丁坝设计参数对河床冲淤量的影响规律研究

丁坝设计参数对河床冲淤量的影响规律研究王振刘焕芳王燕燕摘要:天然河道中修建丁坝后，丁坝附近的流速场会出现新的变化。流速变大的区域，局部冲刷加剧，危及丁坝自身的安全;流速减小的区域，泥沙在坝后沉积，形成淤积区，可起到保护下游河岸的作用。在总结前人研究成果的基础上，通过室内动床试验，利用Sufer软件的体积计算功能，就丁坝设计参数的变化对河床的冲淤量影响规律进行了深入研究。结果表明:冲淤量均随坝长的增加而增加，但坝后淤积量增加幅度大于冲刷量增加幅度;相比正交丁坝，在其他条件不变时，随着挑角的减小，非正交丁坝的冲刷量和淤积量都有减小的趋势，且冲刷量的减小趋势远大于淤积量的减小趋势。关键词:冲刷机理;水流结构;冲淤规律;铅丝笼丁坝中图法分类号:TV14文献标志码:AStudyoninfluencelawofgroindesignparametersonriverbedscouringandsiltationWANGZhen，LIUHuanfang，WANGYanyanAbstract:Onceagroinisbuiltinthenaturalriver，newchangesoftheflowvelocityfieldaroundthegroinmayappearasfollows:localscouringintensifiedinthezoneofflowvelocityincreased，endangeringthegroinsafety;whilesedimentdepositedbehindthedaminthezoneofflowvelocitydecreased，formingasedimentationarea．Onthebasisofpreviousresearchachievements，andbyusingthevolumecalculationfunctionofSufer，theinfluenceofgroindesignparametersonriverbedscouringandsiltationwasexploredaccordingtomovablebedexperiment．Thestudyresultsshowthatthescouringandsiltationincreasesasthelengthofgroinincreaseswhiletheincreasingextentofsiltationisgreaterthanthatofscouring．Moreover，underotherwiseequalconditions，thescouringandsiltationoforthogonalgroindecreasewiththereductionofbucket-slipangle，andthedecreasingtendencyofscouringismuchgreaterthanthatofsiltation．Keywords:scouringmechanism;flowstructure;scouringandsiltinglaw;gabiongroin铅丝笼丁坝因具备造价低、施工快、可就地取材、生态环保等优点，在国内外河道整治工程中得到广泛的应用，但实际工程设计时往往严重依赖设计者的经验，设计难度大，不利于该类工程的推广［1-3］。因此，深入研究费省效宏的铅丝石笼丁坝工程，探讨其水力特性、冲淤机理等问题，可为丁坝的设计推广提供理论依据和参考。笔者在前人研究的基础上，结合室内动床试验，分析铅丝笼透水丁坝局部冲淤特性，总结丁坝设置参数的改变对丁坝附近局部冲淤的影响规律。1试验概况动床试验在10m×10m×0．5m(长×宽×深)矩形水槽内进行，坡度为1/5000，综合糙率为0．178。在保证来流流量保持18L/s不变，佛汝德数Fr=0．4001等条件不变的前提下，选取12，16，20，24，30cm(即缩窄比0．12，0．16，0．20，0．24，0．30)五种坝长组合以及90°，75°，60°，45°，30°五种挑角组合，进行单因素试验，研究坝长、挑角变化对丁坝附近河床冲淤量变化的影响规律。模型河床床面均匀铺设约10cm厚的河沙，河沙干容重为2．63g/cm3，中值粒径为0．5mm。丁坝设在距水槽入口4～7m处;试验使用清水冲刷。2冲刷过程及冲刷机理分析前人研究发现，水槽中放置铅丝笼丁坝后，丁坝附近的水流结构发生了改变，水流结构的改变势必打破原河床的冲淤平衡，促使河床再次冲刷和淤积，最终达到新的冲淤平衡。通过试验观测发现，在局部冲刷初期，由于丁坝的作用，靠近丁坝侧上游的水面被壅高形成高压区，而坝头附近则为低压区，临近坝前的水流，除了靠近坝根处极少部分水流折向河岸形成坝前回流外，绝大部分水流沿坝面从高压区流向低压区形成横向流动，这股横向下切水流和纵向的主流相互叠加，形成高速螺旋涡流，下切的高速螺旋涡流首先冲刷坝头附近的床面，挟带泥沙，席卷着向下游流去，形成最初的坝头冲刷坑。随后，冲刷坑在坝上游迎水面横切水流的作用下沿坝面向坝根发展，产生沿坝面下切的流速，更加剧了横向的冲刷，最终沿坝面形成横向冲槽;同时，在高速螺旋涡流的作用下，冲刷坑也在纵向加深并沿纵向向下游延伸，冲刷坑内被卷起的泥沙呈螺旋上升向冲刷坑两边扩散，其中一部分被带到主流区，参与沿程冲刷，另一部分被输运到淤积体表面。同时，挟带到下游的泥沙在坝后流速减小区形成淤积，初期的淤积体呈狭长型。随着冲刷的加剧，更多的泥沙在坝后沉积，使坝下游淤积体逐渐向下延伸变宽。随着淤积体的加高，淤积体上面的水深减小，流速增大，促使淤积体表面沉积的泥沙向淤积体尾部扩散，使淤积体伸长，高程也逐渐被抬高。随着坝后淤积带的延伸变宽加高，淤积速度明显减缓，当漩涡的能量不足以将挟带的泥沙送上淤积高度的时候，坝后淤积结束。此时，冲刷坑内紊动流速仍大于泥沙起动流速的部分水流仍较为缓慢地增加冲刷坑的深度和宽度，直至冲淤平衡，最终形成如图1所示地形，它较直观地还原了冲淤稳定后的河床形态。3丁坝设计参数对河床冲淤的影响Surfer软件具有强大的平面与三维图绘制功能及体积计算功能，已经被广泛运用于土石方量计算、库容计算和固体矿采剥工程量计算等工程领域中［4］。胡学宁等人利用Surfer进行了土石方工程量的应用计算，但未对其精度和可靠性进行分析5］;陈主安在此基础上对Surfer在进行土地整理时土石方体积计算的数据网格化方法、体积计算原理和精度进行了理论分析和试验研究，证实利用Surfer进行网格化和体积计算的精度是可靠的［6］;雷雨等人提出利用Surfer进行了河道演变的分析，但未进行试验验证［7］。笔者利用Suffer软件的体积计算功能，计算不同工况下丁坝附近的河床冲淤量变化，探讨丁坝设计参数的改变对河床冲淤变化的影响规律。3．1坝长对河床冲淤变化的影响规律利用Suffer软件计算在其他条件不变的情况下不同坝长丁坝附近河床的淤积量、冲刷量及净体积的变化量，点绘出不同坝长的淤积量、冲刷量与坝长30cm(缩窄比0．3)时淤积量、冲刷量的比值随丁坝缩窄比的变化曲线，如图2所示。由图2可知，冲刷量和淤积量都随坝长的增加而增加，但冲刷量总是大于淤积量，这是由于被冲起的泥沙部分随主流冲向下游导致的。随着坝长的增加，坝后淤积量增加的幅度要大于冲刷量的幅度，当坝长达到30cm时，冲刷量和淤积量几乎相当。坝体附近的局部冲刷对坝体的安全是不利的，但坝后淤积带和保护区的范围与丁坝工程的效果密切相关，因此，在实际工程建设过程中，丁坝附近的局部冲淤效果不仅仅考虑坝长还应综合考虑其他因素，根据工程实际情况，选择一个最优的坝长，既能达到保堤护岸的目的，又能保证工程安全运行。3．2挑角对河床冲淤变化的影响规律利用Suffer软件计算在其他条件不变的情况下，不同挑角作用时的淤积量和冲刷量，点绘出不同挑角工况下的冲刷比(即非正交丁坝冲刷量与正交丁坝冲刷量的比值)和淤积比(即非正交丁坝淤积量与正交丁坝淤积量的比值)，如图3所示。当挑角为75°时，冲刷量及淤积量和正交丁坝时相当;当挑角为60°时，淤积量为正交丁坝时淤积量的98%，但冲刷仅为正交丁坝的71%;当挑角为45°时，淤积量为正交丁坝的淤积量的80%，但冲刷仅为正交时冲刷量的56%;当挑角30°时，淤积量为正交丁坝的淤积量的59%，但冲刷仅为正交时冲刷量的30%。由此可见，相比正交丁坝，随着挑角的减小，非正交丁坝的冲刷量和淤积量都有减小的趋势，且冲刷量的减小趋势远大于淤积量的减小趋势。这是由于随挑角的减小，丁坝缩窄作用和挑流作用减弱，使得水流平顺的进入下游，减小了坝头的冲刷。4结论本文利用Suffer软件的体积计算功能，计算了不同坝长和挑角的丁坝作用后丁坝附近的冲淤量，结合动床试验的观测资料，对铅丝笼透水丁坝的局部机理和冲刷过程进行了详细的分析和研究，得出以下结论。(1)冲刷量和淤积量都随着坝长的增加而增加，但坝后淤积量增加的幅度要大于冲刷量增加的幅度。(2)相比正交丁坝，在其他条件不变时，随着挑角的减小，非正交丁坝的冲刷量和淤积量都有减小的趋势，且冲刷量的减小趋势远大于淤积量的减小趋势。参考文献:［1］郭汉生．铅丝笼在河道防护工程中的应用［J］．治淮，1993，(4):27-28．［2］张万有，李来伟，宋彩霞，等．铅丝笼丁坝在河道整治工程中的应用［J］．河南水利，2005，(4):23-24．［3］刘树清．大体积铅丝笼丁坝护岸治理病险堤段［J］．四川水利，1998，(1):23-25．［4］韩丽娜，石昊苏．利用Surfer8．0绘制地质等值线图［J］．计算机与现代化，2008，(11):84-87．［5］胡学宁，高明，石铁矛．应用MapInfo7和Surfer8．0计算土方工程量［J］．沈阳建筑大学学报:自然科学版，2006，22(3):491-494．［6］陈主安．基于Surfer的土地整理土石方量计算及精度分析［J］．工程勘察，2010，(5):53-56．［7］雷雨，尹富国，周银军．Surfer在河道演变分析中的应用［J］．人民黄河，2010，32(1):25-26．作者简介:王振，男，硕士研究生，主要研究方向为工程水力学。