**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

李娅

重庆交通大学 重庆市  400074

摘要：丁坝是一种典型的河道整治建筑物，丁坝冲刷与防护的研究在实际工程中很重要，关系丁坝的安全和稳定。本文系统的回顾了国内外丁坝工程冲刷与防护的研究进展，重点从机理和防护措施方面进行总结并分析了国内外丁坝冲刷的理论研究动态及存在的不足，并提出大致的研究思路以为后续的丁坝冲刷与防护相关问题的研究提供建议。

关键词：丁坝；冲刷机理；防护措施； 研究现状

1概述

丁坝是航道整治工程中最常用的水工建筑物，常常建设在溪流或河道的横截断面之上，具有稳定河道河势、保护堤防和控制主流等作用。

冲刷是河流中一种自然过程，为水流冲蚀作用的结果。在洪水期和凌汛期丁坝冲刷破坏严重。水工建筑物周围的冲刷通常分为两类: 一般冲刷和局部冲刷，而造成丁坝水毁的主要原因是局部冲刷。丁坝的修建会阻碍河流的行进，从而丁坝坝头的局部水流流速会增强，上游水面壅高，水面比降增大，河床受水流冲蚀产生冲刷坑。当冲刷深度过大时，最后基础淘空，建筑物的坍塌。

目前，丁坝冲刷的研究在工程应用中主要以物理试验估算冲刷坑形态和冲刷深度经验公式等方面的研究为主，利用数值模拟冲刷坑虽然取得了一些研究成果，但在工程运用上仍存在一定的局限性。本文从冲刷机理和防冲措施方面对丁坝冲刷的国内外研究现状进行归纳总结，分析现有研究存在的不足。

2冲刷机理

通过对丁坝坝头床沙起冲流速进行试验研究，在分析并观察丁坝附近水流结构的基础上，研究了泥沙中值粒径、丁坝挑角、坝长与冲刷之间的关系；将丁坝的几何因素、水流条件、水流和泥沙性质作为影响丁坝冲刷深度的主要因素，并用因次分析法、最小二乘法确定了冲刷坑深度的表达形式； Masoud GHODSIAN等采用声学多普勒测速仪对冲刷坑内的三维流场进行了测量。研究了弗劳德数和丁坝长度对于冲刷量的影响；通过丁坝模型试验对沙质河床下丁坝的局部冲刷进行研究，提高了工程应用的广度，以阿尔图宁公式为基础，利用试验数据得出丁坝群冲深计算的修正公式；Mohammad Vaghefi等研究了90°弯道处丁坝长度及其在弯道处位置、弯道半径、水流强度等参数对丁坝周围冲刷的影响；Li Xia等探究了冲刷深度与流速、水深、水流挑角和泥沙粒径等因素的关系，建立了最大冲深预测的经验公式。通过清水冲刷试验研究丁坝冲刷坑的演变及冲刷平衡时的边坡的斜率，并考虑其随时间的演变规律，从而确定冲刷坑的三维特征。

新的丁坝结构型式在丁坝设计中逐渐被应用并在减轻丁坝局部冲刷上取得了不错的效果。通过水槽动床试验对透水丁坝冲刷特性及冲刷过程进行分析并深入研究了透水率对丁坝最大冲深的影响；对桩式丁坝的局部冲刷深度进行研究，分析不同的丁坝挑角和透水率对冲刷深度的影响，通过量纲分析得出桩式丁坝最大冲深计算公式；通过动床试验对水力插板透水丁坝局部冲刷进行研究，分析各丁坝群在局部冲刷上的差异性产生的机理。丁坝在结构型式上的改进提高稳定性，减轻局部冲刷。

3防冲措施

洪水冲刷是丁坝水毁的主要原因，适当的防护措施可减轻洪水绕流冲刷的影响，提高丁坝的防护安全。根据对国内外工程实践应用的总结，本文将丁坝防冲安全措施分为主动防护和被动防护两类。

3.1主动防护

主动防护是指改善坝头局部水流结构，破坏或减弱下潜水流与涡流对丁坝基础冲刷的措施。常用的主动防护措施有增加保护性的丁坝、增加基础平台、整流桩等，可以有效削弱围绕主丁坝的水流湍流，降低冲刷的强度。

（1）保护性丁坝

丁坝群中最大冲刷深度一般发生在第一丁坝上游附近。实际工程中有时选择修建保护性丁坝，其可以降低局部冲刷的影响。保护性丁坝（一段短的低坝），位于第一丁坝的上游，沿丁坝的坝身方向进行修筑。它最大限度的限制主坝附近的河底漩涡作用，减轻不利洪水对基础的强冲刷和淘蚀，且它本身不会影响河道行洪。保护性丁坝可以保证丁坝群的安全运行。

（2）基础平台防护

为保护丁坝的基础安全，大多数河流的丁坝修建过程中会应用基础平台防护。它可以加固丁坝基础，提高丁坝基础的抗冲性；而且它可以破坏不利水流对基础的直接冲刷，削减水流能量。

3.2被动防护

被动保护是指通过不同方法加固河床或增加抗冲性以使丁坝附近河床免受冲刷的措施，工程中常用的有抛石、软体排防护等被动防护。被动防护可以在冲刷区域形成保护层，在汛期能承受较高的来流剪切应力，避免保护层下面的床沙被冲掉形成冲刷坑。

（1）抛石防护

  抛石防护是丁坝工程中普遍采用的防冲形式，具有便利性、低成本性和在高度变化的流动条件下具有较好的适用性。当汛期大流量洪水来临时，四脚体等防汛物料投入丁坝附近的水下，可迅速增强丁坝抗冲能力，避免坝头坍塌等事故的发生。

（2）软体排

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。

4总结与展望

近几十年来，丁坝冲刷问题有许多研究并取得丰富成果，为丁坝冲刷研究与防治提供了有效的技术支撑。本文总结了丁坝冲刷与防护研究的相关成果，结果如下：（1）国内外已做了大量的丁坝冲刷物理模型试验，已深入分析了丁坝冲刷的物理过程、系统研究了水流、泥沙、丁坝等不同因素对冲刷深度的影响并根据试验结果提出了一系列的冲刷深度经验公式。（2）丁坝冲刷防护是保证丁坝安全运行的重要措施，针对不同工程水力条件采取适当的防护措施的研究已基本成熟，但防冲措施时效性的研究与基于风险评价的丁坝安全性研究还有待进一步加强。

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