丁壩沖刷深度與防護(hù)措施研究
——以中國(guó)拉薩河城區(qū)段為例

綦玖軍

拉薩市水利勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院，中國(guó)·西藏 拉薩 850000

1 引言

在河道整治和防洪工程中，丁壩作為控導(dǎo)工程中最常見(jiàn)的水工建筑物，起到了導(dǎo)流、緩流、維護(hù)堤防穩(wěn)定的作用。中國(guó)拉薩河城區(qū)段所建丁壩，在汛期防洪中發(fā)揮著重要作用，用于保護(hù)堤防護(hù)腳免受沖刷，而沖刷也是河道中的一個(gè)重要天然過(guò)程，其一般被定義是從河道和堤壩中剝離沉積物，這也是水流沖刷影響的直接結(jié)果。尤其是在汛期洪峰值出現(xiàn)時(shí)丁壩沖刷毀壞最嚴(yán)重。在水工建筑物周?chē)臎_刷一般包括兩種：一般沖刷和局部沖刷，其中局部沖刷是導(dǎo)致丁壩等控導(dǎo)工程建筑物水毀的最主要因素。因?yàn)槎蔚慕ㄔO(shè)限制了水流的行進(jìn)，導(dǎo)致了丁壩壩頭周?chē)植克魉俣鹊脑龃?，上游水域壅高，水面比降上升，河道也被水流沖刷而形成了沖刷坑，在沖刷深度過(guò)大時(shí)往往會(huì)造成基礎(chǔ)淘刷引發(fā)控導(dǎo)工程建筑物的倒塌。所以關(guān)于對(duì)丁壩沖刷深度與防護(hù)措施研究，在防洪工程中對(duì)丁壩的施工設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行有著重要意義，也一直是水利工程建設(shè)領(lǐng)域所關(guān)心的重點(diǎn)。

2 丁壩沖刷機(jī)理研究

對(duì)于丁壩沖刷機(jī)理的探究，中國(guó)不少研究者已經(jīng)開(kāi)展了大量物理實(shí)驗(yàn)，部分研究者提出沖刷是由于行進(jìn)水流受到了丁壩影響，丁壩附近的流速進(jìn)行了重新分布，丁壩束水引起壩頭附近流速增大導(dǎo)致壩頭處泥沙的局部沖刷，在近場(chǎng)河底產(chǎn)生了旋渦，從而導(dǎo)致河道上的淤泥被水流沖起并挾運(yùn)至下游形成淤積，從而逐漸產(chǎn)生了沖刷坑；但也有研究認(rèn)為是由于丁壩的挑流作用明顯，水流的流速場(chǎng)和壓力場(chǎng)都隨之發(fā)生了改變，使水流在丁壩附近產(chǎn)生了壓力差，部分水流向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生下潛水流，從而引起對(duì)丁壩底部河道的沖刷現(xiàn)象。

由于近年來(lái)科學(xué)研究的開(kāi)展，不少研究者提出丁壩沖刷應(yīng)是多種原因綜合影響的結(jié)果，丁壩沖刷是由翻過(guò)壩頭的水流和下潛水流以及它們的作用而形成的旋渦綜合影響引起的。上游水流在流經(jīng)丁壩時(shí)會(huì)受阻，引起了壩頭周?chē)髦袆×业娜S紊動(dòng)現(xiàn)象和剪切層渦流的快速發(fā)展，從而造成了水流流速和單寬流量的局部增大，進(jìn)一步加劇了水流的輸沙能力，這也是丁壩局部沖刷產(chǎn)生的最直接原因。而下潛水流和旋渦的產(chǎn)生對(duì)河道沖刷的加劇和局部沖刷的形成則產(chǎn)生著關(guān)鍵作用，一方面流經(jīng)丁壩上的水流受阻后，在丁壩迎水面上形成停滯，同時(shí)產(chǎn)生壓力梯度變形，從而產(chǎn)生下潛水流，水流的運(yùn)動(dòng)形式則相似于直角射流，直接沖刷河底床沙；另一方面，壩頭附近流量的增大也造成了河道下部流量的增大以及旋渦的形成，由于旋渦有很大的河道剪力和挾運(yùn)淤泥的力量，從而形成局部沖刷。

3 拉薩河資料分析

拉薩河為雅魯藏布江中游左岸一級(jí)支流，發(fā)源于念青唐古拉山中段南麓、澎錯(cuò)東南約15 公里的孔瑪朵山峰下，發(fā)源地高程為5200 米。流域范圍在東經(jīng)90°05′~93°20′、北緯29°20′~31°15′之間，全流域面積為32875 平方公里，占雅魯藏布江流域面積的13.7%，河流全長(zhǎng)551 公里。拉薩河為雅魯藏布江最大的支流，流域西部和北部以念青唐古拉山為界，東南部與雅魯藏布江流域相鄰。拉薩河干流呈“S”形，由東北向西南延伸，依次流經(jīng)當(dāng)雄縣、林周縣、墨竹工卡縣、達(dá)孜區(qū)、堆龍德慶區(qū)、拉薩市城區(qū)以及那曲市的色尼區(qū)、嘉黎縣的一部分，在拉薩市曲水縣附近匯入雅魯藏布江。

通過(guò)對(duì)拉薩河城區(qū)段河道分析，由于河道寬淺，河床比降大，主流在220~1100m 的河寬內(nèi)擺動(dòng)不定，水流綜合穩(wěn)定性差，平面形態(tài)具有散亂的游蕩型河道特點(diǎn)，河道兩岸修建的護(hù)岸提防極易受到主流的頂沖，所以在修建的護(hù)岸提防都配合丁壩來(lái)改變水流形態(tài)，減小水流對(duì)提防護(hù)腳的沖刷。

通過(guò)觀察修建在拉薩河城區(qū)段的丁壩沖刷水毀情況，壩頭與主流交角較大，水流流速大，流態(tài)紊亂，在下潛水流作用下，壩頭處河床淘刷嚴(yán)重，壩體塊石被水流帶走，出現(xiàn)較大沖刷坑，壩體塊石松動(dòng)、脫落，滾入沖刷坑二次被水流帶走，造成壩頭嚴(yán)重破壞。

丁壩上游阻水作用明顯，在汛期高水位水流翻壩下切，背水坡流速增大，沖刷力強(qiáng)，造成背水坡外側(cè)河床沖刷，形成明顯沖刷坑，背水坡坡面塊石出現(xiàn)松動(dòng)、脫落，造成不均勻沉降、倒塌；在水流持續(xù)作用下破壞面不斷向壩軸線(xiàn)方向發(fā)展，引起壩面下部出現(xiàn)掏空，同時(shí)壩面還受到水流頂沖作用、河床推移質(zhì)磨損、漂浮物的撞擊，在著力點(diǎn)處壩面產(chǎn)生破壞，極易形成缺口，導(dǎo)致壩體斷裂，造成壩體倒塌損毀。

丁壩周?chē)乃餍螒B(tài)還受到河道是否處于順直岸、凹岸、凸岸的情況有關(guān)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，在汛期由于上游凸岸的阻擋作用，打亂了水流的流態(tài)，水流受阻改變流經(jīng)方向而折沖到河道的對(duì)岸，在汛期形成急流頂沖。拉薩河城區(qū)段建在凹岸處的丁壩，在汛期防洪中丁壩投入使用后，河道的河勢(shì)隨著水文條件的變化而不斷變化，水流中挾運(yùn)大量泥沙，導(dǎo)致對(duì)向河床大量淤積，從而改變主流位置和方向，在凹岸處沖刷作用增強(qiáng)，加劇了丁壩的水毀。

4 丁壩沖刷深度計(jì)算

4.1 模型試驗(yàn)

根據(jù)何鳳華[2]模型試驗(yàn)研究，流量由日本產(chǎn)KIB-0200型電磁流量計(jì)量測(cè)，并以DC-4000 型控制器組成閉合回路，自動(dòng)控制試驗(yàn)流量，精度0.1m3/h；流速由日本產(chǎn)VO-203A型旋漿流速儀測(cè)定，精度為0.1cm/s，并可測(cè)定正負(fù)流速值；水位由日本產(chǎn)NS-103D 型跟蹤式水位計(jì)量測(cè)，精度為0.1mm；沖刷地形由日本產(chǎn)NST-30 型跟蹤式水下地形儀測(cè)定，精度為0.1mm。經(jīng)200 多場(chǎng)模型試驗(yàn)分析得出，平臺(tái)加齒坎防護(hù)措施保護(hù)丁壩基礎(chǔ)效果較好。

4.2 丁壩沖刷深度計(jì)算

4.2.1 丁壩局部沖刷深度計(jì)算

4.2.2 丁壩基礎(chǔ)防護(hù)局部沖刷深度計(jì)算

根據(jù)水流與河床相互作用和抗沖消能原理，在丁壩基礎(chǔ)周?chē)O(shè)置平臺(tái)加齒坎防護(hù)措施，削弱壩頭水流能量，防止水流直接沖刷丁壩基礎(chǔ)河床。

丁壩基礎(chǔ)周?chē)O(shè)置了平臺(tái)加齒坎防護(hù)措施后的減沖程度除受水流條件影響外，還與平臺(tái)寬度（B平）、齒坎高度（h齒）及齒坎后緣與壩體間距離（B間）有關(guān)，何鳳華[2]根據(jù)量綱分析方法，丁壩設(shè)平臺(tái)加齒坎防護(hù)措施時(shí)，丁壩局部沖刷深度的計(jì)算公式為：

h——壩頭沖刷前水深（m）。

5 丁壩基礎(chǔ)防護(hù)措施

分析丁壩水毀原因發(fā)現(xiàn)，丁壩在汛期防洪過(guò)程中的水毀大多是因?yàn)閴晤^沖刷造成的。張瑋[3]等提出丁壩損毀可分為直接損毀和間接損毀兩類(lèi)：直接損毀主要是由于散拋石壩護(hù)面塊石的粒徑偏小，穩(wěn)定重量不足，在受到不穩(wěn)定的中洪水主流、橫向環(huán)流或斜向水流的強(qiáng)烈沖擊時(shí)，壩體表面塊石逐漸被水流沖移，形成缺口，繼而擴(kuò)大沖深，從而導(dǎo)致壩體的損毀；間接損毀主要是因?yàn)樯伿瘔沃苓吇A(chǔ)被破壞，導(dǎo)致壩體損壞。有些散拋石壩經(jīng)常會(huì)由于壩基（多為砂卵石）處理不當(dāng)，導(dǎo)致壩體基礎(chǔ)在水流作用下被掏空，使壩體外側(cè)失去支撐，從而導(dǎo)致壩體倒塌損毀。論文從改變丁壩附近水流特點(diǎn)、增強(qiáng)壩體自身抗沖性出發(fā)，針對(duì)丁壩基礎(chǔ)、壩頭沖刷的破壞提出以下兩點(diǎn)防護(hù)措施。

5.1 平臺(tái)加齒坎防護(hù)措施

丁壩出現(xiàn)水毀的外部因素主要是由水流頂沖和強(qiáng)渦流產(chǎn)生的底部淘刷作用，因此丁壩附近的水流結(jié)構(gòu)對(duì)壩體的影響至關(guān)重要。何鳳華[2]，方達(dá)憲[4]等為了削弱壩頭水流能量，避免水流直接沖刷丁壩基礎(chǔ)，在丁壩附近設(shè)置平臺(tái)或平臺(tái)加齒坎防護(hù)措施，比較設(shè)置平臺(tái)前后的沖刷深度結(jié)果發(fā)現(xiàn)：丁壩防護(hù)措施以平臺(tái)加齒坎型式效果較好。布置示意圖如圖1所示。

圖1 平臺(tái)加齒坎防護(hù)措施布置示意圖

5.2 優(yōu)化丁壩結(jié)構(gòu)形式和改進(jìn)壩體結(jié)構(gòu)材料

丁壩的壩型和結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)水流條件，河床地質(zhì)和丁壩的工作條件，因地制宜進(jìn)行選擇，林發(fā)永[5]等通過(guò)研究迎流頂沖丁壩附近的水流流態(tài)和局部沖刷變形特點(diǎn)，為迎流頂沖點(diǎn)的丁壩提出了新的結(jié)構(gòu)形式。研究表明，工程中采用階梯型丁壩和勾頭丁壩時(shí)，丁壩壩頭附近的沖刷強(qiáng)度減弱，沖刷坑的深度和規(guī)模也相應(yīng)減小。

實(shí)際水利工程中運(yùn)用的丁壩主要有以下4 種結(jié)構(gòu)形式：①拋石丁壩；②沉排丁壩；③土工織物丁壩；④混合類(lèi)丁壩。其中，拋石丁壩運(yùn)用比較廣泛，它具有堅(jiān)固耐用、施工和維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，適用于盛產(chǎn)石料的地區(qū)。拉薩河城區(qū)段所建丁壩所使用的就是鋼筋石籠骨架拋石丁壩。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)丁壩沖刷深度與防護(hù)措施研究，在丁壩施工設(shè)計(jì)工程中著重對(duì)壩體基礎(chǔ)整體性加強(qiáng)工程措施，同時(shí)增強(qiáng)壩體自身抗沖性，使壩體底部附近盡量減少河床因沖刷導(dǎo)致基石的流失，這樣壩體底部附近即使產(chǎn)生局部沖刷也能使壩體保持整體穩(wěn)定性。

根據(jù)模型試驗(yàn)，丁壩基礎(chǔ)平臺(tái)的布設(shè)不需要在基礎(chǔ)周邊滿(mǎn)布，丁壩自壩頭開(kāi)始，迎水面長(zhǎng)度應(yīng)為壩長(zhǎng)的1/3、背水面長(zhǎng)度應(yīng)為壩長(zhǎng)的1/5 范圍內(nèi)布設(shè)即可；齒坎平面為直角三角形，長(zhǎng)邊與壩體平行，齒坎斜邊與水流流向的夾角為60°，60°齒角置于迎水端，齒坎后緣與壩體間距離，齒坎高度，減沖效果非常明顯，可在實(shí)際施工中推廣與應(yīng)用。