王燕燕，劉煥芳，王振

（石河子大學水利建筑工程學院，石河子 832003）

樁式透水丁壩是一種新型結(jié)構(gòu)的河道及航道整治建筑物 ，其壩體為透水結(jié)構(gòu)，對水流有導有透，因其阻水范圍較小，一般受到較小的水力荷載，自身能夠在河流及潮水沖刷作用下維持穩(wěn)定［1］。目前樁式透水丁壩的應用范圍很廣，遍布全國各大流域河道治理以及主要航道和河口治理工程，國內(nèi)黃河鄭州中牟韋灘彎道整治工程、黃河花園口河道整治工程等均應用了這種新型結(jié)構(gòu)［2－3］，國外荷蘭在萊茵河和Jamuna河（孟加拉國）進行了創(chuàng)新實踐，積累了一定經(jīng)驗［4］。

本文針對樁式丁壩群中受水流影響最大的前2座丁壩分別進行定床和動床模型試驗，分析了沖刷穩(wěn)定后不同透水率及組合對壩群周圍的水流結(jié)構(gòu)和河床形態(tài)影響的規(guī)律。

1 試驗概況

定床試驗后，開展清水沖刷試驗，采用的矩形水槽長10m、寬1.0m、深0.5m，坡度為1／5000，流量15L／s，均勻來流的Fr為0.31；模型河床床面均勻鋪設10cm厚度的河沙，河沙干密度為2.63kg／L，中值粒徑為0.5m。

試驗布置如圖1所示，其中丁壩模型為圓鋼焊接而成，整個丁壩與水流成非淹沒狀態(tài)。

試驗主要控制條件見表1，第1座丁壩的透水率選為0%、20%、25%、30%、40%，以了解不同工況下透水丁壩局部水流結(jié)構(gòu)及沖淤效果變化的規(guī)律。間距采用15、22.5、30、37.5、45、60cm，共6組。

試驗時，根據(jù)水流狀況設定測量斷面，每個斷面布設5～11根垂線，在丁壩附近布設斷面較密，以達到反映丁壩附近水流狀態(tài)的目的 ，垂線平均流速采用三點法測量，所取測流速延時為10s，每點測量3次，以3次平均值作為該點的流速值。沖刷7h后開始觀測水流結(jié)構(gòu)，完畢后停水，迅速放干水槽中的水流，對河床形態(tài)開始測量。

圖1 試驗布置圖Fig.1 Layout

表1 試驗主要控制條件Tab.1 The main control conditions of experiment

2 透水率對雙丁壩附近縱向流速的影響

丁壩作用河床后，出現(xiàn)分離、回流、彎曲剪切等復雜的流動，從瞬時來看，脈動較大，水流紊動強烈，但在時均意義上，丁壩附近的水流仍可視為各向同性的紊流，除局部橫向水流流速作用為主外，縱向流速在流場中起主要作用［5］。下面著重分析不同透水率及組合對雙丁壩附近縱向流速的影響規(guī)律。

2.1 縱向流速沿橫向變化規(guī)律

圖2是間距30cm、壩長18cm不同透水率各橫斷面的流速分布圖。

由圖2可以看出：

1）第1座丁壩對水流的影響與單丁壩相似，在靠近第1座丁壩的壩前5cm處，丁壩側(cè)水流流速已經(jīng)受到丁壩的影響而減小，這是因為受丁壩的阻擋，壩前水位開始壅高，在來流流量保持不變時，過水斷面面積增大，流速減小。

2）第1座丁壩壩后流速變化極為不規(guī)則，如透水率25%時，過壩水流由壩前的20.4cm／s減至壩后的13.7cm／s，類似圓柱繞流和攔污柵水流，這部分水流過壩時將壩間泥沙卷起帶走，將部分機械能傳遞給泥沙，同時由于丁壩前后的水位差，一部分動能轉(zhuǎn)換為勢能，而水流與丁壩樁柱之間的摩擦又損失了一部分能量，總體上過壩水流產(chǎn)生了較大的局部水頭損失。壩后50cm以后為流速恢復段，但由于丁壩的挑流作用，整個河流的主流區(qū)開始向丁壩對岸側(cè)移動。研究［1］表明，直道型河流采用丁壩做為整治建筑物時，對整治線的控導必須綜合考慮，采用對口丁壩或錯口丁壩的形式保護對岸岸堤。

3）丁壩對水流的影響范圍非常廣，壩后200cm斷面（13倍壩長）丁壩側(cè)流速仍然未能恢復到無壩狀態(tài)，往往需要幾十倍壩長甚至百倍壩長以上水流才能恢復到正常水流狀態(tài)。

圖2 不同透水率橫斷面流速分布圖 （間距30cm，壩長18cm）Fig.2 Velocity cross－sectional profile of different permeability rates（spacing 30cm，dam length 18cm）

2.2 縱向流速沿程變化規(guī)律

流速沿程變化最明顯的是丁壩掩護一側(cè)，在丁壩斷面之前，流速為河道內(nèi)水流自然狀況，而放置丁壩之后，流速急劇減小。

圖3是間距30cm、壩長18cm不同透水率條件下縱向流速的沿程分布圖。

由圖3可以看出：透水率對水流的影響主要在靠丁壩側(cè)河岸。從圖3a可以看出：在壩后保護區(qū)范圍內(nèi)，透水率為30%時，流速較小，最利于壩后泥沙淤積。從圖3c、d可以看出：主流區(qū)流速在30%時也小于其他透水率條件，說明透水率為30%時，丁壩對主河道整體影響最小。

圖3 不同透水率條件下流速縱斷面圖（間距30cm，壩長18cm）Fig.3 Velocity vertical sectional profile of different permeability rates（spacing 30cm，dam length 18cm）

3 透水率對沖淤穩(wěn)定后河床形態(tài)的影響

如上分析，樁式透水丁壩放入河道中后，丁壩附近的流速場已進行了重新分布［6］。當行近水流遇丁壩受阻后，絕大部分水流被迫沿壩體流向壩頭形成繞壩水流，對壩體迎水面產(chǎn)生橫向沖刷，而另一部分穿過樁柱間的空隙流向壩后，這一過程中水流先受樁柱擠壓，過水斷面縮小流速增大，對樁柱基礎進行沖刷，穿過樁柱間隙后水流突然擴散流速減小，流入壩后保護區(qū)，同時水流攜帶的泥沙在壩后沉降，形成壩后淤積體［7－9］。繞壩水流在通過樁式透水丁壩壩頭縱向軸線后，與主流形成較長的匯合區(qū)，這一區(qū)域縱向流速較大，形成一個縱向沖槽，沖槽靠主流區(qū)一側(cè)的泥沙被水流帶走，而靠壩后保護區(qū)一側(cè)的泥沙逐漸沉積形成淤積帶，如圖4a所示。

雙丁壩與單個樁式透水丁壩的沖淤效果有很大差異，如圖4b所示［10］。在第2座丁壩壩根處也要形成橫向沖槽，壩后也有淤積體存在，同時由于第2座丁壩的加入，使得河道水流結(jié)構(gòu)重新分布，縱向沖槽和縱向淤積帶的范圍均順河道延長，這種作用能有效控制河道整治線。

3.1 透水率對雙丁壩沖淤效果的影響

透水率的改變，對樁式透水丁壩的導流落淤效果有較大影響［11］。

本研究不同透水率下雙丁壩沖淤效果圖如圖5所示。

由圖5可知：透水率小，樁柱間空隙變窄，透過壩體的流量減小，大部分流量繞過壩頭，丁壩的導流作用明顯，而且有利于壩后泥沙沉降。當透水率為20%時，第1座丁壩壩頭的沖刷槽與第2座丁壩壩頭往后的沖刷槽連成一體，并隨著透水率的增大，這種作用減弱。這說明透水率過大時，河道不能形成有效的整治控制線，而且較大的透水率不利于壩后泥沙沉降，保護區(qū)的長度寬度都有所減小，但過小的透水率又會加劇丁壩壩根的沖刷，威脅丁壩自身的安全。因此，選擇合適的透水率是樁式丁壩工程設計的關鍵，通過物理試驗看出，在透水率20%時，沖刷槽相對最大深度為0.635，透水率30%時，沖刷槽相對最大深度為0.403，比較各透水率情況下流速、壩頭沖刷、壩后淤積以及壩后保護區(qū)范圍可得出30%透水率效果最佳。

圖4 樁式透水丁壩作用后河床沖淤形態(tài)Fig.4 Riverbed scouring and depositing patterns from pile permeable spur

圖5 不同透水率下雙丁壩沖淤效果圖（壩長15cm，間距30cm）Fig.5 Scouring and depositing effect of double spurs in different permeability rates（dam length 15cm，spacing 30cm）

3.2 透水率對壩頭沖刷深度的影響

在樁式透水丁壩的設計中，一個重要的考慮就是丁壩壩頭的最大沖刷深度［8］。透水丁壩結(jié)構(gòu)的基礎須置于預測的最大沖刷深度之下，以防止結(jié)構(gòu)體失穩(wěn)破壞。透水率是影響丁壩沖刷的一個很重要因素。

不同透水率下丁壩壩軸的斷面高程圖見圖6。

圖6 不同透水率下丁壩壩軸斷面高程圖（壩長15cm，間距30cm）Fig.6 Dam axis section elevation map of the spur in different permeability rates（dam length 15cm，spacing 30cm）

從圖6可以看出：

1）2座丁壩的壩體沖刷深度均從壩根（與河岸接觸部分）到壩頭逐漸加深，至壩頭附近達到最大沖刷深度。因此，在設計樁柱埋深時，可以從岸邊到河中逐漸加深，從而減少樁材用料 。

2）本文試驗條件是保持第2座丁壩透水率為20%不變，在改變第1座丁壩透水率的條件下，對2座丁壩均有影響，不過，第1座丁壩的沖刷深度遠大于第2座丁壩，都有隨透水率的增大沖深減小的趨勢。

3）第1座丁壩壩軸斷面的沖刷只發(fā)生在丁壩附近，對于遠離丁壩的主河道內(nèi)，河床面高程幾乎沒有變化，為未修丁壩時床面高程，因此，在確定丁壩整治線時，應將丁壩放置位置超前于整治控制點，這樣才能對保護區(qū)域進行有效控制。

4）第2座丁壩整個壩軸斷面均發(fā)生沖刷，主河道河床泥沙普遍揚動，削弱了床面高程。

4 結(jié)論

1）雙丁壩條件下第1座樁式透水丁壩與單個丁壩的水流結(jié)構(gòu)相似，二者的區(qū)別主要在于：單丁壩壩后主流經(jīng)歷先收縮后擴散的過程，而雙丁壩在這一過程中受到第2座丁壩的作用，使得水流結(jié)構(gòu)重新分布，經(jīng)過第2座丁壩壩軸斷面后的水流再次與單丁壩相似。雙丁壩更好的起到了對水流的控導作用。

2）雙丁壩中第2座丁壩的加入，會改變第1座丁壩形成的保護區(qū)形態(tài)，主要表現(xiàn)為第2座丁壩壩根的橫向沖槽、壩頭沖刷深度和壩后淤積體，第2座丁壩的這些特征發(fā)生程度上均弱于第1座丁壩。

3）第1座丁壩壩頭的沖刷與單個樁式透水丁壩相似，壩頭單寬流量增大，繞壩水流產(chǎn)生的下潛水流和馬蹄形漩渦體系的綜合作用促使壩頭沖刷坑的形成。

4）隨著透水率的增大，2座丁壩的壩頭最大沖刷深度均減小，同時兩壩間的淤積作用也減弱，不利于護岸促淤；透水率較小時，壩根的橫向沖槽深度增加，不利于樁柱自身穩(wěn)定。因此，結(jié)合水流結(jié)構(gòu)分析，本文推薦的透水率為30%。

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