基于减小坝头局部冲刷的非淹没式水力插板透水丁坝群优化试验

张 凯，侍克斌，李玉建

（新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐830052）

基于减小坝头局部冲刷的非淹没式水力插板透水丁坝群优化试验

张 凯，侍克斌，李玉建

（新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐830052）

为了寻找水力插板透水丁坝群减小坝头局部冲刷的最佳设计参数和布置方案。文章在双丁坝布置的情况下，通过改变第二、三个丁坝的间距，第三个丁坝的挑角、透水率、长度进行单因素试验，得出各单因素与第三个丁坝坝头冲刷坑深度的回归方程。再从每组单因素试验结果中选择最佳试验水平，利用L9（34）正交试验设计表设计4因素3水平的正交试验。正交试验结果表明：4个单因素对第三个丁坝坝头冲刷坑深度的影响为：丁坝长度＞丁坝间距＞丁坝透水率＞丁坝挑角。水力插板透水丁坝群减小坝头局部冲刷的最佳设计参数和布置方案：第一个丁坝长度，第二个丁坝长度，第三个丁坝长度与河宽的比值分别为0.25、0.21、0.21；第一个、第二个丁坝透水率为30%，第三个丁坝透水率为20%；第一、二个丁坝间距与第一个丁坝长度的比值为3，第二、三个丁坝间距与第二个丁坝长度的比值为2；第一个、第二个和第三个丁坝挑角为60°。

水力插板透水丁坝；丁坝群；坝头冲刷；丁坝间距；挑角；透水率；丁坝长度；正交试验

水力插板技术诞生于1992年，是一个具有多种工程技术优势的一门全新技术［1］。由于水力插板技术具有预置化程度高，工程造价低，施工周期短等优点。经过20多年的发展，水力插板技术在桥梁基础工程［2］、河道整治工程［3］、海港工程等多种工程技术领域中广泛应用［4］。有学者将透水丁坝与水力插板技术相结合，提出水力插板透水丁坝新型水工建筑物，水力插板透水丁坝整体轮廓见图1。并对水力插板透水丁坝进行数值模拟和动床模型试验，发现水力插板透水丁坝缓流促淤和防护堤岸的效果比其他类型丁坝显著［5-6］。任何类型丁坝都无法避免局部冲刷和沿程冲刷，而坝头局部冲刷严重威胁丁坝的稳定性和安全性［7］。有学者通过研究提出合理的单丁坝及双丁坝设计参数和布置方案［8-12］。而实际工程中往往是由丁坝群产生的累积效应来充分发挥丁坝的作用［13］。所谓累积效应是指由河流中多个水工建筑物共同作用影响下的连锁反应产生的叠加效应，表现为河流中多个水工建筑物的共同影响下时间、空间、多元耦合等方面累积起来的差异性或非线性变化［14］。因此，合理的布置和设计丁坝群对于其累积效应作用的发挥至关重要，还没有学者进行深入的研究。笔者在已有的研究基础上，通过单因素试验，正交试验寻找减小局部冲刷的水力插板透水丁坝群最佳设计参数和布置方案，为实际工程中水力插板透水丁坝的应用提供参考。

图1 水力插板透水丁坝整体轮廓Fig.1 Hydraulic flashboard permeable spur dike outline

1 单因素试验

1.1 试验总概况

模型试验是在长10 m，宽1.2 m，高0.4 m，底坡i=1/4 000的砖砌式混凝土水槽中进行。水槽进水口设置有消能栏栅进行消能，在离进水口6 m处放置丁坝群进行试验。试验的平面布置图见图2，丁坝所在水槽横断面布置见图3。每次试验流量均为16.03 L/s，所用模型沙为均匀河沙，粒径范围为0.3～0.6 mm。为了更好的反映冲刷特性，采用清水进行试验。Garde［15］通过试验研究表明经过3～5 h，丁坝坝头的局部冲刷趋于稳定且坝头冲刷坑深度达到最大值，结合自身试验条件保证在试验冲刷效果明显的前提下，放水时间定为3 h。

1.2 单因素试验分组设计

如表1所示，参考资料［10-12］，在双丁坝布置的情况下（第一个丁坝长度与河宽的比值为0.25，第二个丁坝长度与河宽的比值为0.21，第一、二个丁坝透水率30%，第一、二个丁坝挑角60°，第一、二个丁坝间距与第一个丁坝长度的比值为3）。分别改变第二、三个丁坝的间距，第三个丁坝的挑角、透水率、长度进行4组单因素试验。每组单因素试验在其他试验参数不变的前提下，依次改变所研究的试验参数进行若干次试验，每次试验用测针测量第三个丁坝坝头冲刷坑深度。每次试验结束后，坝头冲刷坑填平，河床恢复平整。

图2 试验平面布置图（单位：mm）Fig.2 Plan layout of test

图3 水力插板所在水槽横断面布置图（单位：mm）Fig.3 Cross section layout of hydraulic flashboard permeable spur dike

2 单因素试验结果与分析

2.1 丁坝间距对于坝头冲刷坑深度的影响

由图4可见，第三个丁坝坝头冲刷坑深度与丁坝间距的回归方程为：Y=0.001 2 x2-0.116 4x+5.984 6，相关性R2=0.943 2。

2.2 丁坝挑角对于坝头冲刷坑深度的影响

由图5可见，第三个丁坝坝头冲刷坑深度与丁坝挑角的回归方程为Y=-0.000 5 x2+0.088 1 x+ 0.643 8，相关性R2=0.871 4。

2.3 丁坝透水率对于坝头冲刷坑深度的影响

由图6可见，第3个丁坝坝头冲刷坑深度与丁坝透水率的回归方程为：Y=0.000 4 x2-0.060 4 x+4.546 3，相关性R2=0.928 7。

表1 单因素试验分组设计Tab.1 Single factor test grouping design

图4 坝头冲刷坑深度与丁坝间距的关系Fig.4 Relationship between scour depth and spur dike spacing

图5 坝头冲刷坑深度与丁坝挑角的关系Fig.5 Relationship between scour depth and layout angle

2.4 丁坝长度对于坝头冲刷坑深度的影响

由图7可见，第3个丁坝坝头冲刷坑深度与丁坝长度的回归方程：Y=1.628 8e0.028 8x，相关性R2=0.943 9。

图6 坝头冲刷坑深度与丁坝透水率的关系Fig.6 Relationship between scour depth and permeable rate

图7 坝头冲刷坑深度与丁坝长度的关系Fig.7 Relationship between scour depth and spur dike length

3 正交试验

3.1 正交试验表的选择

根据单因素试验的结果，选取各因素中最佳试验水平设计正交试验。试验选择L9（34）正交表，即丁坝间距、丁坝挑角、丁坝透水率、丁坝长度4个因素。每个因素选取3个最佳试验水平进行正交试验。

3.2 最佳试验水平的选择

3.2.1 丁坝间距水平的选择

丁坝间距对于水力插板透水丁坝群的布置至关重要，合理的丁坝间距可以在充分发挥丁坝作用的前提下降低工程造价，有学者认为合理的丁坝间距为前一个丁坝长度的1.5～3倍［16］。因此选择第二、三个丁坝的间距为45 cm，50 cm，55 cm，分别为第二个丁坝长度的1.8倍，2倍，2.2倍。且图4中这三个点的关系符合用优选法从单因素试验中选择最佳试验水平的基本要求［17-19］，最终选择丁坝间距45 cm，50 cm，55 cm做为正交试验的三个水平。

3.2.2 丁坝挑角水平的选择

下挑布置丁坝和上挑布置丁坝对于主槽水流流线的改变和影响没有正挑布置丁坝大。关于采用上挑布置丁坝还是下挑布置丁坝的问题上，有学者提出丁坝布置应该采取下挑式，小挑角布置。下挑布置丁坝更加顺应水流的流动方向［8］，但挑角不应该过小。否则在相同坝长的情况下，挑角越小，丁坝的有效坝长越小，丁坝护岸的范围也就越小，护岸效果越不明显。选择丁坝挑角为45°，60°，75°，且图5中这三个点的关系符合用优选法从单因素试验中选择最佳试验水平的基本要求，最终选择丁坝挑角45°，60°，75°做为正交试验的三个水平。

3.2.3 丁坝透水率水平的选择

丁坝的透水率越小，丁坝对水的阻挡作用越明显，坝头水流的扰动作用更加强烈，坝头冲刷坑深度也会变大。丁坝透水率过大会减弱丁坝对堤岸的保护作用，缓流促淤的效果也不显著。有学者提出合理的丁坝透水率为20%～40%［9］，因此选择水力插板透水率分别为20%，30%，40%。且图6中这三个点的关系符合用优选法从单因素试验中选择最佳试验水平的基本要求，最终选择水力插板透水率20%，30%，40%做为正交试验的三个水平。

3.2.4 丁坝长度水平的选择

有学者认为丁坝在垂直于水流方向的投影长度与河宽之比大于0.33是长丁坝，小于0.33是短丁坝［20］。长丁坝的作用除了护岸之外，主要的作用在于挑流，改变主槽水流的方向。短丁坝对于主槽水流方向的改变没有长丁坝显著，主要是改变局部水流方向，短丁坝的护岸效果也比长丁坝好。结合其满水库河道的实际情况和防护目的，决定选用短丁坝进行研究。选择长度为20 cm，25 cm，30 cm的水力插板，水力插板在垂直于水流方向的投影长度与水槽长度之比分别为0.17，0.21，0.25。且图7中这三个点的关系符合用优选法从单因素试验中选择最佳试验水平的基本要求，最终选择水力插板长度20 cm，25 cm，30 cm做为正交试验的三个水平。

3.3 正交试验因素水平表概况

正交试验因素水平如表2所示。

3.4 正交试验结果及分析

3.4.1 正交试验设计及结果

由表3可以看出，极差D＞极差A＞极差C＞极差B，4个因素对水力插板透水丁坝坝头冲刷坑深度的影响为：丁坝长度（D）＞丁坝间距（A）＞丁坝透水率（C）＞丁坝挑角（B）。4个影响因素中，丁坝长度对于坝头冲刷坑深度的影响最为明显。

3.4.2 验证试验

按方案为A2B2C1D2进行3次平行试验，第三个丁坝坝头冲刷坑深度的平均值为1.9 cm，均低于表3中每一项的试验结果，所以水力插板透水丁坝群减小坝头局部冲刷的最佳设计参数和布置方案是为A2B2C1D2，即第一个丁坝长度，第二个丁坝长度，第三个丁坝长度与河宽的比值分别为0.25、0.21、0.21；第一个、第二个丁坝透水率为30%，第三个丁坝透水率为20%；第一、二个丁坝间距与第一个丁坝长度的比值为3，第二、三个丁坝间距与第二个丁坝长度的比值为2；第一个、第二个和第三个丁坝挑角为60°。

表2 坝头冲刷坑深度L9（34）正交试验因素水平表Tab.2 Orthogonal experiment factor level of scour depth of spur dike

表3 坝头冲刷坑深度L9（34）正交试验设计及结果Tab.3 Orthogonal experiment design and result of scour depth of spur dike

4 结论

（1）得出了第三个丁坝坝头冲刷坑深度与丁坝间距、丁坝挑角、丁坝透水率、丁坝长度的回归方程。（2）4个因素对第三个丁坝坝头冲刷坑深度的影响为：丁坝长度（D）＞丁坝间距（A）＞丁坝透水率（C）＞丁坝挑角（B）。（3）水力插板透水丁坝群减小坝头局部冲刷的最佳设计参数和布置方案：第一个丁坝长度，第二个丁坝长度，第三个丁坝长度与河宽的比值分别为0.25、0.21、0.21；第一个、第二个丁坝透水率为30%，第三个丁坝透水率为20%；第一、二个丁坝间距与第一个丁坝长度的比值为3，第二、三个丁坝间距与第二个丁坝长度的比值为2；第一个、第二个和第三个丁坝挑角为60°。

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Optimization test of hydraulic flashboard permeable spur dike group based on reducing jetty head scour depth

ZHANG Kai，SHI Ke⁃bin，LI Yu⁃jian
（College of Civil and Hydraulic Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China）

In order to explore the optimal design parameter and layout scheme of hydraulic flashboard perme⁃able spur dike group,the single factor experiment was carried out on the basis of the changes of the layout angle,permeable rate of hydraulic flashboard and spur dike length of the third spur dike and the variation of space be⁃tween the second and the third spur dike.The regression equation between single factor and the scour depth of the third jetty head was concluded.The best test level in each group of single factor test result was chosen,and the L9（34）orthogonal experiment design table was used to design the orthogonal experiment of 4 factors and 3 levels.The results of orthogonal experiment show that the influences of 4 factors on the third jetty head scour depth are in the order of the spur dike length＞spur dike spacing＞the permeable rate of spur dike＞layout angle.In order to reduce the jetty head flush,the optimal design parameter and layout scheme of hydraulic flashboard permeable spur dike group could be listed as follows:the ratio of the first spur dike length,the second spur dike length and the third spur dike length to river width is 0.25,0.21 and 0.21 respectively.Both the first and the second spur dike permeable rates are 30%,while the third spur dike permeable rate is 20%.The ratio of the spacing between the first spur dike and the second spur dike to the length of the first spur dike is 3,and the ratio of the spacing between the second spur dike and the third spur dike to the length of the second spur dike is 2.The layout angle of the first,the second and the third spur dike is 60°.

hydraulic flashboard permeable spur dike;spur dike group;local scour of jetty head;spur dike spacing;layout angle;permeable rate;spur dike length;orthogonal test

TV 83

A

1005-8443（2016）06-0599-05

2016-07-11；

：2016-10-10

国家自然科学基金项目（51469032）；新疆水利水电工程重点学科基金资助项目（xjzdxk-2010-02-12）；新疆高校科研计划项目（XJEDU2013I12）

张凯（1990-），男，新疆乌鲁木齐人，硕士研究生，主要从事水利水电工程研究。

Biography：ZHANG Kai（1990-），male，master student.