护底余排作用下潜坝下游局部冲刷深度计算研究

付中敏，李雨晨

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.长江航道规划设计研究院，武汉430011）

护底余排作用下潜坝下游局部冲刷深度计算研究

付中敏1,2，李雨晨1

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.长江航道规划设计研究院，武汉430011）

潜坝下游冲刷主要由于越堤水流在堤后形成强紊动涡旋水流，并淘刷床面引起。冲刷坑最大深度与坝高、水深以及护底余排宽密切相关。根据水槽试验结果，分析了不同影响因素下潜坝下游的冲刷变化，并提出了考虑护底余排作用下的潜坝坝身下游最大冲刷深度计算式。结合长江下游黑沙洲水道航道整治工程中护底余排作用下潜坝的实际冲刷深度资料，对文章研究中提出的冲刷深度计算式进行了验证。验证结果表明：在考虑余排宽度的条件下，按照该公式计算得到的局部冲刷深度与实测值基本一致。

潜坝；护底；冲刷；航道整治

航道整治建筑物主要有丁坝、顺坝、锁坝、鱼嘴、护岸和护滩等［1-2］，它们能够起到稳定航槽；刷深浅滩，增加航道水深，拓宽航道宽度，增大弯曲半径；降低急流滩的流速；改善险滩的流态等作用。长江南京以下12.5m深水航道一期工程以“固滩稳槽”为主要目的，工程以潜堤和齿坝为主体建筑物，采用堤身砂肋软体排加混凝土联锁块余排组成的混合软体排护底结构，其护底结构对主体建筑物的稳定与安全十分重要。该护底结构在长江中下游航道整治工程中的应用也越来越广泛，护底范围的确定主要取决于冲刷坑的深度，目前，冲刷坑的深度一般通过经验公式、模型试验和以往工程经验数据确定［3］。虽然计算堤坝下游冲深深度的经验公式较多，但很少考虑护底结构对冲刷坑的影响。事实上，堤坝最大冲刷深度不仅与坝体尺度、水流条件、河床组成等有关［4-8］，还与堤坝护底余排的宽度相关。不同宽度的护底余排使堤坝下游水流的紊动强度产生差异，同时也使冲刷坑与堤坝的相对位置、冲刷坑附近水流条件及冲刷坑范围和深度均发生了不同程度的变化。因此，本文开展水槽试验，分析不同影响因素下潜坝下游的冲刷变化，建立考虑护底余排作用下的潜坝下游最大冲刷深度计算式，并应用于长江下游黑沙洲水道航道整治工程中护底余排作用下潜坝下游的冲刷深度计算。

1 试验条件

为了在室内水槽试验中合理模拟潜坝附近水流结构、床面冲刷及建筑物稳定性的影响，选择长江通州沙过渡段作为潜坝试验的典型区域，如图1所示，试验选取的几何比尺为60。根据研究问题的需要，试验水槽宽度不应过小，宽度过小时水流受水槽两侧边壁影响，不利于建筑物附近局部冲刷坑的自由发展，根据试验室动力条件及以往经验，水槽宽度选定4m，长×宽为55.5m×4m的矩形水槽，槽底坡度为1‰，中部24m段为动床段，深度20 cm，沿程设置6把自动水位仪观测水位变化。模型采用水流自循环系统，水槽的进口流量过程由矩形量水堰控制，并设格墙以调整平顺水流，出口为翻板调节水位。

试验考虑了坝身尺度（坝高、边坡）、水流条件（水深、流速）以及余排宽度等因素，其中坝身高取6.8m，边坡取1∶2，坝身所在床面水深取9～14m，水流流速以坝顶平均流速进行控制，分别取2.5～4.0m/s，坝身下游余排宽度取0～150m。

2 潜坝下游局部冲深的单因素分析

潜坝坝身护底下游冲刷主要与余排宽度、水流条件、紊动强度以及河床组成等有关，其中水流条件包括水深、流速，紊动强度主要由建筑物尺度决定，包括坝高、边坡、余排宽等，以下主要分析余排宽度、坝身尺度以及水流条件对越堤涡流引起冲刷的影响。试验组次如表1所示，共进行12组试验，试验考虑清水冲刷，冲刷时间以建筑物附近床面冲刷变形基本不变为依据，一般进行4 h左右。

（1）护底余排宽度对下游冲刷的影响。图2为不同余排宽度条件下坝身下游实测冲刷坑形态，可以看出，冲刷坑紧贴余排末端，余排防护时，冲刷坑位置随着余排宽度的增大而逐渐推离坝轴线，同时冲刷深度减小，余排宽度15m时冲刷深度6.93m，余排宽度100m时，冲刷深度减小至2.61m，余排宽度150m时冲深进一步减至1.67m（图3）。无余排防护时（即余排宽度为0m），坝下游冲刷过程中，坝根逐渐失稳，块石滚落至冲刷坑内，对冲刷坑的发展起抑制作用，最大冲刷深度为6.4m，较余排宽度15m时的冲深小，但严重影响坝身稳定性。

（2）水流条件对坝身冲刷的影响。图4、图5分别为不同坝顶流速及冲刷前坝下水深时的冲刷坑形态，可见随着坝顶流速的加大，冲刷坑范围加大，最大冲刷深度增加，冲深位置有所下偏，试验中最大冲刷深度为9.85m；图5中，相同堤顶流速条件下，当水深较大时，堤身对上游来流阻挡程度相对减弱，堤身下游冲刷范围及深度加大。

（3）坝体尺度对坝身冲刷的影响。图6为相同水深、坝顶流速，不同坝高件下的冲刷坑变化，可以看出，坝身高度加大时，坝体对上游来流阻挡程度增强，坝下游流速降低，下游冲刷范围及深度均减小。

图1 通洲沙河段整治建筑物布置示意图Fig.1 Regulation building layout of Tongzhousha reach

表1 不同影响因素下潜坝下游冲刷试验组次Tab.1 Scouring test conditions

图2 不同余排宽度下丁坝坝身下游冲刷坑Fig.2 Local scouring depth around spur dike downstream under various bottom protection works width

图3 坝身下游冲刷深度随余排宽度变化Fig.3 Local scouring depth around spur dike downstream changes with different bottom protection works width

图4 不同坝顶流速下潜坝坝身下游冲刷坑Fig.4 Local scouring depth around spur dike downstream under different velocity conditions

图5 不同水深下潜坝坝身下游冲刷坑Fig.5 Local scouring depth around spur dike downstream under different water depth conditions

3 护底作用下潜坝下游局部冲刷计算方法

潜坝下游冲刷与锁坝下游的冲刷类似，均为强紊动的涡旋水流引起，文岑等［7］基于涡旋环量在冲刷前后相等的观点，推导得到锁坝下游的冲刷深度计算公式，公式结构形式如下

式中：hs为锁坝下游的最大冲刷深度；h为冲刷前锁坝下游水深；d为床沙中径；p为锁坝高度；γs、γ分别为泥沙、水的容重；Δh为锁坝上下游水位差；k、a为系数，可根据试验资料得到，作者根据水槽试验得到k= 0.424、a=0.35，该公式也是《航道整治工程技术规范（JTJ312-2003）》推荐的锁坝下游冲刷深度计算公式。

由于潜坝下游冲刷坑的形成机理和影响因素与锁坝较为相似，故潜坝下游局部冲刷的计算可借用公式（1）。公式（1）中仅需知道坝高p、水深h、床沙中径d、坝体上下游水位差Δh就可确定锁坝下游的最大冲刷深度，但式（1）未考虑坝下游护底对冲刷的影响。由前文中潜坝引起的床面冲刷试验可知，坝下软体排护底后，守护处床面得到保护，但排体边缘及下游未护床面仍将受涡流影响而冲刷，冲刷深度随软体排宽度的增大而减小，因而，潜坝下游局部冲刷的计算以式（1）为基础增加余排宽度项后为

式中：B为护底余排宽度；k、a、b为系数，需根据试验资料确定。

表2为潜坝冲刷试验结果，根据试验实测资料对无量纲参数hs/p、Δh/h、1+B/p进行回归分析，确定了各待定系数，a=0.42、b=-0.63、k=0.463，得到考虑护底条件下的潜坝下游冲刷深度计算公式

图6 不同坝身高度下潜坝坝身下游冲刷坑Fig.6 Local scouring depth around spur dike downstream under different spur dike height

表2 不同条件下潜坝冲刷试验条件及结果Tab.2 Scouring test conditions and the results

图7为式（3）的计算值与试验值的比较，二者相关性较好。

对于原型泥沙，(γs-γ)γ=1.65，则式（3）简化为

图7 相对冲刷深度hs/p与参数Δh/h、1+B/p关系Fig.7 Relationship between hs/p,Δh/h and 1+B/p

4 护底作用下潜坝下游局部冲刷深度公式验证

黑沙洲水道位于长江下游安徽省境内，河道平面形态为首尾窄、中间向左展宽的典型鹅头型分汊河道，江中的天然洲、黑沙洲将河道分成南、中、北三个水道，其中南水道为现行主航道，是长江下游重点碍航浅水道之一。黑沙洲水道航道整治工程中的坝体结构主要有黑沙洲南水道左槽内布置的四道潜坝，工程平面布置见图8，其中3#坝体结构参数为：坝体高度14m，坝上游余排宽度60m，坝下游余排宽度150m。该坝体结构在枯水期为非淹没，在中洪水期淹没，本次研究按洪水水位作为工程区域水深条件，计算条件为：潜坝高度15m，床沙中值粒径0.14mm，水深22m，坝体上下游水位差0.3m，余排宽度150m。根据前述研究成果确定的计算公式，计算局部冲刷坑深度10.06m，由公式（4）计算得到的3#潜坝下游冲刷坑深度与实际值9.3m较为接近，计算值略有偏大，主要由于工程区域依次布置了4道潜坝，下游潜坝的存在对上游潜坝下游冲刷有一定的抑制作用，可能导致冲刷坑较单潜坝时稍小。

图8 长江下游黑沙洲水道航道整治工程平面布置示意图Fig.8 Layout sketch of Heishazhou waterway regulation engineering

5 结论

潜坝下游的冲刷主要是由越堤水流在堤后形成强紊动涡旋水流，并淘刷床面引起，冲刷坑位置随余排宽度的增大而逐渐远离坝轴线，且冲刷深度减小。随着坝顶流速的加大，冲刷坑范围加大，最大冲刷深度增加，冲深位置有所下偏；相同坝顶流速条件下，水深越大，坝下冲刷范围及深度也越大。坝高加大时，下游冲刷范围及深度加大；坝体两侧边坡减缓时，坝下游冲刷范围及深度也减小。文中考虑余排宽度影响建立的潜坝下游最大冲刷深度计算公式，能较好反映潜坝下游最大的冲刷深度，可用于相关整治工程的分析计算。

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Calculationmethod of local scouring depth downstream of submerged dike under bottom protection works

FU Zhong⁃min1,2,LI Yu⁃chen1
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Changjiang Waterway Institute of Planning，Design&Research,Wuhan 430011,China）

The local scouring downstream of submerged dike ismainly caused by the turbulent over dike water flow.Themaximal local scouring depth is connected with dam height,slope gradient and bottom protection works width.A great number of flume experiments were developed in this paper.Based on the experiment result,the influ⁃ence factors of local scouring depth downstream of submerged dike were analyzed,and the formula for calculating the local scouring depth was proposed.Then the formula was verified through the observed data of local scouring depth downstream of submerged dike in Heishazhou waterway in Changjiang River.The verification indicates that the formula in this paper is reasonable.

submerged dike;bottom protection;scouring;waterway regulation project

TV 142；U 617

A

1005-8443（2015）03-0229-05

湛江市拟建湛江港亚士德航道

2014-12-05；

2015-02-12

付中敏（1977-），男，吉林省人，高级工程师，主要从事航道科研与设计工作。

Biography：FU Zhong⁃min（1977-）,male,senior engineer.

本刊从湛江市交通运输局获悉，经多年规划筹建，《湛江港亚士德航道工程可行性研究报告》已编制完成，该项目被列入2015年广东省重点项目建设计划。亚士德航道位于沙湾水道、宝满港区与东海岛港区西北侧之间，东接湛江港30万t级航道，西至湛江东北堵海大堤，推荐航道方案全长约10.16 km。其中主航道总长8.67 km，分为转弯段和直线段，航道直线段长6.55 km，转弯段长2.12 km。主航道近期主要考虑满足5万t级集装箱船通航要求，远期预留可扩建为10万t级航道。航道为单向航道，设计最低通航水位采用设计低水位0.31m。5万t级航道设计底高程-14.8m，设计航道宽度185m。疏浚工程量为7 644.65万方，工程为18个月。（殷缶，梅深）