鉛絲籠丁壩水毀原因綜合分析及防治措施

王桂貞，王 振

（1.泰安市大河水庫管理處，山東 泰安 271000；2.新疆伊犁州水利電力勘察設(shè)計研究院，新疆 伊犁 835100）

以新疆瑪納斯河鉛絲石籠丁壩運(yùn)行現(xiàn)狀為例，總結(jié)鉛絲石籠丁壩水毀的形式，分析水毀的原因，提出防治方案。根據(jù)模型試驗分析對比，確定了張紅武公式可作為該類丁壩壩頭沖刷深度，即丁壩基礎(chǔ)埋置深度的計算公式。為鉛絲石籠丁壩工程施工、設(shè)計和運(yùn)行管理提供了科學(xué)依據(jù)。

1 鉛絲籠丁壩的水毀形式及原因分析

1.1 鉛絲籠丁壩的水毀形式

通過實地查看發(fā)現(xiàn)，新疆瑪納斯河上丁壩因受水流沖刷，丁壩存在不同程度的水毀現(xiàn)象。按照水毀發(fā)生的位置不同，主要分為壩頭、壩身和整體損毀三種形式。

1.2 鉛絲籠丁壩的水毀原因分析

鉛絲石籠丁壩水毀的因素很多，且相互耦合，分析主要有以下幾方面的原因：

1）壩體材料自身不足。鉛絲籠丁壩由金屬線材編織的角形網(wǎng)（六角網(wǎng)）網(wǎng)箱內(nèi)裝填塊石或天然鵝卵石制成，具有極高的承載力，但本身極易被氧化，在水流長期的周期性作用下，易破壞。

2）河勢變化影響。因河道過洪流向變化，頂沖河段的深泓線逐年逼近堤體，使壩頭形成巨大沖坑，造成壩頭懸空、坍塌拉裂而水毀；特別是在洪水期，水流挾帶了大量泥沙，在壩根淤積造岸，彎道處泥沙堆積于凸岸，逐漸改變主流位置和方向，對凹岸產(chǎn)生巨大的沖刷，加劇丁壩水毀。

3）人為因素的影響。一是鉛絲籠丁壩工程的規(guī)劃設(shè)計往往只是根據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗進(jìn)行，設(shè)計難度較大，特別是壩頭形式的選擇，基礎(chǔ)埋置深度的確定等問題，設(shè)計者主觀因素過多，設(shè)計成果相差較大。二是受施工人員技術(shù)水平、施工條件、施工季節(jié)的限制，施工質(zhì)量未能達(dá)到設(shè)計要求，施工的質(zhì)量差、鉛絲標(biāo)號低等問題，造成工程投入使用后即出險情。三是管理不善。河道管理部門因經(jīng)費有限，未按期對河勢工情進(jìn)行觀測及時發(fā)現(xiàn)問題，并采取搶護(hù)措施，導(dǎo)致工程出險；另外，因鉛絲用途廣，附近居民截取盜竊，致使壩體破壞。

2 防治鉛絲籠丁壩水毀的措施

2.1 采用耐磨、耐腐蝕、柔軟性好的編網(wǎng)材料

目前，主要使用合金鋼網(wǎng)和重鍍鋅鐵絲兩種材料。采用合金鋼網(wǎng)編制鉛絲網(wǎng)籠，使壩體整體抗沖、抗剪切、耐磨耐腐蝕性能增強(qiáng)，同時為了防止腐蝕，可以加PVC外套防護(hù)；采用重鍍鋅鐵絲，執(zhí)行《鋼絲鍍層鋅或鋅-5%鋁合金》YB/T5357-2009標(biāo)準(zhǔn)中A1級標(biāo)準(zhǔn)，各種直徑線型的鍍鋅層厚度均可達(dá)到30μm，是一般鍍鋅鋼絲的6倍多，可大大提高鉛絲抗腐蝕性。

2.2 合理布設(shè)工程

合理規(guī)劃布設(shè)工程，一是因地制宜選擇適合的壩頭形式；二是選擇合適的平面布置形式，如合適的壩長，挑角及壩間距等，對于護(hù)岸丁壩工程，宜選用下挑短丁壩形式。

2.3 加強(qiáng)運(yùn)行管理

制定詳細(xì)的工程運(yùn)行管理制度，加強(qiáng)巡視和定期檢查力度，及時發(fā)現(xiàn)險情并處理；另外，河道管理部要加大壩前采砂的懲罰力度，加強(qiáng)上游植物的保護(hù)措施。

3 壩頭沖刷計算分析

由于研究方法和試驗條件的差異，目前比較有代表性的計算方法如下：

3.1 計算公式簡介

1）阿爾圖寧公式。對于細(xì)沙河床，前蘇聯(lián)學(xué)者阿爾圖寧以水流結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，應(yīng)用連續(xù)原理及泥沙起動和平衡輸沙的河流動力學(xué)有關(guān)理論，根據(jù)水槽中正交平板丁壩試驗結(jié)果，提出了壩頭沖刷的如下公式：

2）張紅武公式。張紅武根據(jù)阿爾圖寧試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，應(yīng)用量綱和諧原理，得到了（1）的修正公式：

3）馬卡維也夫公式。前蘇聯(lián)學(xué)者馬卡維也夫早在20世紀(jì)60年代根據(jù)水槽丁壩模型試驗資料得出適用于細(xì)沙河流的丁壩壩頭沖刷公式：

4）規(guī)范公式?！兜谭拦こ淘O(shè)計規(guī)范》（GB50286-98）推薦非淹沒丁壩沖刷深度計算公式，根據(jù)水流條件、邊界條件并應(yīng)用觀測資料驗證分析選擇，是馬卡維也夫公式的另一種形式。

5）詹義正公式。詹義正從概化的丁壩壩頭水流擠壓繞流流動現(xiàn)象出發(fā)，提出無摻混擠壓繞流模式有效的與丁壩沖刷相關(guān)的因素聯(lián)系起來，為丁壩沖刷的理論分析計算帶來了極大的便利。

3.2 模擬計算實例

以新疆瑪納斯河丁壩為原型，選取挑角30°、45°、60°、75°、90°五種挑角進(jìn)行模擬試驗，實測沖刷深度和計算值如表1。

本文根據(jù)實際情況，利用各家沖深公式計算壩頭最大沖刷深度，并與實測值進(jìn)行比照，試圖找到適合丁壩工程壩頭沖刷深度的計算公式。

表1 實測沖刷深度與各公式計算數(shù)值表

圖1 各公式計算沖刷深度點值連線圖

通過計算值與實測值對比，公式計算值均小于模型試驗的實測值，這與各公式均沒有考慮丁壩所處的位置對丁壩局部沖深的影響有關(guān)，而張紅武公式計算的最大沖刷深度與模型試驗實際測得的沖刷深度數(shù)值擬合較好，可以作為新疆瑪納斯河鉛絲石籠丁壩工程壩頭刷深度即丁壩基礎(chǔ)埋置深度的計算公式。

4 結(jié)論

本文通過分析鉛絲石籠丁壩水毀的原因，建議采取相應(yīng)的措施，有效地降低了丁壩水毀的幾率，特別是準(zhǔn)確計算丁壩基礎(chǔ)埋置深度，從源頭上減少鉛絲石籠丁壩水毀。通過計算值與實際值對比，運(yùn)用張紅武公式計算出來的最大沖刷深度與模型試驗實際測得的沖刷深度數(shù)值擬合較好，可以作為丁壩工程壩頭沖刷深度的計算公式，據(jù)此確定丁壩基礎(chǔ)埋置深度。