水力插板透水丁坝坝头冲刷坑深度模型试验

张 凯,侍克斌,李玉建,吴福飞,王 欣,任 志

(新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052)



水力插板透水丁坝坝头冲刷坑深度模型试验

张 凯,侍克斌,李玉建,吴福飞,王 欣,任 志

(新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052)

为探索水力插板透水丁坝减小坝头冲刷坑深度的最佳设计参数和布置方案,通过改变流量、丁坝挑角、丁坝透水率、丁坝长度进行单因素影响试验,得出坝头冲刷坑深度与各单因素的回归方程。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。试验结果表明:4个单因素对水力插板透水丁坝坝头冲刷坑深度的影响从大到小依次为:丁坝透水率、流量、丁坝长度、丁坝挑角;在一定流量条件下,水力插板透水丁坝最佳布置方案的设计参数为丁坝透水率30%、丁坝长度30 cm、丁坝挑角60°。

水力插板;透水丁坝;冲刷坑深度;流量;挑角;透水率;正交试验

水力插板技术由胜利油田管理局何富荣等[1]于1992年提出,最先应用于滨海油田的堤防工程,效果十分显著。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[4]等多领域得到广泛应用。作为河道整治工程中的水工建筑物,透水丁坝有着悠久的历史,其中以井柱桩为代表的透水丁坝在我国应用广泛[5-8]。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这一新型水工建筑物。刘国起等[9]对水力插板透水丁坝周围水流进行数值模拟,发现水力插板透水丁坝防护堤岸效果显著。周庆庆等[10]通过动床模型试验对新疆粉细沙河流上的水力插板透水丁坝缓流促淤的效果进行研究,发现水力插板透水丁坝缓流促淤效果比井柱桩透水丁坝和实体丁坝显著。任何丁坝都无法避免局部冲刷和沿程冲刷,坝头局部冲刷严重威胁丁坝的稳定性和安全性[11],但还没有学者对水力插板透水丁坝坝头冲刷坑深度进行深入研究。笔者通过单因素控制变量法进行动床模型试验,探索流量、丁坝挑角、丁坝透水率、丁坝长度与坝头冲刷坑深度的关系;从单因素试验结果中选择最佳试验水平进行正交试验,寻找水力插板透水丁坝减小坝头冲刷坑深度的最佳布置方案的设计参数,以期为实际工程中水力插板透水丁坝的工程设计及应用提供参考。

1 单因素试验

1.1 试验概况

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处放置水力插板透水丁坝进行试验,水力插板整体轮廓见图1，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。

表1 单因素试验分组

图1 水力插板透水丁坝整体轮廓

图2 试验平面布置

图3 水力插板所在水槽横断面布置(单位：mm)

该河段的床沙粒径为0.050～0.086 mm[14]。综合考虑模型沙起动流速、沉速等因素,选用新疆新华天粉煤灰技术开发有限公司的中值粒径为0.06 mm的F类粗粉煤灰作为模型沙,并按厚度15 cm均匀平铺在水槽底部。为了更好地反映冲刷特性,采用清水进行试验。Garde等[15]的试验研究表明,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,因此,结合自身试验条件,在保证试验冲刷效果明显的前提下,设定放水时间为3 h。

1.2 试验分组

分别改变流量、丁坝挑角、丁坝透水率、丁坝长度进行4组单因素试验,单因素试验分组情况如表1所示。采用测针测量坝头冲刷坑的深度。每次试验结束后,填平坝头冲刷坑,恢复河床平整。

1.3 试验结果分析

1.3.1 流量对坝头冲刷坑深度的影响

坝头冲刷坑深度与流量的关系如图4所示,坝头冲刷坑深度Y与流量Q的回归方程为Y=0.015 36Q2+0.184 24Q+2.338,相关系数R2=0.933 18。

图4 坝头冲刷坑深度与流量的关系

1.3.2 丁坝挑角对坝头冲刷坑深度的影响

坝头冲刷坑深度与丁坝挑角的关系如图5所示,坝头冲刷坑深度与丁坝挑角θ的回归方程为Y=-0.000 67θ2+0.125 43θ+2.72,R2=0.846 01。

图5 坝头冲刷坑深度与丁坝挑角的关系

1.3.3 丁坝透水率对坝头冲刷坑深度的影响

坝头冲刷坑深度与丁坝透水率的关系如图6所示,坝头冲刷坑深度与丁坝透水率c的回归方程为Y=-0.077 67c+8.562,R2=0.949 88。

图6 坝头冲刷坑深度与丁坝透水率的关系

1.3.4 丁坝长度对坝头冲刷坑深度的影响

坝头冲刷坑深度与丁坝长度的关系如图7所示,坝头冲刷坑深度与丁坝长度l的回归方程为Y=0.097 67l+4.448,R2=0.915 10。

图7 坝头冲刷坑深度与丁坝长度的关系

2 正交试验

2.1 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,对结果进行极差分析,以确定最佳水力插板透水丁坝设计参数及布置方案。试验选择L9(34)正交表,即选择流量、丁坝挑角、丁坝透水率、丁坝长度 4个因素,每个因素选取3个水平。

2.2 最佳试验水平的选择

2.2.1 流量水平的选择

由图4可知,流量越大,坝头冲刷坑深度越大,越不利于水力插板透水丁坝的稳定,因此选择流量16.03 L/s、15.29 L/s和14.42 L/s作为流量的3个水平进行试验。由图4中这3个点的关系看,这样的选择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[16-18]。

2.2.2 丁坝挑角水平的选择

下挑布置丁坝和上挑布置丁坝对主槽水流流线的影响没有正挑布置丁坝大。陈效国等[19]提出丁坝布置应该采取下挑式、小挑角布置,这样能更加顺应水流的流动方向。但挑角不应该过小,因为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。图5中丁坝挑角为45°、60°、75°的3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,确定选择丁坝挑角45°、60°、75°作为正交试验的3个水平。

2.2.3 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就更加强烈,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。周银军等[20]提出井柱桩透水丁坝合理的透水率为20%～40%,因此选择丁坝透水率水平分别为20%、30%、40%。由图6可知这样的选择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。

2.2.4 丁坝长度水平的选择

刘燕等[21]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。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[22]。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,但护岸效果比长丁坝好。结合其满水库引水河道的实际情况和防护目的,决定选用短丁坝进行研究。选择长度水平分别为25 cm、30 cm、35 cm的丁坝,丁坝在垂直于水流方向的投影长度与水槽宽度之比分别为0.21、0.25、0.29。由图7可知这样的选择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。

2.3 正交试验因素水平表概况

综上所述,得坝头冲刷坑深度L9(34)正交试验因素水平表如表2所示(表中因素A、B、C、D分别为流量、丁坝挑角、丁坝透水率、丁坝长度)。

表2 坝头冲刷坑深度L9(34)正交试验因素水平

2.4 正交试验结果

2.4.1 正交试验设计及结果

坝头冲刷坑深度L9(34)正交试验设计及结果如表3所示。由表3可知,各因素的极差由大到小依次为: C、A、D、B,4个因素对水力插板透水丁坝坝头冲刷坑深度的影响从大到小依次为:丁坝透水率、流量、丁坝长度、丁坝挑角。4个影响因素中,丁坝透水率对坝头冲刷坑深度的影响最为明显。

表3 坝头冲刷坑深度L9(34)正交试验设计及结果

2.4.2 验证试验

按方案为A2B2C2D2进行3次平行试验,坝头冲刷坑深度的平均值为5.4 cm,均低于表3中每一项的试验结果,所以使坝头冲刷坑深度最小的方案是为A2B2C2D2。但实际工程中,河流流量无法人为控制,只能在一定流量下合理地设计和布置丁坝使坝头冲刷坑深度最小。因此在一定流量下,水力插板透水丁坝减小坝头冲刷坑深度的最佳布置方案的设计参数为:丁坝透水率30%、丁坝长度30 cm、丁坝挑角60°。

3 结 论

a. 在布置单个水力插板透水丁坝的条件下，坝头冲刷坑深度与流量的回归方程为Y=0.015 36Q2+0.184 24Q+2.338,坝头冲刷坑深度与丁坝挑角的回归方程为Y=-0.000 67θ2+0.125 43θ+2.72,坝头冲刷坑深度与丁坝透水率的回归方程为Y=-0.077 67c+8.562,坝头冲刷坑深度与丁坝长度的回归方程为Y=0.097 67l+4.448。

b. 水力插板透水丁坝坝头冲刷坑深度的4个影响因素中,影响强度从大到小依次为:丁坝透水率、流量、丁坝长度、丁坝挑角。在一定流量条件下,水力插板透水丁坝减小坝头冲刷坑深度的最佳布置方案的设计参数为:丁坝透水率30%、丁坝长度30 cm、丁坝挑角60°。

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Model test of scour depth at jetty head of hydraulic flashboard permeable spur dike

//ZHANG Kai, SHI Kebin, LI Yujian, WU Fufei, WANG Xin, REN Zhi

(CollegeofHydraulicandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China)

In order to explore the optimal design parameter and layout scheme of a hydraulic flashboard permeable spur dike with the minimum scour depth at the jetty head, single factor experiments were carried out by changing the discharge, the jet angle, the water permeable rate, and the length of the spur dike. The regression equations between each single factor and the scour depth at the jetty head were obtained. The best test level in each group of single factor test results was chosen and an orthogonal experiment with four factors and three levels was designed using the L9(34) orthogonal experiment design table. The experimental results show that the four single factors influence the scour depth at the jetty head of the hydraulic flashboard permeable spur dike in the following descending order: the water permeable rate of the spur dike, the discharge, the length of the spur dike, and the jet angle of the spur dike. With a certain discharge, the design parameters of the optimal layout scheme of a hydraulic flashboard permeable spur dike are as follows: the water permeable rate of the spur dike is 30%, the length of the spur dike is 30 cm, and the jet angle of the spur dike is 60°.

hydraulic flashboard; permeable spur dike; scour at jetty head; discharge; jet angle; water permeable rate; orthogonal test

10.3880/j.issn.1006-7647.2016.06.017

国家自然科学基金(51469032);新疆高校科研计划(XJEDU2013I12)

张凯(1990—),男,硕士研究生,主要从事水利水电工程研究。E-mail:1690647@qq.com

侍克斌(1957—),男,教授,主要从事水利工程学科方面的教学与科研。E-mail:xndsg@sina.com

TV83

A

1006-7647(2016)06-0090-05

2015-10-18 编辑：郑孝宇)