丁坝局部冲刷机理及防护措施研究现状

丁坝局部冲刷机理及防护措施研究现状

张皓锋

重庆市南岸区学府大道重庆交通大学 400000

0引言

丁坝是河流整治中广泛应用的整治建筑物，往往通过丁坝系列(丁坝群)防止海岸冲刷，稳定和增加通航水深以及对河道的生态修复等。航道整治中丁坝的目的在于调整河床水深以达到航道整治目标。丁坝由坝头、坝身和坝根三部分组成坝根与河岸相连坝头伸向河槽坝头与坝跟之间的主体部分为坝身。丁坝有长丁坝和短丁坝之分。丁坝坝身的长短决定着束水作用的大小。坝身愈长束窄河槽愈显著挑流作用就愈强。丁坝坝顶高程视整治目的而异。用作防护近堤河岸的丁坝坝身和堤身相连坝顶高程略低于堤顶高程一般不被洪水淹没。

1冲刷机理

1.1关于冲刷不同的观点

关于丁坝冲刷机理的研究，有些学者认为冲刷是由于行进水流受丁坝影响，在近场河底形成流向下游的马蹄形漩涡，致使河床上的泥沙被水流冲起挟至下游，逐渐形成冲刷坑；流向下运动，形成下潜水流，造成丁坝底部河床的冲刷；还有学者认为是丁坝致使河也有研究认为是由于丁坝阻碍水流的行进，使水流在丁坝附近形成压力差，部分水道紧缩，局部流速增大导致其附近的冲刷现象的发生。随着近年来研究的深入，很多学者认为丁坝冲刷应是上述３种因素综合作用的结果，即丁坝冲刷是由下潜水流和绕过坝头的水流及它们的相互作用所产生的马蹄形漩涡综合作用造成的。上游水流行进到丁坝时受阻，引起坝头附近水流强烈的三维紊动和剪切层涡列的发展，导致水流流速和单宽流量的局部增强，增强了水流输沙能力，这是丁坝局部冲刷发生的直接因素。而马蹄形漩涡和下潜水流对水流冲蚀力的增强与局部冲刷的形成也起到了关键作用，一方面冲向坝面的水流受到阻碍以后，在丁坝迎水面产生停滞，造成压力梯度变化，形成下潜水流，下降水流运动形态类似垂直射流，冲击河底床沙；另一方面坝头附近流速的增加导致了河床底部流速的增大和马蹄形漩涡的生成，马蹄涡系具有很高的河床剪力以及极强的搬运泥沙颗粒的能力，造成局部冲刷。

此外，对于丁坝背水面冲刷损毁的机理，苏伟等通过模型试验发现背水坡水毁的主要动力是高速翻坝水流，破坏程度与丁坝前后的跌水高度有关，同时还与翻坝水流的流速变化率呈一定的比例关系。

1.2水力学分析

对非淹没丁坝而言，坝头是造成能量损失的漩涡发源地。在丁坝断面上，有一小部分绕坝水流脱离坝体形成漩涡，同时主流的一部分动能也相应地转化为漩涡的旋转动能。分离漩涡在其运动初期，不断从主流中获得能量，其强度也不断增大。但随着漩涡的运动下移，漩涡膨胀，尺度变大，周围水流对其阻滞作用也随之增大，最后导致漩涡的强度也减弱。在分离漩涡从主流中摄取能量维持自身运动的同时，还因为它不断穿插于主流区和回流区之间，主流区的能量也不断被带到回流区。这些漩涡在产生后不断分裂和合并，在产生、运动、分裂和合并的过程中，必然造成水流的能量损失，这种不属于沿程损失的能量的耗散部分即为非淹没丁坝的局部水头损失。

如上文所述，水流在丁坝附近损失的能量，也就是造成丁坝冲刷的能量。为了下文进一步探讨，将丁坝附近流场分区用下图展示。

2丁坝的不同参数对冲刷的影响

确定影响丁坝坝头局部冲刷的诸多因素中哪一个或几个高主导，对于坝头冲深计算和坝头局部冲刷的防护都有着重要意义。丁坝局部冲刷不是单一因素作用的结果，坝头附近马蹄形漩涡和下切水流对底部流速增大以及水流冲刷能力的增强起到重要作用。另外，坝头附近水流强烈的三维紊动和剪切层涡漩的发展，增强了水流输沙能力，对局部冲刷有加剧作用。

2.1挑角对冲刷的影响

周宜林（2001）通过大涡模拟表明：上挑丁坝附近流态变化最大；下挑丁坝游所产生平面涡及断面逆向流相对更长，更有利于丁坝坝头和河岸的保护。

田伟平（2002）通过室内模型试验研究发现，在非淹没条件下，坝头处冲刷量较下挑丁坝大；而在淹没条件下，情况则相反。

Kuhnle（2002、2013）、陆晶（2015）通过交叉水槽试验，试验结果表明挑角对于冲刷坑形态、尺寸以及位置均有较大的影响，其中相同条件下，挑角为45°时的冲刷深度及冲刷坑体积最小；135°上挑丁坝的局部冲刷最为严重，但有利于改善水生物的栖息环境。

吴伊平、张岩等（2020）通过三维数值模拟，研究了丁坝挑角及长度对坝后回流区流动特性的影响，并与模型试验数据对比。模拟结果显示，不同挑角丁坝附近的流速场和湍动能分布规律较为相似，最大值均分布在坝头下游区域。相同条件下，丁坝挑角越小坝头湍动能越大。

2.2坝长对冲刷的影响

简单来说，丁坝越长，阻水面积越大，丁坝本身承受的水流冲击越大，越容易被冲毁。坝长的增减，直接反映了丁坝对河道的缩窄程度，影响坝头附近的水流条件，进而影响冲刷深度。长丁坝往往阻水面积过大，坝头冲刷过深，引起坝头悬空，结果被洪水冲断。

刘建新等人的试验，得出了阻挡流量与坝长的关系：当边界条件和水深不变时，受阻流量与丁坝长度成正比。受阻流量与坝头冲刷深度关系密切，可知丁坝长度对丁坝的安全性起着关键作用。

3丁坝群的布置与冲刷

在双丁坝的研究中，杨旭亮等发现：首短次长的丁坝组合中水流经过两次挑流作用后，最大流速区出现在次丁坝坝头，次丁坝回流区尺度增加。首、次丁坝周围形成了联合冲刷坑，最大冲刷深度在次丁坝附近，且冲刷坑上游较缓，下游较陡。

王任超研究发现:当丁坝间距逐渐增大时，坝头冲刷深度也逐渐增加，主槽内的冲刷分布变得不均匀;涨急和落急时刻坝田与主槽的水沙交换系数均在0.01～0.04之间;随着丁坝间距的增加，主槽的平均流速逐渐减小。整体呈现为随着丁坝间距的增加，主槽的平均冲刷深度逐渐减小。

4防治措施

对于丁坝局部冲刷问题的防护措施，目前主要集中于丁坝坝头、丁坝护底及对丁坝迎水坡面的防护。对于迎水坡面的此外，苏伟等考虑了淹没式丁坝的背水坡的冲刷，并提出了用混凝土铰链的压载防护结构。

在设计阶段合理地根据水流速度和水深设计丁坝形式，挑角、坝高、坝长等因素是十分重要的。在实际水利工程建设中，常见的丁坝形式包括沉梢排丁坝、 土心丁坝、土石丁坝和抛石丁坝，现有水利工程中，部分丁坝的坝基已设计为浆砌块石结构，其稳定性更高，耐水流冲刷能力更强。在坝体材料的选择上，目前常见的坝体材料主要抛石坝、混凝土连续墙坝、土工织物结构坝等。

此外，在丁坝附近增加防护平台，增建整流桩等方式也同样适用。

在工程中常用的加固方式有抛石防护和软体排防护。抛石防护是丁坝工程中普遍采用的防冲形式，由于其便利性、低成本性且在高度变化的流动条件用性而广泛应用于工程实践。软体排是利用土工织物缝接成一定尺寸的排布，并加上压载体而形成的一种防冲结构，其排体自身结构相对牢固，具有抗拉强度高，连续性、整体性、反滤性好，适应变形能力强等优点。研究可知，丁坝工程附近的冲刷深度随着软体排面积的增加而降低，因此，在护岸、护底和丁坝防冲刷等工作中，软体排防护效果显著。软体排结构形式及沉排工艺在水深和水流流速均不大的情况下能保证工程质量达到设计要求，但在水深和流速较大时则比较困难，易发生滑排、浮排及撕排等现象。

参考文献

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[3]李苏. 透水丁坝对弯道水流特性影响的三维数值模拟研究[D].西安理工大学,2021.DOI:10.27398/d.cnki.gxalu.2021.000231.