一種新型的導(dǎo)流板式異形丁字壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

秦 鵬，舒海港，秦植海，夏日風(fēng)，張恒炬，羅倩億

(浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

一種新型的導(dǎo)流板式異形丁字壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

秦 鵬，舒海港，秦植海，夏日風(fēng)，張恒炬，羅倩億

(浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

丁字壩是一種重要的水力消能壩工結(jié)構(gòu).針對(duì)傳統(tǒng)丁字壩功能單一，消能效果差的缺點(diǎn)，對(duì)丁字壩的核心功能進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種加裝了導(dǎo)流板的異形丁字壩結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行了室內(nèi)水力試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果證明，該壩型具有較強(qiáng)的導(dǎo)流能力，同時(shí)兼具消能特征，為保護(hù)堤防結(jié)構(gòu)穩(wěn)定提供了新的壩型思路.

導(dǎo)流板；丁字壩；消能；水力試驗(yàn)

丁字壩作為水流湍急河段重要的消能水利設(shè)施，保護(hù)著堤防的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、沿河居住人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全以及整個(gè)流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-2].由于丁字壩設(shè)置在水流湍急，沖刷嚴(yán)重的河段，因此壩體的結(jié)構(gòu)安全及導(dǎo)流消能效果直接影響堤防的安全[3-5].目前丁字壩主要存在以下幾個(gè)問題：一是丁字壩壩體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消能效果差.工程中的丁字壩通常采用梯形橫斷面構(gòu)造，不能很好的擬合水流流態(tài)，消能防沖效果很差.以錢塘江為例，海潮將丁字壩壩體及堤防沖毀的情況時(shí)有發(fā)生，維護(hù)、整修成本極大.二是丁字壩壩體功能單一.目前水利工程中服役的丁字壩只具有單一的防沖消能功能，但丁字壩導(dǎo)流消能效果不佳時(shí)，改進(jìn)方案只有增加丁字壩數(shù)量或尺寸進(jìn)行，極大地增加了工程造價(jià)[6-8].由于丁字壩存在功能單一、消能效果差等缺陷，每年都要國家投入數(shù)億元的資金進(jìn)行加固維修，造成人力、物力的嚴(yán)重浪費(fèi).

針對(duì)這些問題，本文對(duì)丁字壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大膽的改造，從丁字壩的導(dǎo)流、消能等核心功能出發(fā)，提出了新型的導(dǎo)流板式異形丁字壩結(jié)構(gòu)形式,并通過水槽模型試驗(yàn)，明確異形丁字壩的導(dǎo)流及消能機(jī)理，以期今后對(duì)壩體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化、完善.由于該壩型為原始創(chuàng)新形式，所以目前所有水利專業(yè)教材、科研論文經(jīng)查實(shí)均沒有類似報(bào)道，導(dǎo)流板式異形丁字壩已通過國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利授權(quán)保護(hù)，為保護(hù)堤防結(jié)構(gòu)穩(wěn)定提供了新的壩型思路.

1 導(dǎo)流板式異形丁字壩模型及原理

導(dǎo)流板式丁字壩結(jié)構(gòu)形式是一端與江(河)岸相連、另一端伸向江(河)槽，在平面上與河岸連接成丁字形，丁壩上部設(shè)置一排或幾排獨(dú)立折板結(jié)構(gòu)(導(dǎo)流板).當(dāng)潮水經(jīng)過導(dǎo)流板后,改變流向,從開始的斜向岸方向或平行堤岸方向改變?yōu)殡x岸方向,從而減小對(duì)堤岸的沖蝕，潮水通過導(dǎo)流板時(shí)，由于受到導(dǎo)流板阻擋能量也有一定消減，因?yàn)榭稍O(shè)置一排或多排獨(dú)立折板，所以這種丁字壩消能、導(dǎo)流、護(hù)岸效果明顯，潮水消退后，江水反向流動(dòng)，導(dǎo)流板式丁字壩同原理導(dǎo)流、消能，起到保護(hù)河岸不受直接沖蝕而產(chǎn)生掏刷破壞的作用[9].導(dǎo)流板式丁字壩工作原理示意圖(見圖1)，導(dǎo)流板式丁字壩三維效果圖(見圖2).

圖1 導(dǎo)流板式丁字壩工作原理示意圖

圖2 導(dǎo)流板式丁字壩三維效果圖

2 導(dǎo)流板式異形丁字壩水力試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

出水口至跌水距離800 cm，泄水槽寬度70 cm，試驗(yàn)段寬度60 cm，溢流壩寬度70 cm，蓄水庫面積(溢流壩頂高程)37 600 cm2.試驗(yàn)場(chǎng)地示意圖(見圖3).

圖3 試驗(yàn)場(chǎng)地示意圖

2.2 導(dǎo)流板式丁字壩項(xiàng)目水流沖刷力測(cè)試裝置

水流沖刷強(qiáng)度影響因素眾多，目前研究水流對(duì)河岸沖刷的方法一直沿用通過水流速度、水深等條件，用理論公式計(jì)算，室內(nèi)試驗(yàn)通常就是測(cè)定水流流速.這種通過流速間接的計(jì)算水流對(duì)河岸沖刷方法有完善的空間.且試驗(yàn)場(chǎng)地限制和這種計(jì)算方法的準(zhǔn)確性不適宜在試驗(yàn)中使用.

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，試驗(yàn)開始之前專門研制了一種水流沖刷作用力測(cè)量裝置(見圖4，圖5).該水流沖刷作用力測(cè)量裝置，采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，可直接應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室或河流現(xiàn)場(chǎng)，能夠直接測(cè)量水流沖刷作用力大小.篇幅所限，水流沖刷作用力測(cè)量裝置工作原理可以參見專利ZL201520762839.9[10].

圖4 水流沖刷作用力測(cè)量裝置正面結(jié)構(gòu)圖

圖5 試驗(yàn)中的水流沖刷作用力測(cè)量裝置

2.3 現(xiàn)場(chǎng)水力試驗(yàn)

(1)在試驗(yàn)段安裝模型，將導(dǎo)流板式丁字壩模型用水泥漿固定在底板上，用木板加高溢流壩，到達(dá)指定水位瞬間提起木板，在模型下游200 cm位置使用水流沖刷力測(cè)定裝置測(cè)定水流沖刷強(qiáng)度大小.

(2)重復(fù)步驟(1)蓄水、瞬間釋放進(jìn)行多次試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù).

(3)在試驗(yàn)段安裝模型，將導(dǎo)流板式消能丁字壩模型用水泥漿固定在底板上，用木板加高溢流壩，到達(dá)指定水位瞬間提起木板，在模型下游30 cm位置，主流、背流處使用水流沖刷力測(cè)定裝置分別測(cè)定水流沖刷強(qiáng)度大小.

(4)重復(fù)步驟(3)蓄水、瞬間釋放進(jìn)行多次試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù).匯總結(jié)果(見表1).

表1 導(dǎo)流消能丁字壩模型沖刷強(qiáng)度試驗(yàn)記錄(溢流壩頂蓄水深度10.0 cm)

正常水流情況下，在模型上游拋撒彩色紙片，觀測(cè)彩色紙片流跡，發(fā)現(xiàn)彩色紙片經(jīng)過導(dǎo)流消能丁字壩模型，方向完全改變到導(dǎo)流板轉(zhuǎn)折后的方向，對(duì)來流方向被沖刷得河岸起到了徹底保護(hù).導(dǎo)流板式異形丁字壩模型導(dǎo)流效果試驗(yàn)圖(見圖6).

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流板式異形丁字壩在運(yùn)行過程中能夠充分發(fā)揮其導(dǎo)流作用，徹底改變水流沖刷方向，對(duì)河岸有很好的保護(hù)作用，同時(shí)該壩型兼具傳統(tǒng)丁字壩的效能功能.導(dǎo)流板式異形丁字壩為保護(hù)堤防的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定提供了新的設(shè)計(jì)思路，具有較好的推廣價(jià)值.

(2)目前導(dǎo)流板式異形丁字壩的導(dǎo)流及消能效果還處于室內(nèi)水力試驗(yàn)階段，在未來的工作中，我們計(jì)劃將該壩型在錢塘江上進(jìn)行試用，以進(jìn)一步明確其在強(qiáng)風(fēng)暴潮及惡劣賦存環(huán)境下的工作性態(tài).

[1] 林繼鏞,王光綸.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[2] 吳持恭.水力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2010.

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[4] 李 濤,何承桂,沈健民.隨工程進(jìn)展的海堤沉降優(yōu)性組合預(yù)測(cè)研究[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2011,23(2):59-61.

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[8] 曹曉萌.丁壩群作用尺度理論及累積效應(yīng)機(jī)理研究[D].杭州：浙江大學(xué),2014.

[9] 秦 鵬，秦?zé)ㄥ?，王英華，等.導(dǎo)流板式丁字壩:中國,ZL 201420539731.9[P].2015-01-28.

[10] 秦 鵬，秦植海，舒海港，等.水流沖刷作用力測(cè)量裝置:中國,ZL201520762839.9[P].2016-02-17.

DesignofSpecialT-damwithNewDeflectors

QIN Peng,SHU Hai-gang,QIN Zhi-hai,XIA Ri-feng,ZHANG Heng-jv,LUO Qian-yi

(College of Hydraulic and Environmental Engineering,Zhejiang University of Water Resources and Electric Power,Hangzhou 310018,China)

T-dam is an important dam structure used for hydraulic energy dissipation. Towards the shortcomings of traditional T-dam including single function and poor effect of energy dissipation,this study improved the core functionality of the traditional T-dam and proposed a new T-dam type by adding the installation of dam deflectors,and the new dam was then tested through indoor hydraulic experiments. Results show that the proposed new dam has strong hydraulic conductivity and energy dissipation. This paper provides a new idea for protecting the structural stability of the dike.

deflector; T-dam; energy dissipation; hydraulic test

2016-05-18

2015年度浙江省水利廳科研項(xiàng)目(RC1534、RC1548)；2015年度浙江省新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(2015R434004、2015R434005)；2016年度浙江省新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(2016R434010)；2015年度浙江水利水電學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(20150525011)

秦 鵬(1984-)，男，河北滄州人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)工程.

TV64

A

1008-536X(2016)10-0021-03