丁坝冲刷及整流桩防护措施研究

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1、丁坝冲刷及整流桩防护措施研究张俊华，陈书奎，马怀宝，李书殴，李涛，李昆鹏（黄河水利科学研究院，河南郑州450003）摘要：通过丁坝局部模型试验进一步研究丁坝冲刷机理。在此基础上，针对丁坝防护问题，提出了改变以往被动防护为主动防护的思路，即在丁坝坝体布设整流桩这样一种新型的防护措施。和应的模型试验结果表明，整流桩对有效改善丁坝坝头局部水流结构，进而使丁坝坝头冲刷坑深度减小,最大冲刷部位偏离，有利于丁坝的稳定。关键词：丁坝冲刷整流桩防护丁坝具冇导流、护岸、防冲和稳定河势的作用，是保滩护岸工程中最为常见的水工

2、建筑物Z—。近年来，黄河下游修了很多由丁坝组成的护滩控导工程，逐步形成了“以坝护弯、以弯导流”的整治模式。黄河上修筑的坝工，一燉为非淹没式的下挑丁坝，根石多为散抛块石结构。黄河下游河床抗冲性差，往往在坝头形成冲刷坑，进而引起根石走失，危及坝体女全。为改变传统坝岸工程频繁抢险的被动局面，治黄工作者曾利用新材料、新技术和新工艺进行整治工程新结构形式的试验研究,例如混凝土灌注斜墙坝、塑料编织袋护根坝、网护坝、沉排坝等，取得了较好的抗冲效果卜铁然而，这些方法与手段从机理上讲均可称为被动防护，即通过不同措施增加坝

3、体的抗冲性。丁坝的冲刷是水流与河床相互作用的结果。若从改善丁坝坝头局部水流结构入手，可从根本上缓解丁坝冲刷问题，可称Z为主动防护。基于这种思路，笔者针对丁坝冲刷机理进行了模型试验研究，在此基础上提!l!T-种新型的丁坝防护措施一一整流桩。1模型试验装置及方法笔者在一长25叭宽1.8m的水槽中进行了丁坝冲刷机理及苴整流桩防护效果的试验研究。模型几何比尺为100、流速比尺为10、床沙粒径比尺为3.5。水槽进口以电磁流量计控制流量，出口通过调整底部高程控制水面比降，床面铺设郑州热电厂粉煤灰，中径在0.03mm

4、左右。模型丁坝按几何比尺1：100塑造，坝头为半圆形。坝轴线与水槽边壁呈30°夹角，相当于黄河下游下挑式丁坝，坝根与水槽边壁连接。试验采用恒定流过程，控制单宽流量为11m2/s,相当于黄河花园口河段8000nf/s时丁坝附近的水力特征，控制进口含沙量不大于5kg/m试验内容包括丁坝冲刷机理试验及整流桩防护效果试验。2丁坝冲刷机理丁坝的冲刷是水流与河床相互作用的结果，探讨丁坝局部水流结构不仅具有重要的水力学研究价值，也对丁坝的实际工程应用有现实指导意义。许多学者围绕丁坝的冲刷进行了大量试验研究，目前对丁

5、坝冲刷机理的认识存在不同的观点。笔者试图通过试验深化对丁坝冲刷机理的认识，此外,该组次的试验结果可作为分析丁坝整流桩防护效果的基础。2.1丁坝局部水流结构按恒定的进口流量及尾门水位控制，丁坝迎水而水位为23.5m（水槽底部高程为Om,下同）,木次试验过程屮，坝体附近水位及流场变化的观测结果为：（1）由于丁坝的阻水作用，因此坝体上游水位继高，纵向水面线呈下凹形山1线。图1丁坝坝头部位水流结构（2）水流在丁坝上游屮部发生分离，部分水流下潜，水流压缩和绕流形态非常明显。坝头上游侧水流集中，水流接近坝头端时，流

6、线曲率及流速梯度较大，在坝端上游侧发生了明显的分离现彖，进而形成旋转速度较大的涡漩（见图1）。涡漩从水底向水面发展，H自上游向卜•游移动,而后逐渐失。总体看来，丁坝改变了局部水流流态，水流的下潜、压缩、分离、涡旋的产生和衰减使水流呈强紊动性三维结构，上述各种因索共同作用提供了丁坝冲刷的水力条件。2.1丁坝局部冲刷黄河丁坝建于沙质河床Z上，河床抗冲性差。丁坝附近水流一方面将床沙冲起，使坝头附近冲刷坑逐渐扩大；一方而产牛横向及纵向不平衡输沙，在坝后回流区及下游产牛淤积。试验初期可以图2丁坝周围冲淤形态看到，

7、坝头附近床面泥沙被涡旋水流带至水仏而后向下游输移的现象。冲刷坑的发展过程是由快而缓，最终达到平衡状态。稳定后的冲刷坑呈现出不对称的形态，最深点位于坝头坝轴线附近，高程3nu最大冲刷坑水深20.5mo最深点上游部位边坡较陡，下游坡度较缓（见图2）。冲刷坑下游边缘至下游一定范围内呈现顺水流方向的淤积带。丁坝背水面产生淤积。3整流桩防护试验基于上述丁坝冲刷机理的试验，从改变丁坝局部水流结构入手，在丁坝头部附近布设了整流装置。整流桩布设于丁坝前端半圆直径的延长线上，距丁坝轴线20〜35mZ间，长15m,透水率为

8、50%,见图3o5o图4布设整流桩后丁坝坝头部位水流结构由试验过程可以看出，丁坝坝头附近设置整流桩可明显改善坝头局部的水流结构。幣流桩使高流速区偏离坝头，而且使得对坝头冲刷作用人的涡漩远离坝头（见图4）。整流桩的阻水作用使其询方产生壅水，其厉方流速明显减小，见图140-12010080-60-20-20406080100120140160180图6布设整流桩后丁坝周围冲淤形态图7整流桩位置改变后丁坝周围冲淤形态丁坝坝头的失稳不是水流对根右的