丁壩沖刷及整流樁防護措施研究

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1、丁壩沖刷及整流樁防護措施研究張俊華，陳書奎，馬懷寶，李書毆，李濤，李昆鵬（黃河水利科學研究院，河南鄭州450003）摘要：通過丁壩局部模型試驗進一步研究丁壩沖刷機理。在此基礎(chǔ)上，針對丁壩防護問題，提出了改變以往被動防護為主動防護的思路，即在丁壩壩體布設(shè)整流樁這樣一種新型的防護措施。和應(yīng)的模型試驗結(jié)果表明，整流樁對有效改善丁壩壩頭局部水流結(jié)構(gòu)，進而使丁壩壩頭沖刷坑深度減小,最大沖刷部位偏離，有利于丁壩的穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：丁壩沖刷整流樁防護丁壩具冇導流、護岸、防沖和穩(wěn)定河勢的作用，是保灘護岸工程中最為常見的水工

2、建筑物Z—。近年來，黃河下游修了很多由丁壩組成的護灘控導工程，逐步形成了“以壩護彎、以彎導流”的整治模式。黃河上修筑的壩工，一燉為非淹沒式的下挑丁壩，根石多為散拋塊石結(jié)構(gòu)。黃河下游河床抗沖性差，往往在壩頭形成沖刷坑，進而引起根石走失，危及壩體女全。為改變傳統(tǒng)壩岸工程頻繁搶險的被動局面，治黃工作者曾利用新材料、新技術(shù)和新工藝進行整治工程新結(jié)構(gòu)形式的試驗研究,例如混凝土灌注斜墻壩、塑料編織袋護根壩、網(wǎng)護壩、沉排壩等，取得了較好的抗沖效果卜鐵然而，這些方法與手段從機理上講均可稱為被動防護，即通過不同措施增加壩

3、體的抗沖性。丁壩的沖刷是水流與河床相互作用的結(jié)果。若從改善丁壩壩頭局部水流結(jié)構(gòu)入手，可從根本上緩解丁壩沖刷問題，可稱Z為主動防護?；谶@種思路，筆者針對丁壩沖刷機理進行了模型試驗研究，在此基礎(chǔ)上提!l!T-種新型的丁壩防護措施一一整流樁。1模型試驗裝置及方法筆者在一長25叭寬1.8m的水槽中進行了丁壩沖刷機理及苴整流樁防護效果的試驗研究。模型幾何比尺為100、流速比尺為10、床沙粒徑比尺為3.5。水槽進口以電磁流量計控制流量，出口通過調(diào)整底部高程控制水面比降，床面鋪設(shè)鄭州熱電廠粉煤灰，中徑在0.03mm

4、左右。模型丁壩按幾何比尺1：100塑造，壩頭為半圓形。壩軸線與水槽邊壁呈30°夾角，相當于黃河下游下挑式丁壩，壩根與水槽邊壁連接。試驗采用恒定流過程，控制單寬流量為11m2/s,相當于黃河花園口河段8000nf/s時丁壩附近的水力特征，控制進口含沙量不大于5kg/m試驗內(nèi)容包括丁壩沖刷機理試驗及整流樁防護效果試驗。2丁壩沖刷機理丁壩的沖刷是水流與河床相互作用的結(jié)果，探討丁壩局部水流結(jié)構(gòu)不僅具有重要的水力學研究價值，也對丁壩的實際工程應(yīng)用有現(xiàn)實指導意義。許多學者圍繞丁壩的沖刷進行了大量試驗研究，目前對丁

5、壩沖刷機理的認識存在不同的觀點。筆者試圖通過試驗深化對丁壩沖刷機理的認識，此外,該組次的試驗結(jié)果可作為分析丁壩整流樁防護效果的基礎(chǔ)。2.1丁壩局部水流結(jié)構(gòu)按恒定的進口流量及尾門水位控制，丁壩迎水而水位為23.5m（水槽底部高程為Om,下同）,木次試驗過程屮，壩體附近水位及流場變化的觀測結(jié)果為：（1）由于丁壩的阻水作用，因此壩體上游水位繼高，縱向水面線呈下凹形山1線。圖1丁壩壩頭部位水流結(jié)構(gòu)（2）水流在丁壩上游屮部發(fā)生分離，部分水流下潛，水流壓縮和繞流形態(tài)非常明顯。壩頭上游側(cè)水流集中，水流接近壩頭端時，流

6、線曲率及流速梯度較大，在壩端上游側(cè)發(fā)生了明顯的分離現(xiàn)彖，進而形成旋轉(zhuǎn)速度較大的渦漩（見圖1）。渦漩從水底向水面發(fā)展，H自上游向卜?游移動,而后逐漸失?？傮w看來，丁壩改變了局部水流流態(tài)，水流的下潛、壓縮、分離、渦旋的產(chǎn)生和衰減使水流呈強紊動性三維結(jié)構(gòu)，上述各種因索共同作用提供了丁壩沖刷的水力條件。2.1丁壩局部沖刷黃河丁壩建于沙質(zhì)河床Z上，河床抗沖性差。丁壩附近水流一方面將床沙沖起，使壩頭附近沖刷坑逐漸擴大；一方而產(chǎn)牛橫向及縱向不平衡輸沙，在壩后回流區(qū)及下游產(chǎn)牛淤積。試驗初期可以圖2丁壩周圍沖淤形態(tài)看到，

7、壩頭附近床面泥沙被渦旋水流帶至水仏而后向下游輸移的現(xiàn)象。沖刷坑的發(fā)展過程是由快而緩，最終達到平衡狀態(tài)。穩(wěn)定后的沖刷坑呈現(xiàn)出不對稱的形態(tài)，最深點位于壩頭壩軸線附近，高程3nu最大沖刷坑水深20.5mo最深點上游部位邊坡較陡，下游坡度較緩（見圖2）。沖刷坑下游邊緣至下游一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)順水流方向的淤積帶。丁壩背水面產(chǎn)生淤積。3整流樁防護試驗基于上述丁壩沖刷機理的試驗，從改變丁壩局部水流結(jié)構(gòu)入手，在丁壩頭部附近布設(shè)了整流裝置。整流樁布設(shè)于丁壩前端半圓直徑的延長線上，距丁壩軸線20?35mZ間，長15m,透水率為

8、50%,見圖3o5o圖4布設(shè)整流樁后丁壩壩頭部位水流結(jié)構(gòu)由試驗過程可以看出，丁壩壩頭附近設(shè)置整流樁可明顯改善壩頭局部的水流結(jié)構(gòu)。幣流樁使高流速區(qū)偏離壩頭，而且使得對壩頭沖刷作用人的渦漩遠離壩頭（見圖4）。整流樁的阻水作用使其詢方產(chǎn)生壅水，其厲方流速明顯減小，見圖140-12010080-60-20-20406080100120140160180圖6布設(shè)整流樁后丁壩周圍沖淤形態(tài)圖7整流樁位置改變后丁壩周圍沖淤形態(tài)丁壩壩頭的失穩(wěn)不是水流對根右的