丁坝坝头局部冲刷机理及防护

丁坝坝头局部冲刷机理及防护

田野

重庆交通大学重庆市400074

摘要：从丁坝附近水流结构分析了坝头局部冲刷机理，分析了丁坝局部冲刷过程的特点及水流、河床和丁坝三者相互作用对丁坝的影响，给出了前人的研究成果并进行对比分析，从水流因素、河床因素、丁坝因素三方面分析了丁坝坝头局部冲刷的影响，并在最后给出了一系列的防护措施。

关键词：丁坝；冲刷机理；防护

引言

丁坝、导流堤是调治水流的主要建筑物。丁坝具有保护长度大、调治水流作用显著、施工简便等独特优点，普遍用于河岸、航道和沿河公路路基河段的防护工程。在河道上修建丁坝后，局部河道的水流特性将发生一定的变化，开展相关的研究有助于了解丁坝附近的冲刷机理[1]。加强丁坝基础防护措施的抗冲能力保证防护的河岸、路基、桥梁的安全可靠，提高丁坝自身的安全是关键。

1丁坝附近水流结构

阿尔达莫诺夫等学者先后对工程中应用最为广泛的非淹没丁坝附近的水流结构进行了细致研究，认为丁坝的阻水作用使得上游侧水位壅高，在丁坝上游形成局部的水面横比降，使流线向对岸偏转。偏转后的流线一部分绕过坝头，另一部分顶冲在丁坝上游面上。顶冲水流以垂向最大流速面为界，上部水流边上升边向坝头方向偏转，从水面处绕过坝头，下部水流下潜至河底，在横向水压力作用下向坝头偏转，紧贴河底绕过坝头。上游坝脚处相对静水区在绕坝主流的剪切作用下形成一个不大的回流区。表层水流绕过坝头后受惯性作用继续向对岸偏转，与坝头发生边界层分离，在丁坝下游不远处形成收缩断面。坝前水面线纵向比降的局部增大，使得在收缩断面处形成冲向河底的下降水流。过坝后高速主流区与坝后相对静水区之间产生强烈的剪切作用。在纵向剪切力和横向水压力的共同作用下，坝后形成一个较大的回流区。底层水流绕过坝头后并不像表层水流那样强烈收缩，而是以马蹄形旋涡的形式呈扇形流动。

2丁坝坝头局部冲刷机理

由于丁坝附近水流结构非常复杂，因此对丁坝坝头局部冲刷的机理一直没有形成统一的认识。主要存在4种学说：马蹄形旋涡学说、单宽流量增大学说、下潜水流学说和综合学说。(1)马蹄形旋涡学说。该学说认为，冲向坝面的水流在坝附近形成绕丁坝坝头靠近河底流向下游的马蹄形旋涡，将泥沙冲起并带走，形成冲刷坑。(2)单宽流量增大学说。该学说认为，被丁坝拦截的水流被破从坝头绕流，使丁坝坝头附近的单宽流量增大，水流冲刷能增强，造成坝头局部冲刷。

(3)下潜水流学说。该学说认为，冲向坝面的水流受到阻碍以后，在压力差的作用下，一部分水流折转向下运动形成下潜水流，使得坝头附近底部流速增大，造成局部冲刷。(4)综合学说。该学说认为，局部冲刷是单宽流量及近底纵向流速在坝头附近沿程增大，以及坝头附近流带弯曲，面流、底流流向偏角差异形成的螺旋流有助于冲刷坑内泥沙横向输移造成的。

丁坝局部冲刷不是单一因素作用的结果，坝头附近单宽流量的增大是形成局部冲刷的主要因素，马蹄形旋涡和下潜水流对底部流速增大也对水流冲刷能力的增强起着重要作用。另外，坝头附近水流强烈的三维紊动增强了水流输沙能力，对局部冲刷有加剧作用。

张义青等[12]进行了清水长历时丁坝冲刷水槽试验，观察发现冲刷过程分为3个阶段：①初始阶段，旋涡的尺寸和规模较小，但对坝头的冲刷作用却很强，随着冲坑迅速扩大，旋涡的尺寸也急剧扩张；②发展阶段，冲刷坑内的泥沙运动大体上可以分为推移区和滑落区，推移区带走一定量的泥沙，周围滑落区便有泥沙滑落补充，一般滑落区的边坡坡度保持不变，冲深增加逐渐变慢，且不同冲坑形状较为类似；③平衡阶段，垂向旋涡水流对河床的冲刷作用明显减小，河床的冲刷主要是脉动水流所致，冲刷发展极其缓慢，经过较长时间后冲刷达到平衡。

3丁坝坝头局部冲刷的影响因素分析

丁坝坝头局部冲刷是水流、河床和丁坝三者相互作用的结果，局部冲刷的影响因素应该充分反映这三者的特征。

3.1水流因素

关于丁坝坝头局部最大冲刷深度与行近流速的关系，研究结果基本一致，认为在行近流速超过丁坝上游河床泥沙起动流速之前，最大冲深随行近流速的加快而加深，超过之后冲深与行近流速大小无关。

关于丁坝局部冲深与行近水深的关系，还没有形成统一的认识。有人认为最大冲深随行近水深的增加而增大；有人认为最大冲深随着行近水深的增加刚开始增大，后来丧失相关关系；还有人通过水槽试验发现，最大冲深先随行近水深的加大而递减，然后渐增，最终不随水深的变化而变化。显然，这些认识都有一定的代表性，同时相对于工程实际都有很大的局限性。

3.2河床因素

研究发现最大冲深受土壤黏性的影响，当冲深发展到较厚的黏土层时，便不再向下发展。最大冲深与床沙粒径和不均匀性的关系，存在不同的认识。粒径关系的争论：Laursen用中值粒径为0.46～2.20mm的床沙对桥墩局部冲刷进行了动床试验，结果表明泥沙粒径对冲刷深度无明显影响；蒋焕章在对桥墩局部冲刷单因素分析后，得到了冲深随d50增大而减小的结论。Raudkjvi在桥墩的清水冲刷试验中发现，不均匀性对冲刷深度有明显影响，在水流条件和d50不变的条件下，不均匀性越大，冲刷深度越大。

3.3丁坝因素

丁坝挑角对最大冲深点位置和冲深大小都有重要影响，在保持丁坝在垂直水流方向投影长度不变的情况下，随着挑角由0变为180，最大冲深点位置逼近坝前，冲深随挑角的增大一直增大。但更多人认为在120左右时局部冲刷达到最不利情况，冲深达到最大。坝长对最大冲深的影响还存在争论。Kwan对丁坝附近流态的研究表明，受丁坝影响的水流范围是很小的，仅延伸到丁坝前缘以外大约0.3倍坝长距离的水流范围内，这一范围之外的邻近水流实际没有受到丁坝影响，对冲刷过程似乎不起重要作用，因此应选取丁坝长宽比作为当前分析的一个特征冲刷参数。

在选取影响丁坝局部冲刷的特征因素时，有些重要因素往往被忽略，丁坝在河床中所处位置和群坝中各丁坝之间的相互掩护对冲深都有重要影响，丁坝上游断面形状和断面流速分布应该被充分考虑，而且在考虑河床特征因素时，大江大河丁坝冲刷的计算选取半河宽或全河宽都应慎重。

4丁坝防护措施

丁坝基础冲刷防护措施以平台加齿坎型式效果较好，平台型式次之。齿坎平面为直角三角形，其布置为:直角长边与坝轴平行，齿角置迎水端，齿坎后缘与坝体间距离、齿坎高，技术经济指标较好。

优化丁坝结构型式及改进坝体结构材料，工程中采用阶梯型丁坝和勾头丁坝时，丁坝坝头附近的冲刷强度减弱，冲刷坑的深度和规模也相应减小。

抛石加固方案是传统的防护措施，其方法是用块石材料加固水下坝脚；钢丝网石笼加固是在已建工程的坡脚部分沉放一定宽度的钢丝网石笼；土工织物沙枕加固的方案和钢丝网石笼加固方案类似，即在建筑物的坡脚部分沉放一定宽度的土工织物沙枕，其内充填泥沙而制成。

在潮汐河口坝面需要特别的防护措施，可在坝面铺一层鹅卵石减缓冲刷破坏，这类防护防护措施在宜宾等长江上游段也有广泛的应用。坝头尽可能选用大块石或利用废旧钢丝绳编织钢丝笼块石抛筑坝头等加固措施。

参考文献：

[1]程昌华．航道工程学［M］．北京:人民交通出版社，2004．

[2]王平义，荣学文，程昌华，等．山区河流航道整治建筑物遭受异相耦合破坏作用的特征及仿真探讨［J］．重庆交通学院学报，2001(S1):109-111．

[4]苏伟，王平义，喻涛，等．不同结构形式丁坝水毁过程分析［J］．水运工程，2012(11):118-123．

作者简介：田野(1994—)，男，硕士，现攻读重庆交通大学河海学院港口、海岸及近海工程工程硕士学位