双丁坝合理间距的试验研究

2010-10-28高先刚刘焕芳华根福王振

石河子大学学报（自然科学版） 2010年5期

关键词：坝头丁坝冲刷

高先刚,刘焕芳,华根福,王振

(石河子大学水利建筑工程学院,石河子832003)

双丁坝合理间距的试验研究

高先刚,刘焕芳,华根福,王振

(石河子大学水利建筑工程学院,石河子832003)

桩式透水丁坝群是一种新型结构丁坝,目前在河道整治工程中大量运用。为探讨工程设计中前二座丁坝的间距布设问题,对前二座丁坝的设计间距、透水率、坝长等因素进行了动床模型试验,运用Surfer8.0软件绘制河床地形图和三维效果图,分析结果表明:双丁坝比单个丁坝运用条件下能更好地控制河道整治线,同时第2座丁坝也会产生弱于第1座丁坝的横向和纵向冲刷槽;丁坝间距的确定原则为坝后不冲、主流不淤和坝体自身稳定。经试验观测和原型验证,推荐顺直河道的合理间距为1.5～2.5倍坝长。

桩式透水丁坝;透水率;冲淤特性;间距

Abstract:As a new structure of spur,permeable spur has been used in river regulation projects.To determine the spacing between the first two permeable spurs of the engineering design,based on the results of previous studies,the movable riverbed model experiments are designed,and spacing,water permeability,dam length and other factors are changed in the experiments.By using software Surfer 8.0,the riverbed's contour map and 3D map are drawn.Combined with theoretical analysis,it is found that river regulation lines can be controlled better in two permeable spur conditions,and the crosswise and lengthwise scour trough is weaker in the second spur than in the first one,in the rule to define the distance is no scouring behind the spur,no silting main flow area and stability of the spur itself,after the experimental observation and prototyping certification,it is recommend that the rational spacing in straight channel is 1.5-2.5D1.

Key words:permeable spur;permeable rate;scouring and silting character;spacing

桩式透水丁坝是自20世纪70年代才迅速发展起来的新型河工建筑物,与不透水丁坝相比,其优势在于坝体为空隙结构,对水流有导有透[1],坝头局部冲刷深度明显减小,坝体自身稳定性和应变能力增强。国内黄河郑州中牟韦滩弯道整治工程、黄河花园口河道整治工程、塔里木河上游阿拉尔段防洪工程[2]等均应用了这种新型结构丁坝[3],国外荷兰在莱茵河和Jamuna河(孟加拉国)也进行了桩式透水丁坝的创新实践[4]。

目前,有关桩式透水丁坝的研究大多针对单个桩式透水丁坝的水力学[5]问题,取得了大量有价值的科研成果。冯红春等[6]采用量纲分析推导了桩式丁坝坝头局部最大冲刷深度的计算公式;刘焕芳等[7]分析了桩式丁坝的局部水头损失产生机理,在采用合理假定的基础上推导了壅水高度计算公式;杨元平[8]基于沿水深方向积分的平面二维水流运动方程组,推导出透水丁坝坝后回流区长度的计算公式。在实际丁坝工程中,一般都采用二条或若干条丁坝组成的丁坝群,以达到束水冲沙的效果[9]。由于桩式丁坝群中各丁坝的布置形式不同,导致水流流态、冲淤特性和整治效果也有所区别,其中前二座丁坝的布设尤为重要,因其束窄原有河道,挑流作用明显,后续丁坝群都处于前二座丁坝的保护范围内。

本文通过室内模型试验对桩式透水丁坝群中头两座坝的间距选择问题作了探讨。

1 试验方法

试验为清水冲刷,采用的矩形水槽长10 m、宽1 m,深 0.5 m,坡度为 1/5000,流量 15 L/s,均匀来流的佛汝德数 Fr=0.310,模型河床床面均匀铺设10 cm厚度的河沙,河沙干容重为2.63 kg/L,中值粒径为0.5 mm。丁坝模型为圆钢焊接而成,整个丁坝与水流成非淹没状态。

试验主要控制条件见表1。选用第1座丁坝的透水率为 0%、20%、25%、30%、40%,以了解不同工况下透水丁坝局部冲淤效果的变化规律。间距采用 15 cm、22.5 cm、30 cm、37.5 cm、45 cm、60 cm 共6组。试验高程测量断面如图1所示。

表1 试验主要控制条件Tab.1 The main control condition table of experiment

图1 桩式透水丁坝动床模型试验高程测量网格Fig.1 Moveable riverbed model experiments grid diagram of permeable spur

2 双丁坝冲淤效果分析

桩式透水丁坝放入河道中后,丁坝附近的水流结构会发生很大变化,流速已进行了重新分布[10]。在桩式透水丁坝坝头纵向轴线往后,绕坝水流与主流形成较长的汇合区,这一区域纵向流速较大,形成一个纵向冲槽,冲槽靠主流区一侧的泥沙被水流带走,而靠坝后保护区一侧的泥沙逐渐沉积形成淤积带,如图2a所示。

双丁坝与单个桩式透水丁坝的冲淤效果有很多不同之处,如图2b所示。在第2座丁坝坝根处也要形成横向冲槽,坝后也有淤积体存在,同时由于第2座丁坝的加入,使得河道水流结构重新分布,纵向冲槽和纵向淤积带的范围均顺河道延长,这种作用能有效控制河道整治线。

图2 桩式透水丁坎作用区域河床形态Fig.2 Riverbed configuration of single and double permeable

图3 为坝长 D1=D2=15 cm,透水率为30%时不同间距条件下的河床三维地形图。由图3可见:间距在1～1.5D1时,第2座丁坝对第1座丁坝仍有较大影响,主要表现在坝头冲槽基本连成一线,加剧第2座丁坝坝头的冲刷。间距在2～3D1时,水流结构平顺,第2座丁坝坝头冲深也明显变小。间距为4D1时,第1座丁坝的纵向冲槽与第2座丁坝完全断开,说明此时间距已经过大,不符合整治线的要求。

图3 不同间距下河床三维效果Fig.3 Different three-dimensional maps of riverbeds with different spacing

3 丁坝合理间距的确定原则与方法

丁坝间距的大小直接关系到工程效果和工程量。间距过大,丁坝之间不能互相掩护,相当单一丁坝,达不到控制整治线的目的;间距太小,丁坝数目增多,工程量和造价加大,因此,要以最少的丁坝达到最好的效果,就必须合理确定丁坝间距[11-12]。确定丁坝合理间距的原则主要有:

1)工程安全性原则:为防止坝头、坝根遭受严重冲刷,应使下一条丁坝的坝轴断面远离第1座桩式透水丁坝的“V”型冲槽,同时应使水流绕过坝头后所形成的扩散水流边线能达到下一个丁坝有效长度范围内,避免坝根冲刷。

2)主流最大流速原则:有足以控制整治线的点,各丁坝边线的连线组成平顺的整治线,不会因丁坝间距过大影响束水攻沙效果。

3)坝后保护区促淤原则:透过桩坝的水流会对坝后的保护区域产生冲刷[13]。因此,应防止坝后保护区内产生较大的流速,影响泥沙淤积。

目前,国内外大多根据经验以第1座丁坝坝长的某一倍数来确定间距[14-15]。根据实际工程的经验资料,间距应满足:

从护岸促淤条件考虑,布设丁坝后,其坝体范围内水流平均流速必须小于泥沙起动流速:

主流泥沙不能淤积,即主流区平均流速必须大于泥沙起动流速:

主流区不淤可以用纵向冲槽长度进行判断,坝头顺水流往下游会形成纵向冲刷槽,而冲槽末端大量被水流推移过来的泥沙堆积发生淤积,因此在冲槽末端发生淤积之前就应布设下一道丁坝。

为使主流区整治线得到有效控导,应使第2座丁坝的坝上游断面流速不低于丁坝断面处流速,即将第2座丁坝布置在第1座丁坝断面平均流速的位置,流速在主流范围内沿纵向变化是确定丁坝间距的重要依据,水流经过第1座丁坝坝轴断面后即收缩,至某一点完全收缩,这个断面为收缩断面(图4),然后水流开始扩散,则在这段间距内主流必然出现收缩断面。