水力插板透水丁壩壩頭沖刷坑深度模型試驗(yàn)

張 凱,侍克斌,李玉建,吳福飛,王 欣,任 志

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

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水力插板透水丁壩壩頭沖刷坑深度模型試驗(yàn)

張 凱,侍克斌,李玉建,吳福飛,王 欣,任 志

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

為探索水力插板透水丁壩減小壩頭沖刷坑深度的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)和布置方案,通過(guò)改變流量、丁壩挑角、丁壩透水率、丁壩長(zhǎng)度進(jìn)行單因素影響試驗(yàn),得出壩頭沖刷坑深度與各單因素的回歸方程。從每組單因素試驗(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)。試驗(yàn)結(jié)果表明:4個(gè)單因素對(duì)水力插板透水丁壩壩頭沖刷坑深度的影響從大到小依次為:丁壩透水率、流量、丁壩長(zhǎng)度、丁壩挑角;在一定流量條件下,水力插板透水丁壩最佳布置方案的設(shè)計(jì)參數(shù)為丁壩透水率30%、丁壩長(zhǎng)度30 cm、丁壩挑角60°。

水力插板;透水丁壩;沖刷坑深度;流量;挑角;透水率;正交試驗(yàn)

水力插板技術(shù)由勝利油田管理局何富榮等[1]于1992年提出,最先應(yīng)用于濱海油田的堤防工程,效果十分顯著。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[4]等多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。作為河道整治工程中的水工建筑物,透水丁壩有著悠久的歷史,其中以井柱樁為代表的透水丁壩在我國(guó)應(yīng)用廣泛[5-8]。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這一新型水工建筑物。劉國(guó)起等[9]對(duì)水力插板透水丁壩周?chē)鬟M(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)水力插板透水丁壩防護(hù)堤岸效果顯著。周慶慶等[10]通過(guò)動(dòng)床模型試驗(yàn)對(duì)新疆粉細(xì)沙河流上的水力插板透水丁壩緩流促淤的效果進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)水力插板透水丁壩緩流促淤效果比井柱樁透水丁壩和實(shí)體丁壩顯著。任何丁壩都無(wú)法避免局部沖刷和沿程沖刷,壩頭局部沖刷嚴(yán)重威脅丁壩的穩(wěn)定性和安全性[11],但還沒(méi)有學(xué)者對(duì)水力插板透水丁壩壩頭沖刷坑深度進(jìn)行深入研究。筆者通過(guò)單因素控制變量法進(jìn)行動(dòng)床模型試驗(yàn),探索流量、丁壩挑角、丁壩透水率、丁壩長(zhǎng)度與壩頭沖刷坑深度的關(guān)系;從單因素試驗(yàn)結(jié)果中選擇最佳試驗(yàn)水平進(jìn)行正交試驗(yàn),尋找水力插板透水丁壩減小壩頭沖刷坑深度的最佳布置方案的設(shè)計(jì)參數(shù),以期為實(shí)際工程中水力插板透水丁壩的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

1 單因素試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)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處放置水力插板透水丁壩進(jìn)行試驗(yàn),水力插板整體輪廓見(jiàn)圖1，試驗(yàn)的平面布置圖見(jiàn)圖2,丁壩所在水槽橫斷面布置見(jiàn)圖3。

表1 單因素試驗(yàn)分組

圖1 水力插板透水丁壩整體輪廓

圖2 試驗(yàn)平面布置

圖3 水力插板所在水槽橫斷面布置(單位：mm)

該河段的床沙粒徑為0.050～0.086 mm[14]。綜合考慮模型沙起動(dòng)流速、沉速等因素,選用新疆新華天粉煤灰技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司的中值粒徑為0.06 mm的F類(lèi)粗粉煤灰作為模型沙,并按厚度15 cm均勻平鋪在水槽底部。為了更好地反映沖刷特性,采用清水進(jìn)行試驗(yàn)。Garde等[15]的試驗(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,因此,結(jié)合自身試驗(yàn)條件,在保證試驗(yàn)沖刷效果明顯的前提下,設(shè)定放水時(shí)間為3 h。

1.2 試驗(yàn)分組

分別改變流量、丁壩挑角、丁壩透水率、丁壩長(zhǎng)度進(jìn)行4組單因素試驗(yàn),單因素試驗(yàn)分組情況如表1所示。采用測(cè)針測(cè)量壩頭沖刷坑的深度。每次試驗(yàn)結(jié)束后,填平壩頭沖刷坑,恢復(fù)河床平整。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1 流量對(duì)壩頭沖刷坑深度的影響

壩頭沖刷坑深度與流量的關(guān)系如圖4所示,壩頭沖刷坑深度Y與流量Q的回歸方程為Y=0.015 36Q2+0.184 24Q+2.338,相關(guān)系數(shù)R2=0.933 18。

圖4 壩頭沖刷坑深度與流量的關(guān)系

1.3.2 丁壩挑角對(duì)壩頭沖刷坑深度的影響

壩頭沖刷坑深度與丁壩挑角的關(guān)系如圖5所示,壩頭沖刷坑深度與丁壩挑角θ的回歸方程為Y=-0.000 67θ2+0.125 43θ+2.72,R2=0.846 01。

圖5 壩頭沖刷坑深度與丁壩挑角的關(guān)系

1.3.3 丁壩透水率對(duì)壩頭沖刷坑深度的影響

壩頭沖刷坑深度與丁壩透水率的關(guān)系如圖6所示,壩頭沖刷坑深度與丁壩透水率c的回歸方程為Y=-0.077 67c+8.562,R2=0.949 88。

圖6 壩頭沖刷坑深度與丁壩透水率的關(guān)系

1.3.4 丁壩長(zhǎng)度對(duì)壩頭沖刷坑深度的影響

壩頭沖刷坑深度與丁壩長(zhǎng)度的關(guān)系如圖7所示,壩頭沖刷坑深度與丁壩長(zhǎng)度l的回歸方程為Y=0.097 67l+4.448,R2=0.915 10。

圖7 壩頭沖刷坑深度與丁壩長(zhǎng)度的關(guān)系

2 正交試驗(yàn)

2.1 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),對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析,以確定最佳水力插板透水丁壩設(shè)計(jì)參數(shù)及布置方案。試驗(yàn)選擇L9(34)正交表,即選擇流量、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)水平。

2.2 最佳試驗(yàn)水平的選擇

2.2.1 流量水平的選擇

由圖4可知,流量越大,壩頭沖刷坑深度越大,越不利于水力插板透水丁壩的穩(wěn)定,因此選擇流量16.03 L/s、15.29 L/s和14.42 L/s作為流量的3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)。由圖4中這3個(gè)點(diǎn)的關(guān)系看,這樣的選擇符合用優(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[16-18]。

2.2.2 丁壩挑角水平的選擇

下挑布置丁壩和上挑布置丁壩對(duì)主槽水流流線(xiàn)的影響沒(méi)有正挑布置丁壩大。陳效國(guó)等[19]提出丁壩布置應(yīng)該采取下挑式、小挑角布置,這樣能更加順應(yīng)水流的流動(dòng)方向。但挑角不應(yīng)該過(guò)小,因?yàn)樵谙嗤瑝伍L(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。圖5中丁壩挑角為45°、60°、75°的3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,確定選擇丁壩挑角45°、60°、75°作為正交試驗(yàn)的3個(gè)水平。

2.2.3 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)作用就更加強(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。周銀軍等[20]提出井柱樁透水丁壩合理的透水率為20%～40%,因此選擇丁壩透水率水平分別為20%、30%、40%。由圖6可知這樣的選擇符合用優(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。

2.2.4 丁壩長(zhǎng)度水平的選擇

劉燕等[21]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。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[22]。短丁壩對(duì)于主槽水流方向的改變沒(méi)有長(zhǎng)丁壩顯著,主要是改變局部水流方向,但護(hù)岸效果比長(zhǎng)丁壩好。結(jié)合其滿(mǎn)水庫(kù)引水河道的實(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)度水平分別為25 cm、30 cm、35 cm的丁壩,丁壩在垂直于水流方向的投影長(zhǎng)度與水槽寬度之比分別為0.21、0.25、0.29。由圖7可知這樣的選擇符合用優(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。

2.3 正交試驗(yàn)因素水平表概況

綜上所述,得壩頭沖刷坑深度L9(34)正交試驗(yàn)因素水平表如表2所示(表中因素A、B、C、D分別為流量、丁壩挑角、丁壩透水率、丁壩長(zhǎng)度)。

表2 壩頭沖刷坑深度L9(34)正交試驗(yàn)因素水平

2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

壩頭沖刷坑深度L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表3所示。由表3可知,各因素的極差由大到小依次為: C、A、D、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從大到小依次為:丁壩透水率、流量、丁壩長(zhǎng)度、丁壩挑角。4個(gè)影響因素中,丁壩透水率對(duì)壩頭沖刷坑深度的影響最為明顯。

表3 壩頭沖刷坑深度L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.4.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

按方案為A2B2C2D2進(jìn)行3次平行試驗(yàn),壩頭沖刷坑深度的平均值為5.4 cm,均低于表3中每一項(xiàng)的試驗(yàn)結(jié)果,所以使壩頭沖刷坑深度最小的方案是為A2B2C2D2。但實(shí)際工程中,河流流量無(wú)法人為控制,只能在一定流量下合理地設(shè)計(jì)和布置丁壩使壩頭沖刷坑深度最小。因此在一定流量下,水力插板透水丁壩減小壩頭沖刷坑深度的最佳布置方案的設(shè)計(jì)參數(shù)為:丁壩透水率30%、丁壩長(zhǎng)度30 cm、丁壩挑角60°。

3 結(jié) 論

a. 在布置單個(gè)水力插板透水丁壩的條件下，壩頭沖刷坑深度與流量的回歸方程為Y=0.015 36Q2+0.184 24Q+2.338,壩頭沖刷坑深度與丁壩挑角的回歸方程為Y=-0.000 67θ2+0.125 43θ+2.72,壩頭沖刷坑深度與丁壩透水率的回歸方程為Y=-0.077 67c+8.562,壩頭沖刷坑深度與丁壩長(zhǎng)度的回歸方程為Y=0.097 67l+4.448。

b. 水力插板透水丁壩壩頭沖刷坑深度的4個(gè)影響因素中,影響強(qiáng)度從大到小依次為:丁壩透水率、流量、丁壩長(zhǎng)度、丁壩挑角。在一定流量條件下,水力插板透水丁壩減小壩頭沖刷坑深度的最佳布置方案的設(shè)計(jì)參數(shù)為:丁壩透水率30%、丁壩長(zhǎng)度30 cm、丁壩挑角60°。

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Model test of scour depth at jetty head of hydraulic flashboard permeable spur dike

//ZHANG Kai, SHI Kebin, LI Yujian, WU Fufei, WANG Xin, REN Zhi

(CollegeofHydraulicandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China)

In order to explore the optimal design parameter and layout scheme of a hydraulic flashboard permeable spur dike with the minimum scour depth at the jetty head, single factor experiments were carried out by changing the discharge, the jet angle, the water permeable rate, and the length of the spur dike. The regression equations between each single factor and the scour depth at the jetty head were obtained. The best test level in each group of single factor test results was chosen and an orthogonal experiment with four factors and three levels was designed using the L9(34) orthogonal experiment design table. The experimental results show that the four single factors influence the scour depth at the jetty head of the hydraulic flashboard permeable spur dike in the following descending order: the water permeable rate of the spur dike, the discharge, the length of the spur dike, and the jet angle of the spur dike. With a certain discharge, the design parameters of the optimal layout scheme of a hydraulic flashboard permeable spur dike are as follows: the water permeable rate of the spur dike is 30%, the length of the spur dike is 30 cm, and the jet angle of the spur dike is 60°.

hydraulic flashboard; permeable spur dike; scour at jetty head; discharge; jet angle; water permeable rate; orthogonal test

10.3880/j.issn.1006-7647.2016.06.017

國(guó)家自然科學(xué)基金(51469032);新疆高?？蒲杏?jì)劃(XJEDU2013I12)

張凱(1990—),男,碩士研究生,主要從事水利水電工程研究。E-mail:1690647@qq.com

侍克斌(1957—),男,教授,主要從事水利工程學(xué)科方面的教學(xué)與科研。E-mail:xndsg@sina.com

TV83

A

1006-7647(2016)06-0090-05

2015-10-18 編輯：鄭孝宇)