桩柱式双丁坝局部水流结构及冲淤规律的试验研究

王燕燕，刘焕芳，王振

（石河子大学水利建筑工程学院，石河子 832003）

桩式透水丁坝是一种新型结构的河道及航道整治建筑物 ，其坝体为透水结构，对水流有导有透，因其阻水范围较小，一般受到较小的水力荷载，自身能够在河流及潮水冲刷作用下维持稳定［1］。目前桩式透水丁坝的应用范围很广，遍布全国各大流域河道治理以及主要航道和河口治理工程，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等均应用了这种新型结构［2－3］，国外荷兰在莱茵河和Jamuna河（孟加拉国）进行了创新实践，积累了一定经验［4］。

本文针对桩式丁坝群中受水流影响最大的前2座丁坝分别进行定床和动床模型试验，分析了冲刷稳定后不同透水率及组合对坝群周围的水流结构和河床形态影响的规律。

1 试验概况

定床试验后，开展清水冲刷试验，采用的矩形水槽长10m、宽1.0m、深0.5m，坡度为1／5000，流量15L／s，均匀来流的Fr为0.31；模型河床床面均匀铺设10cm厚度的河沙，河沙干密度为2.63kg／L，中值粒径为0.5m。

试验布置如图1所示，其中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，第1座丁坝的透水率选为0%、20%、25%、30%、40%，以了解不同工况下透水丁坝局部水流结构及冲淤效果变化的规律。间距采用15、22.5、30、37.5、45、60cm，共6组。

试验时，根据水流状况设定测量断面，每个断面布设5～11根垂线，在丁坝附近布设断面较密，以达到反映丁坝附近水流状态的目的 ，垂线平均流速采用三点法测量，所取测流速延时为10s，每点测量3次，以3次平均值作为该点的流速值。冲刷7h后开始观测水流结构，完毕后停水，迅速放干水槽中的水流，对河床形态开始测量。

图1 试验布置图Fig.1 Layout

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

2 透水率对双丁坝附近纵向流速的影响

丁坝作用河床后，出现分离、回流、弯曲剪切等复杂的流动，从瞬时来看，脉动较大，水流紊动强烈，但在时均意义上，丁坝附近的水流仍可视为各向同性的紊流，除局部横向水流流速作用为主外，纵向流速在流场中起主要作用［5］。下面着重分析不同透水率及组合对双丁坝附近纵向流速的影响规律。

2.1 纵向流速沿横向变化规律

图2是间距30cm、坝长18cm不同透水率各横断面的流速分布图。

由图2可以看出：

1）第1座丁坝对水流的影响与单丁坝相似，在靠近第1座丁坝的坝前5cm处，丁坝侧水流流速已经受到丁坝的影响而减小，这是因为受丁坝的阻挡，坝前水位开始壅高，在来流流量保持不变时，过水断面面积增大，流速减小。

2）第1座丁坝坝后流速变化极为不规则，如透水率25%时，过坝水流由坝前的20.4cm／s减至坝后的13.7cm／s，类似圆柱绕流和拦污栅水流，这部分水流过坝时将坝间泥沙卷起带走，将部分机械能传递给泥沙，同时由于丁坝前后的水位差，一部分动能转换为势能，而水流与丁坝桩柱之间的摩擦又损失了一部分能量，总体上过坝水流产生了较大的局部水头损失。坝后50cm以后为流速恢复段，但由于丁坝的挑流作用，整个河流的主流区开始向丁坝对岸侧移动。研究［1］表明，直道型河流采用丁坝做为整治建筑物时，对整治线的控导必须综合考虑，采用对口丁坝或错口丁坝的形式保护对岸岸堤。

3）丁坝对水流的影响范围非常广，坝后200cm断面（13倍坝长）丁坝侧流速仍然未能恢复到无坝状态，往往需要几十倍坝长甚至百倍坝长以上水流才能恢复到正常水流状态。

图2 不同透水率横断面流速分布图 （间距30cm，坝长18cm）Fig.2 Velocity cross－sectional profile of different permeability rates（spacing 30cm，dam length 18cm）

2.2 纵向流速沿程变化规律

流速沿程变化最明显的是丁坝掩护一侧，在丁坝断面之前，流速为河道内水流自然状况，而放置丁坝之后，流速急剧减小。

图3是间距30cm、坝长18cm不同透水率条件下纵向流速的沿程分布图。

由图3可以看出：透水率对水流的影响主要在靠丁坝侧河岸。从图3a可以看出：在坝后保护区范围内，透水率为30%时，流速较小，最利于坝后泥沙淤积。从图3c、d可以看出：主流区流速在30%时也小于其他透水率条件，说明透水率为30%时，丁坝对主河道整体影响最小。

图3 不同透水率条件下流速纵断面图（间距30cm，坝长18cm）Fig.3 Velocity vertical sectional profile of different permeability rates（spacing 30cm，dam length 18cm）

3 透水率对冲淤稳定后河床形态的影响

如上分析，桩式透水丁坝放入河道中后，丁坝附近的流速场已进行了重新分布［6］。当行近水流遇丁坝受阻后，绝大部分水流被迫沿坝体流向坝头形成绕坝水流，对坝体迎水面产生横向冲刷，而另一部分穿过桩柱间的空隙流向坝后，这一过程中水流先受桩柱挤压，过水断面缩小流速增大，对桩柱基础进行冲刷，穿过桩柱间隙后水流突然扩散流速减小，流入坝后保护区，同时水流携带的泥沙在坝后沉降，形成坝后淤积体［7－9］。绕坝水流在通过桩式透水丁坝坝头纵向轴线后，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4a所示。

双丁坝与单个桩式透水丁坝的冲淤效果有很大差异，如图4b所示［10］。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。

3.1 透水率对双丁坝冲淤效果的影响

透水率的改变，对桩式透水丁坝的导流落淤效果有较大影响［11］。

本研究不同透水率下双丁坝冲淤效果图如图5所示。

由图5可知：透水率小，桩柱间空隙变窄，透过坝体的流量减小，大部分流量绕过坝头，丁坝的导流作用明显，而且有利于坝后泥沙沉降。当透水率为20%时，第1座丁坝坝头的冲刷槽与第2座丁坝坝头往后的冲刷槽连成一体，并随着透水率的增大，这种作用减弱。这说明透水率过大时，河道不能形成有效的整治控制线，而且较大的透水率不利于坝后泥沙沉降，保护区的长度宽度都有所减小，但过小的透水率又会加剧丁坝坝根的冲刷，威胁丁坝自身的安全。因此，选择合适的透水率是桩式丁坝工程设计的关键，通过物理试验看出，在透水率20%时，冲刷槽相对最大深度为0.635，透水率30%时，冲刷槽相对最大深度为0.403，比较各透水率情况下流速、坝头冲刷、坝后淤积以及坝后保护区范围可得出30%透水率效果最佳。

图4 桩式透水丁坝作用后河床冲淤形态Fig.4 Riverbed scouring and depositing patterns from pile permeable spur

图5 不同透水率下双丁坝冲淤效果图（坝长15cm，间距30cm）Fig.5 Scouring and depositing effect of double spurs in different permeability rates（dam length 15cm，spacing 30cm）

3.2 透水率对坝头冲刷深度的影响

在桩式透水丁坝的设计中，一个重要的考虑就是丁坝坝头的最大冲刷深度［8］。透水丁坝结构的基础须置于预测的最大冲刷深度之下，以防止结构体失稳破坏。透水率是影响丁坝冲刷的一个很重要因素。

不同透水率下丁坝坝轴的断面高程图见图6。

图6 不同透水率下丁坝坝轴断面高程图（坝长15cm，间距30cm）Fig.6 Dam axis section elevation map of the spur in different permeability rates（dam length 15cm，spacing 30cm）

从图6可以看出：

1）2座丁坝的坝体冲刷深度均从坝根（与河岸接触部分）到坝头逐渐加深，至坝头附近达到最大冲刷深度。因此，在设计桩柱埋深时，可以从岸边到河中逐渐加深，从而减少桩材用料 。

2）本文试验条件是保持第2座丁坝透水率为20%不变，在改变第1座丁坝透水率的条件下，对2座丁坝均有影响，不过，第1座丁坝的冲刷深度远大于第2座丁坝，都有随透水率的增大冲深减小的趋势。

3）第1座丁坝坝轴断面的冲刷只发生在丁坝附近，对于远离丁坝的主河道内，河床面高程几乎没有变化，为未修丁坝时床面高程，因此，在确定丁坝整治线时，应将丁坝放置位置超前于整治控制点，这样才能对保护区域进行有效控制。

4）第2座丁坝整个坝轴断面均发生冲刷，主河道河床泥沙普遍扬动，削弱了床面高程。

4 结论

1）双丁坝条件下第1座桩式透水丁坝与单个丁坝的水流结构相似，二者的区别主要在于：单丁坝坝后主流经历先收缩后扩散的过程，而双丁坝在这一过程中受到第2座丁坝的作用，使得水流结构重新分布，经过第2座丁坝坝轴断面后的水流再次与单丁坝相似。双丁坝更好的起到了对水流的控导作用。

2）双丁坝中第2座丁坝的加入，会改变第1座丁坝形成的保护区形态，主要表现为第2座丁坝坝根的横向冲槽、坝头冲刷深度和坝后淤积体，第2座丁坝的这些特征发生程度上均弱于第1座丁坝。

3）第1座丁坝坝头的冲刷与单个桩式透水丁坝相似，坝头单宽流量增大，绕坝水流产生的下潜水流和马蹄形漩涡体系的综合作用促使坝头冲刷坑的形成。

4）随着透水率的增大，2座丁坝的坝头最大冲刷深度均减小，同时两坝间的淤积作用也减弱，不利于护岸促淤；透水率较小时，坝根的横向冲槽深度增加，不利于桩柱自身稳定。因此，结合水流结构分析，本文推荐的透水率为30%。

［1］应强，焦志斌.丁坝水力学［M］.北京：海洋出版社，2004：24－28.

［2］李玉建.塔里木河干流泥沙治理途径及井柱桩透水丁坝研究［D］.乌鲁木齐：新疆农业大学，2008：54－58.

［3］韩玉芳，陈志昌.丁坝群在调整宽浅河床地形中的作用［J］.水利水运工程学报，2004，6（2）：23－28.

［4］曹永涛.荷兰的透水丁坝设计经验［EB／OL］.wenku／baidu／com／view3a252a09581b6bd97519ead5.html.2010－10－31

［5］温雷.丁坝挑角对水流影响的试验研究［D］.南京：河海大学，1986：22－53.

［6］何春光，刘焕芳，周银军，等.透水丁坝冲刷特性的试验研究［J］.水运工程，2007，12（12）：94－96.

［7］周银军，刘焕芳，何春光，等.透水丁坝局部冲淤规律的试验研究［J］.水利水运工程学报，2008，3（1）：57－60.

［8］高先刚，刘焕芳，何春光，等.透水丁坝收缩断面与冲深计算［J］.人民长江，2009，40（17）：64－65.

［9］高先刚，刘焕芳，华根福.桩式透水丁坝冲淤特性研究［J］.中国农村水利水电，2010（10）：81－84.

［10］高先刚，刘焕芳，华根福，等.双丁坝合理间距的试验研究［J］.石河子大学学报：自然科学版，2010，28（5）：614－617.

［11］李远发，田志宗，宋莉萱.透水桩坝导流落淤效果研究［J］.人民黄河，2008，30（1）：8－12.