間距可以在充分發(fā)揮丁壩作用的前提下降低工程造價(jià)，有學(xué)者認(rèn)為合理的丁壩間距為前一個(gè)丁壩長(zhǎng)度的1.5～3倍［16］。因此選擇第二、三個(gè)丁壩的間距為45 cm，50 cm，55 cm，分別為第二個(gè)丁壩長(zhǎng)度的1.8倍，2倍，2.2倍。且圖4中這三個(gè)點(diǎn)的關(guān)系符合用優(yōu)選法從單因素試驗(yàn)中選擇最佳試驗(yàn)水平的基本要求［17-19］，最終選擇丁壩間距45 cm，50 cm，55 cm做為正交試驗(yàn)的三個(gè)水平。

3.2.2 丁壩挑角水平的選擇

下挑布置丁壩和上挑布置丁壩對(duì)于主槽水流流線的改變和影響沒有正挑布置丁壩大。關(guān)于采用上挑布置丁壩還是下挑布置丁壩的問(wèn)題上，有學(xué)者提出丁壩布置應(yīng)該采取下挑式，小挑角布置。下挑布置丁壩更加順應(yīng)水流的流動(dòng)方向［8］，但挑角不應(yīng)該過(guò)小。否則在相同壩長(zhǎng)的情況下，挑角越小，丁壩的有效壩長(zhǎng)越小，丁壩護(hù)岸的范圍也就越小，護(hù)岸效果越不明顯。選擇丁壩挑角為45°，60°，75°，且圖5中這三個(gè)點(diǎn)的關(guān)系符合用優(yōu)選法從單因素試驗(yàn)中選擇最佳試驗(yàn)水平的基本要求，最終選擇丁壩挑角45°，60°，75°做為正交試驗(yàn)的三個(gè)水平。

3.2.3 丁壩透水率水平的選擇

丁壩的透水率越小，丁壩對(duì)水的阻擋作用越明顯，壩頭水流的擾動(dòng)作用更加強(qiáng)烈，壩頭沖刷坑深度也會(huì)變大。丁壩透水率過(guò)大會(huì)減弱丁壩對(duì)堤岸的保護(hù)作用，緩流促淤的效果也不顯著。有學(xué)者提出合理的丁壩透水率為20%～40%［9］，因此選擇水力插板透水率分別為20%，30%，40%。且圖6中這三個(gè)點(diǎn)的關(guān)系符合用優(yōu)選法從單因素試驗(yàn)中選擇最佳試驗(yàn)水平的基本要求，最終選擇水力插板透水率20%，30%，40%做為正交試驗(yàn)的三個(gè)水平。

3.2.4 丁壩長(zhǎng)度水平的選擇

有學(xué)者認(rèn)為丁壩在垂直于水流方向的投影長(zhǎng)度與河寬之比大于0.33是長(zhǎng)丁壩，小于0.33是短丁壩［20］。長(zhǎng)丁壩的作用除了護(hù)岸之外，主要的作用在于挑流，改變主槽水流的方向。短丁壩對(duì)于主槽水流方向的改變沒有長(zhǎng)丁壩顯著，主要是改變局部水流方向，短丁壩的護(hù)岸效果也比長(zhǎng)丁壩好。結(jié)合其滿水庫(kù)河道的實(shí)際情況和防護(hù)目的，決定選用短丁壩進(jìn)行研究。選擇長(zhǎng)度為20 cm，25 cm，30 cm的水力插板，水力插板在垂直于水流方向的投影長(zhǎng)度與水槽長(zhǎng)度之比分別為0.17，0.21，0.25。且圖7中這三個(gè)點(diǎn)的關(guān)系符合用優(yōu)選法從單因素試驗(yàn)中選擇最佳試驗(yàn)水平的基本要求，最終選擇水力插板長(zhǎng)度20 cm，25 cm，30 cm做為正交試驗(yàn)的三個(gè)水平。

3.3 正交試驗(yàn)因素水平表概況

正交試驗(yàn)因素水平如表2所示。

3.4 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

由表3可以看出，極差D＞極差A(yù)＞極差C＞極差B，4個(gè)因素對(duì)水力插板透水丁壩壩頭沖刷坑深度的影響為：丁壩長(zhǎng)度（D）＞丁壩間距（A）＞丁壩透水率（C）＞丁壩挑角（B）。4個(gè)影響因素中，丁壩長(zhǎng)度對(duì)于壩頭沖刷坑深度的影響最為明顯。

3.4.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

按方案為A2B2C1D2進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，第三個(gè)丁壩壩頭沖刷坑深度的平均值為1.9 cm，均低于表3中每一項(xiàng)的試驗(yàn)結(jié)果，所以水力插板透水丁壩群減小壩頭局部沖刷的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)和布置方案是為A2B2C1D2，即第一個(gè)丁壩長(zhǎng)度，第二個(gè)丁壩長(zhǎng)度，第三個(gè)丁壩長(zhǎng)度與河寬的比值分別為0.25、0.21、0.21；第一個(gè)、第二個(gè)丁壩透水率為30%，第三個(gè)丁壩透水率為20%；第一、二個(gè)丁壩間距與第一個(gè)丁壩長(zhǎng)度的比值為3，第二、三個(gè)丁壩間距與第二個(gè)丁壩長(zhǎng)度的比值為2；第一個(gè)、第二個(gè)和第三個(gè)丁壩挑角為60°。

表2 壩頭沖刷坑深度L9（34）正交試驗(yàn)因素水平表Tab.2 Orthogonal experiment factor level of scour depth of spur dike

表3 壩頭沖刷坑深度L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab.3 Orthogonal experiment design and result of scour depth of spur dike

4 結(jié)論

（1）得出了第三個(gè)丁壩壩頭沖刷坑深度與丁壩間距、丁壩挑角、丁壩透水率、丁壩長(zhǎng)度的回歸方程。（2）4個(gè)因素對(duì)第三個(gè)丁壩壩頭沖刷坑深度的影響為：丁壩長(zhǎng)度（D）＞丁壩間距（A）＞丁壩透水率（C）＞丁壩挑角（B）。（3）水力插板透水丁壩群減小壩頭局部沖刷的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)和布置方案：第一個(gè)丁壩長(zhǎng)度，第二個(gè)丁壩長(zhǎng)度，第三個(gè)丁壩長(zhǎng)度與河寬的比值分別為0.25、0.21、0.21；第一個(gè)、第二個(gè)丁壩透水率為30%，第三個(gè)丁壩透水率為20%；第一、二個(gè)丁壩間距與第一個(gè)丁壩長(zhǎng)度的比值為3，第二、三個(gè)丁壩間距與第二個(gè)丁壩長(zhǎng)度的比值為2；第一個(gè)、第二個(gè)和第三個(gè)丁壩挑角為60°。

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Optimization test of hydraulic flashboard permeable spur dike group based on reducing jetty head scour depth

ZHANG Kai，SHI Ke?bin，LI Yu?jian
（College of Civil and Hydraulic Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China）

In order to explore the optimal design parameter and layout scheme of hydraulic flashboard perme?able spur dike group,the single factor experiment was carried out on the basis of the changes of the layout angle,permeable rate of hydraulic flashboard and spur dike length of the third spur dike and the variation of space be?tween the second and the third spur dike.The regression equation between single factor and the scour depth of the third jetty head was concluded.The best test level in each group of single factor test result was chosen,and the L9（34）orthogonal experiment design table was used to design the orthogonal experiment of 4 factors and 3 levels.The results of orthogonal experiment show that the influences of 4 factors on the third jetty head scour depth are in the order of the spur dike length＞spur dike spacing＞the permeable rate of spur dike＞layout angle.In order to reduce the jetty head flush,the optimal design parameter and layout scheme of hydraulic flashboard permeable spur dike group could be listed as follows:the ratio of the first spur dike length,the second spur dike length and the third spur dike length to river width is 0.25,0.21 and 0.21 respectively.Both the first and the second spur dike permeable rates are 30%,while the third spur dike permeable rate is 20%.The ratio of the spacing between the first spur dike and the second spur dike to the length of the first spur dike is 3,and the ratio of the spacing between the second spur dike and the third spur dike to the length of the second spur dike is 2.The layout angle of the first,the second and the third spur dike is 60°.

hydraulic flashboard permeable spur dike;spur dike group;local scour of jetty head;spur dike spacing;layout angle;permeable rate;spur dike length;orthogonal test

TV 83

A

1005-8443（2016）06-0599-05

2016-07-11；

：2016-10-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51469032）；新疆水利水電工程重點(diǎn)學(xué)科基金資助項(xiàng)目（xjzdxk-2010-02-12）；新疆高?？蒲杏?jì)劃項(xiàng)目（XJEDU2013I12）

張凱（1990-），男，新疆烏魯木齊人，碩士研究生，主要從事水利水電工程研究。

Biography：ZHANG Kai（1990-），male，master student.