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組合樁壩對(duì)河道控導(dǎo)護(hù)灘作用的模擬分析

2021-07-05 08:06翟得文
山東水利 2021年5期
關(guān)鍵詞:板樁管樁泥沙

翟得文

(山東省水利工程局有限公司,山東 濟(jì)南250014)

黃河是全世界輸沙量最大的河流,影響著包括青海、甘肅、山東在內(nèi)的9個(gè)省份,近年來隨著黃河治沙工程的進(jìn)行,來自黃河上游的輸沙量有一定減少,河道的通暢性明顯改善,中下游的水沙條件也有了很大變化,河道支流發(fā)育變得迅速、復(fù)雜,現(xiàn)有的河道維護(hù)和治理工程對(duì)適應(yīng)黃河河道變化呈現(xiàn)出滯后性和不適應(yīng)[1]。

建設(shè)具有良好透水性的混凝土樁壩是解決這一問題的有效途徑[2]。樁壩是通過在河床、邊坡上打入若干混凝土樁構(gòu)建而成的,混凝土樁之間留有間距,可以控制樁壩的透水率,而且預(yù)制的混凝土樁能夠縮短施工時(shí)間,提高工作效率。本文采用了將常規(guī)混凝土管樁和板樁組合成的組合樁壩結(jié)構(gòu),如圖1所示,并對(duì)該組合樁壩對(duì)山東省某河道的控導(dǎo)護(hù)灘作用做出了探討。

圖1 組合樁壩示意圖

1 混凝土樁壩簡介

組合樁壩結(jié)合了混凝土管樁和板樁特點(diǎn),能起到控制水速、穩(wěn)定河道、減輕河水沖刷的作用,對(duì)土質(zhì)岸坡的防護(hù)效果尤其明顯。

1.1 混凝土管樁

混凝土管樁是按照一定間距在河床或河岸排列的,水流可以從管樁之間流過,水流流速在管樁的阻擋下會(huì)減緩,泥沙因此而沉積,當(dāng)泥沙達(dá)到一定沉積厚度時(shí),會(huì)形成阻擋水流的屏障,進(jìn)一步引導(dǎo)水流流向,減輕岸坡的受沖刷程度[3]。

根據(jù)管樁的橫截面形狀可大致將其分為矩形樁和圓柱樁,由于各方向水流對(duì)圓柱樁的法向沖擊力都較小,預(yù)制圓柱樁的工藝流程較簡單,所以圓柱樁具有更大的施工適用范圍,但實(shí)際應(yīng)用效果欠佳,經(jīng)常發(fā)生斷樁、倒樁現(xiàn)象,所以其設(shè)計(jì)施工技術(shù)還需進(jìn)一步改進(jìn)。

1.2 混凝土板樁

與圓柱樁相同,混凝土板樁也是一種預(yù)制構(gòu)件,其特點(diǎn)在于混凝土面板上留有若干過水孔,河水通過過水孔時(shí)仍然會(huì)攜帶泥沙,這些泥沙會(huì)慢慢推擠在板樁的近岸側(cè),同時(shí)板樁的遠(yuǎn)岸側(cè)也會(huì)阻擋、堆積泥沙,兩側(cè)堆積的泥沙能起到穩(wěn)固板樁的作用。混凝土板樁采用過水孔來調(diào)理水情,對(duì)河道的控導(dǎo)護(hù)灘能取得一定成效,也正是在過水孔的影響下,板樁極易因?yàn)閼?yīng)力集中而出現(xiàn)破損和斷裂,所以對(duì)板樁的材料、過水孔的孔徑和位置還需要進(jìn)一步優(yōu)化[4]。

1.3 組合樁壩

組合樁壩結(jié)合了混凝土管樁和板樁的特點(diǎn),將錨固在河床的混凝土管樁和無過水孔的混凝土面板結(jié)合起來,既克服了管樁容易斷樁、倒樁的缺點(diǎn),又解決了板樁的應(yīng)力集中問題,還提升了樁壩的穩(wěn)定性和控導(dǎo)能力。

組合樁壩在水流沖擊方向上形成了阻礙,在樁壩近岸側(cè)產(chǎn)生了渦流,降低河水流速,促進(jìn)泥沙的淤積,增加了樁壩基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。同時(shí),堆積的泥沙層還能起到控導(dǎo)護(hù)灘的作用,進(jìn)一步增強(qiáng)渦流的影響效果,形成良性循環(huán)。

2 工程概況

黃河下游流域地勢(shì)高差較小,地形平坦,水面寬闊,河水流速緩慢,泥沙容易沉積,河道岸坡時(shí)常坍塌、變形,因此黃河下游的“S”型河道較多,水情也比較復(fù)雜。本文選取了黃河在山東省的某河道為對(duì)象來開展模擬研究。

如圖2所示,該河道全長4.1 km,河道軸線彎曲且寬度變化較均勻,河道主河槽寬度較窄,兩側(cè)河灘所占面積較大,主河槽的糙率為0.020,河灘的糙率為0.025。本文在MIKE21軟件中建立河道平面模型,將模型劃分為若干矩形網(wǎng)格,網(wǎng)格對(duì)應(yīng)最大實(shí)際面積為0.001 km2,選取該地區(qū)2003年的洪水資料輸入模型。

圖2 河道模型平面圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

為了解組合樁壩在不同影響因素下的控導(dǎo)護(hù)灘的效果,模型設(shè)置了以下3種工況來展開研究。

1)單一樁壩在入流角度為15°、30°、60°。

2)三個(gè)橫向排布的樁壩在入流角度為15°、30°、60°。

3)入流角度固定為30°,三個(gè)縱向樁壩分別取縱間距為15 m、30 m、45 m。

3.1 不同入流角度下的控導(dǎo)結(jié)果

為探究不同入流角度下組合樁壩對(duì)河流的控導(dǎo)效果,設(shè)置了3個(gè)工況來計(jì)算模型,3個(gè)工況的河流流量均為3 000 m3/s,全樁高均為15 m,埋深7 m,水中樁高8 m,工況1的入流角度分別為15°、30°、60°。河流流速及水位主要參數(shù)如表1所示,可以看出,樁壩影響下的水流流向有明顯的變化,但不同入流角度下的河流流速無明顯差別,對(duì)河流的導(dǎo)流距離較短,不足45 m,說明單個(gè)樁壩的控導(dǎo)作用有限。

表1 單個(gè)樁壩的上下游主要參數(shù)

3.2 三個(gè)橫向樁壩的控導(dǎo)結(jié)果

模型設(shè)置了3個(gè)橫向等間距排布的組合樁壩,同樣設(shè)置3個(gè)工況,工況入流角度依次為15°、30°、60°,除組合樁壩的橫間距為10 m外,其余條件與3.1節(jié)相同。由此得到的河流流速及水位等模擬主要參數(shù)如表2所示,與單個(gè)樁壩的模擬結(jié)果相比,3個(gè)橫向排布樁壩影響下的河流方向改變更顯著且導(dǎo)流距離增幅較大。工況15°、30°時(shí)導(dǎo)流距離約為50 m,工況60°時(shí)導(dǎo)流距離達(dá)到60 m,而且的上下游水位差也最大,說明60°入流角度下的3個(gè)橫向樁壩的控導(dǎo)效果較好。

表2 三個(gè)橫向樁壩的上下游主要參數(shù)

3.3 三個(gè)縱向樁壩的控導(dǎo)結(jié)果

為研究縱間距對(duì)模擬結(jié)果的影響,設(shè)置樁壩縱間距分別對(duì)應(yīng)15 m、30 m、45 m,入流角度均為30°,其余條件均與3.1節(jié)一致。結(jié)果如表3所示,可以看出河流導(dǎo)流距離分別達(dá)到了62 m、60 m、77 m左右,結(jié)果差距較小??v間距為45 m時(shí),樁壩上下游水位差最大,控導(dǎo)效果最好。

表3 三個(gè)縱向樁壩的上下游主要參數(shù)

4結(jié)語

本文模擬了組合樁壩對(duì)黃河在山東省某河道的控導(dǎo)護(hù)灘結(jié)果,重點(diǎn)研究了不同入流角度及縱樁間距對(duì)模擬結(jié)果的影響,得到以下結(jié)論:

1)河流入流角度越大,組合樁壩的防護(hù)效果越理想,60°角度時(shí),單個(gè)樁壩和多個(gè)樁壩的上下游水位差均達(dá)到最大,導(dǎo)流距離最長。

2)多個(gè)組合樁壩的防護(hù)效果較單個(gè)樁壩好得多,縱間距為45 m時(shí),樁壩對(duì)水流的阻礙作用最明顯,導(dǎo)流距離最佳。

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