青草沙水庫北堤保灘丁壩群模型試驗研究

【摘要】采用定床試驗和動床試驗相結(jié)合的方法，研究了青草沙水庫北堤保灘丁壩群壩頭區(qū)沖刷特性，分析了軟體排對丁壩壩頭區(qū)的防沖刷效果。結(jié)果表明，青草沙水庫北堤丁壩壩頭近區(qū)局部流速較大，極易造成壩頭局部沖坑深度較大則不利于壩頭穩(wěn)定；通過在壩頭區(qū)設(shè)置軟體排可起到保護丁壩壩頭，使得壩頭區(qū)域有效避免沖刷破壞影響。

【關(guān)鍵詞】青草沙水庫；丁壩群；定床試驗；動床試驗；護岸保灘

丁壩是一種常見的河道整治水工建筑物，起到護岸保灘、積淤造岸以及提高主流區(qū)通航能力等作用。由于丁壩壩頭復(fù)雜的水流易引起局部沖刷影響，丁壩沖刷特性一直備受廣泛關(guān)注，而為了保護河床，防止丁壩沖刷，目前普遍采用護底措施。青草沙水庫位于長江口長興島西北側(cè)水域，鑒于水庫工程河段河勢變化的復(fù)雜性，在青草沙水庫北堤中上段布設(shè)斜坡式拋石堤結(jié)構(gòu)的丁壩群。為研究丁壩群的壩田區(qū)流態(tài)和壩頭區(qū)沖刷特性，分析軟體排對丁壩壩頭及壩田區(qū)防沖刷的效果，針對青草沙水庫北堤中上段布設(shè)的丁壩群開展局部定床和動床模型試驗研究。

1、模型設(shè)計

丁壩群物理模型如圖1所示，其中包含1#～4#丁壩，其中測量段長1800m，寬度為600m。模型線性比尺λL=50，流速比尺λu=7.07，潮流運動時間比尺λυ=7.07，糙率相似比尺λn=1.92；動床試驗潮流作用泥沙起動流速比尺λuc=7.07，試驗所用木屑模型沙的中值粒徑為0.45mm，容重為1.15t/m3。

圖1 物理模型

2、試驗研究及結(jié)果分析

2.1 定床試驗

選擇落急、漲急兩個工況開展本文的研究工作，試驗工況參見表1。

圖2和圖3分別給出了兩工況下，設(shè)置丁壩群前后近岸區(qū)水流流動的垂線平均流速分布情況。對于工況1，未設(shè)置丁壩群時近岸區(qū)流速總體上呈逐步緩慢減小分布，最小流速約為0.50m/s；而設(shè)置丁壩群后，近岸區(qū)流速迅速減小，壩田內(nèi)回流區(qū)的平均流速約為0.40m/s。對于工況2，在未設(shè)置丁壩群時，最小流速約為0.55m/s；而設(shè)置丁壩群后，壩田內(nèi)回流區(qū)平均流速約為0.30m/s。

由張瑞瑾公式，工況1和工況2壩頭近區(qū)的泥沙起動流速分別為0.74m/s和0.79m/s。圖4、5給出了兩工況下2#和3#丁壩壩頭近區(qū)流速分布情況。由圖4和5可知，各工況下的壩頭近區(qū)最大流速均大于起動流速，且在丁壩下游皆出現(xiàn)了流速范圍為0.2～0.4m/s的回流區(qū)；對于工況1，2#丁壩壩頭近區(qū)最大流速高達1.3m/s，接近泥沙起動流速的2倍，壩頭極易出現(xiàn)較嚴重的局部沖刷現(xiàn)象；對于工況2，壩頭最大流速位于2#丁壩，大小為1.0m/s，同樣也遠大于泥沙起動流速。雖然丁壩對減小壩田區(qū)流速有很好的促進作用，但同時也對水流造成了擠壓，增大了壩頭近區(qū)的局部流速，造成局部沖刷而極易破壞壩頭結(jié)構(gòu)，不利于丁壩的穩(wěn)定，因此有必要對丁壩設(shè)置一定的防沖刷措施。

2.2 動床試驗

為保護青草沙水庫北堤丁壩群，下面分析軟體排對丁壩壩頭的防沖刷效果。為方便對比分析，在2#丁壩壩頭區(qū)鋪設(shè)軟體排，而3#丁壩不鋪設(shè)軟體排。圖6所示的是兩丁壩壩頭區(qū)泥沙沖淤形態(tài)圖，從圖中可以看出，未設(shè)置軟體排的3#丁壩的壩頭局部沖刷嚴重，出現(xiàn)較長的沖刷坑帶，局部最大沖深可達7m；而鋪設(shè)軟體排的2#丁壩壩頭局部沖刷較輕，最大沖坑深度為1.5m；沖刷坑位置也由壩頭近區(qū)轉(zhuǎn)移到軟體排邊緣。顯然，鋪設(shè)軟體排能夠大幅度減弱沖刷，有利于丁壩壩頭的穩(wěn)定。

3、結(jié)論

采用定床試驗和動床試驗相結(jié)合的方法，研究了青草沙水庫北堤保灘丁壩群壩頭的水力流態(tài)和沖刷特性，并對比分析了軟體排對壩頭的防沖刷效果。研究發(fā)現(xiàn)，丁壩群能有效降低近岸區(qū)水流流速，有利于青草沙水庫北堤灘地的防護；丁壩會對水流擠壓造成壩頭近區(qū)局部流速變大，使得壩頭存在顯著的局部沖刷；設(shè)置軟體排能夠有效避免青草沙水庫北堤保灘丁壩群壩頭沖刷破壞影響。

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