公路防護(hù)工程新型丁壩防治性能試驗研究

羅文功 魏學(xué)利 陳寶成

摘要：為探討新型丁壩在實際護(hù)岸工程中的防治性能，文章通過水工試驗對公路防護(hù)工程丁壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，對圍堰式丁壩、垂直丁壩和垂直基礎(chǔ)式丁壩三種新型丁壩類型與常規(guī)丁壩進(jìn)行沖刷現(xiàn)象、局部沖刷深度和水槽斷面流速等值線分布對照分析。結(jié)果顯示：新型丁壩由于自身結(jié)構(gòu)特點，在水流防沖刷、挑流和工程經(jīng)濟(jì)性方面有著一定的優(yōu)勢;當(dāng)實際公路工程水流沖刷環(huán)境較為極端時，可因地制宜采用新型丁壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)，保障公路路基安全穩(wěn)定。

公路水毀;丁壩;水工試驗;沖刷深度;防治措施

0 引言

公路工程建設(shè)于河谷流域時，易受到河流影響，沿河工程修筑時常增加必要的防護(hù)工程，防止河流彎道處水流直接沖刷公路路基邊坡，造成水毀災(zāi)害[1-4]。防護(hù)工程中的丁壩結(jié)構(gòu)具有挑流、攔擋和防沖特性，可改變水流運動狀態(tài)，具有良好的防護(hù)性能，常被運用在水流沖刷較為嚴(yán)重的沿河防護(hù)工程中[5-10]。

近些年以來，國內(nèi)專家學(xué)者對于丁壩的研究較為豐富，隨著計算機(jī)技術(shù)和試驗技術(shù)的發(fā)展，丁壩研究內(nèi)容更為全面。顧杰等[5]通過水工試驗研究了丁壩結(jié)構(gòu)對彎道水流特性的影響，發(fā)現(xiàn)壩后回流區(qū)與丁壩頂寬和丁壩距彎道距離相關(guān)，當(dāng)丁壩壩寬較小或距彎道較近時，回流區(qū)長度越長。鄭宇華等[9]采用超聲水位和PIV流速測量技術(shù)，對不同水力坡度下非淹沒丁壩近區(qū)的水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)丁壩在不同水力坡度下調(diào)整水流結(jié)構(gòu)的機(jī)理。魏文禮等[11]通過Fluent軟件模擬60°彎道丁壩水流沖刷現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)T型丁壩在調(diào)整水面橫比降、減小壩后回流區(qū)長度、改善彎道水流流態(tài)等方面較直丁壩有明顯優(yōu)勢。陳曉燕等[12]通過運用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)值分析，擬合得出與實驗丁壩壩頭曲面符合度很高的二次曲面函數(shù)，應(yīng)用此函數(shù)建立的數(shù)值模擬實驗地形結(jié)構(gòu)與原物理實驗結(jié)構(gòu)符合良好，有效提高了不同地形下丁壩建模模擬精度。當(dāng)前研究多針對常規(guī)丁壩結(jié)構(gòu)的沖刷情況和挑流性能，而對于新型丁壩結(jié)構(gòu)的研究較少，故本文針對創(chuàng)新型圍堰式丁壩、垂直丁壩和垂直基礎(chǔ)式丁壩開展水工試驗，研究新型丁壩的結(jié)構(gòu)性能和適用性。

1 水工試驗

1.1 試驗?zāi)Ｐ图霸囼灩r

通過彎道水槽進(jìn)行丁壩模型沖刷試驗，對比不同常規(guī)丁壩和新型丁壩的沖刷現(xiàn)象和沖刷結(jié)果，研究新型丁壩的防治特性和防治效果。[JP1]試驗主體結(jié)構(gòu)主要包括：混凝土水槽、流速可控水流、水槽閘門、丁壩模型等。試驗儀器包括：LS300-A流速儀、直尺、測深儀等。

水工試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)如下：水槽長1=1.2=1，（1.2為60°轉(zhuǎn)角彎道長度），底寬60cm，槽深40cm;常規(guī)丁壩模型長度為15cm，頂寬5cm，壩高35cm;圍堰式丁壩長度為15cm，頂寬5cm，壩高35cm，壩身圍堰頂寬7.5cm，圍堰高度為8cm;垂直丁壩長25cm，頂寬（底寬）5cm，高度為35cm;垂直基礎(chǔ)式丁壩長15cm，頂寬5cm，壩高35cm，垂直基礎(chǔ)高15cm。丁壩模型由鋁塑板材料制成，丁壩設(shè)置于彎道最不利位置。水槽平面布置見圖1，丁壩模型尺寸設(shè)計見圖2，試驗工況見表1。

2 試驗現(xiàn)象和試驗結(jié)果分析

2.1 試驗沖淤現(xiàn)象分析

試驗結(jié)束后，對每組試驗進(jìn)行現(xiàn)象記錄，選取同一流速量級典型沖淤現(xiàn)象進(jìn)行對照，如圖3所示。

從圖3中可以看出，丁壩結(jié)構(gòu)側(cè)沖刷強(qiáng)烈，壩頭處均會形成沖刷坑現(xiàn)象，壩后出現(xiàn)一定距離回流區(qū)淤積，表現(xiàn)出了丁壩沖刷的共性。圖3（a）為常規(guī)丁壩沖刷試驗現(xiàn)象，壩頭沖刷坑較為明顯，丁壩基礎(chǔ)出露，水流沖刷作用較為強(qiáng)烈;圖3（b）為創(chuàng)新性圍堰式丁壩模型試驗現(xiàn)象，圍堰頂部沖刷出露，基礎(chǔ)未出露，有效防護(hù)了丁壩自身基礎(chǔ);圖3（c）為垂直丁壩試驗現(xiàn)象，試驗中挑流作用明顯，試驗后壩身處橢圓狀沖刷坑明顯，壩后淤積;圖3（d）為垂直基礎(chǔ)式丁壩試驗現(xiàn)象，試驗中水流波動較大，試驗后壩前沖刷深度大，壩后有明顯的淤積。

通過各組試驗對照發(fā)現(xiàn)，新型丁壩與常規(guī)丁壩具備相同的防沖挑流作用，但新型丁壩同時還具備一些特殊的防沖性能。其中，圍堰式丁壩的深基礎(chǔ)圍堰可有效防治水流淘蝕丁壩基礎(chǔ)，增大丁壩整體穩(wěn)定性;垂直丁壩常作為挑流丁壩出現(xiàn)，挑流作用明顯，壩身垂直可有效節(jié)省工程開支，垂直丁壩的基礎(chǔ)淘蝕較為強(qiáng)烈，常采用深基礎(chǔ)形式;垂直基礎(chǔ)式丁壩為垂直形式，避免了丁壩壩身放坡太長，適合水位較深河段，防沖性能與常規(guī)丁壩相似，但在一定程度上便于施工和工程開支調(diào)整。

2.2 斷面流速等值線分布分析

試驗過程中采用流速儀對各組試驗橫斷面流速進(jìn)行量測，采集預(yù)先設(shè)定的5×5點陣處流速值（如下頁圖4所示），并最終得到多組試驗斷面流速等值線分布情況（如下頁圖5所示）。

從圖5中發(fā)現(xiàn)，丁壩防護(hù)工程中壩前斷面水流速均表現(xiàn)為流速左側(cè)低、右側(cè)高的分布現(xiàn)象，即壩身前水流受到丁壩阻礙作用，流速降低。由于丁壩壓縮水槽斷面，水流從遠(yuǎn)丁壩處流出，形成文丘里管效應(yīng)，遠(yuǎn)丁壩處流速增大，出現(xiàn)斷面最大流速，壩頭沖刷強(qiáng)烈。

對比發(fā)現(xiàn)，常規(guī)丁壩沖刷試驗和新型丁壩沖刷試驗斷面流速等值線分布相似，均表現(xiàn)為左側(cè)流速低、右側(cè)流速高的流速偏移現(xiàn)象。對比常規(guī)丁壩，新型丁壩唯一的不同是：圍堰式丁壩由于深基礎(chǔ)圍堰的阻水作用，導(dǎo)致壩身前流速下降明顯、流速等值線密集;垂直丁壩由于壩身較長，水槽斷面壓縮較大，導(dǎo)致斷面僅右側(cè)端部部分流速較大，壩頭沖刷較為強(qiáng)烈;垂直基礎(chǔ)式丁壩與常規(guī)丁壩相似，形成穩(wěn)定的流速偏移。

2.3 局部沖刷深度分析

表2為各組試驗沖刷結(jié)果參數(shù)，圖6為四種模型試驗沖刷結(jié)果折線圖。從圖表中可以看出，在試驗30min內(nèi)各組試驗節(jié)點流速變化值和最終沖刷深度穩(wěn)定值大小。

根據(jù)表2，整理得出各組試驗0～10min、10～20min和20～30min沖刷差值和完成比，繪制關(guān)系圖如圖7所示。

通過圖6中的沖刷深度折線圖發(fā)現(xiàn)，丁壩沖刷深度在30min沖刷時間內(nèi)均趨近于最大泥沙鋪設(shè)深度10cm，沖刷效果相似。從圖7中發(fā)現(xiàn)，常規(guī)丁壩和新型丁壩局部沖刷深度滿足前期增速快、后期增速慢的趨勢，最終在30min趨于穩(wěn)定。例如：圍堰式丁壩沖刷試驗0～10min局部沖刷深度差值為6.5cm，10～20min沖刷差值為1.5cm，20～30min沖刷差值為0.9cm;圍堰式丁壩試驗0～10min沖刷深度完成比占沖刷穩(wěn)定值的73%，10～20min沖刷深度完成比占沖刷穩(wěn)定值的17%，20～30min沖刷深度完成比占沖刷穩(wěn)定值的10%。

新型丁壩防護(hù)結(jié)構(gòu)與常規(guī)丁壩局部沖刷深度的穩(wěn)定值和變化趨勢總體上相似，局部不同成因可能是試驗局部誤差造成的，故新型丁壩和常規(guī)丁壩局部沖刷規(guī)律和沖刷穩(wěn)定值相類似。

3 結(jié)語

本研究對常規(guī)丁壩和新型丁壩同時進(jìn)行了多組水工試驗，總體上常規(guī)丁壩試驗與新型丁壩試驗相類似，但新型丁壩具備一些獨特的防治特性。通過試驗現(xiàn)象、流速等值線分布和局部沖刷深度對照分析發(fā)現(xiàn)：

（1）對照試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，圍堰式丁壩的基礎(chǔ)防沖刷性能較好;垂直丁壩挑流防沖作用明顯;豎墻基礎(chǔ)式丁壩沖刷現(xiàn)象與常規(guī)丁壩相類似，但具有較好的工程經(jīng)濟(jì)性。

（2）對照分析流速等值線分布圖，發(fā)現(xiàn)圍堰式丁壩基礎(chǔ)下部阻水作用明顯，壩身前流速下降、流速等值線較為密集;垂直丁壩壩身較長，斷面壓縮作用使遠(yuǎn)丁壩側(cè)流速增大;垂直基礎(chǔ)式丁壩流速等值線與常規(guī)丁壩相似，均表現(xiàn)為斷面左側(cè)流速低，右側(cè)流速高。

（3）對照分析局部沖刷深度顯示，常規(guī)丁壩和新型丁壩局部沖刷深度穩(wěn)定值和沖刷規(guī)律相似，符合實際防護(hù)工程中丁壩一般沖刷特征和規(guī)律。

綜上，新型丁壩具備一定的防護(hù)特性，防沖刷和挑流能力明顯優(yōu)于常規(guī)丁壩，可應(yīng)用于流速大、沖刷強(qiáng)烈的河段，可在后續(xù)實地防護(hù)工程中進(jìn)行推廣。

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