河道防洪治理工程丁坝设置应注意的问题

2020-12-22赵含雨郑灿堂

山东水利 2020年11期

关键词：堤防冲刷水流

赵含雨，芦超，郑灿堂

（1.山东黄河河务局东平湖管理局，山东泰安 271000；2.泰安市水利勘测设计研究院，山东泰安 271000）

丁坝是常用的河工建筑物，既是整治性建筑物，也是维护性建筑物。作为整治性建筑物，丁坝主要起束窄调整水流、冲刷河槽、稳定或改善河势的作用；作为维护性建筑物，丁坝可使其附近河岸堤防免受水流冲蚀淘刷、维护河相、保证防洪安全的作用。

1 丁坝类型及各类丁坝的作用

1.1 根据丁坝束窄正常河床的相对宽度分类

根据丁坝束窄正常河床的相对宽度，可以分为长丁坝与短丁坝两种。当丁坝在垂直于水流方向的投影长度与正常河宽之比大于1/3 时，为长丁坝，否则为短丁坝，特别短的丁坝称为矶头、垛等。丁坝越长，挑流作用越强，对水流的影响越大，坝前冲刷越剧烈，主要起束窄河槽，改变主流位置的作用，通常多用于航道整治；短丁坝的特点则与长丁坝相反，一般用于河道迎流顶冲处，主要起导顺主流，保堤护岸和外移岸线的作用。

1.2 根据丁坝坝顶高程与水位的关系分类

根据丁坝坝顶高程与水位的关系，可以分为淹没式丁坝与非淹没式丁坝两种。淹没式丁坝通常用于航道整治，坝高根据枯水位设计。非淹没式丁坝通常用于防洪工程，其坝顶高程低于堤顶，但高出设计洪水位，或略低于洪水位，一般不被淹没，或短时间淹没。

1.3 根据丁坝坝轴线与水流方向的交角α 分类

根据丁坝坝轴线与水流方向的交角α（或丁坝坝轴线与河岸的夹角α）可分为上挑丁坝（α＞90°）、下挑丁坝（α＜90°）和正挑丁坝（α=90°）三种。丁坝上挑时，坝头水流紊乱，局部冲刷严重，适合设置为淹没式丁坝；丁坝下挑时，水流比较平顺，既使水流远离堤岸，改变河势，防止堤岸冲刷，又使绕坝水流引起的冲刷较弱，坝前冲刷坑较浅，非淹没式丁坝以下挑为宜；正挑丁坝的水流特性介于上挑丁坝与下挑丁坝之间，通常设置在河口感潮河段，或者有顶托倒灌的支流河口段，以适应水流正逆方向的交替特性。

1.4 根据丁坝的外形分类

根据丁坝的外形可分为直线形丁坝（普通丁坝）、勾头形丁坝和丁字形丁坝（丁顺坝）三种类型。一般情况下丁坝为直线形，其坝头在平面上呈现为勾形时则称为勾头丁坝，勾头丁坝又分为上伸勾头坝和下伸勾头坝两种，如果上伸勾头和下伸勾头同时出现，则称为丁字形丁坝。

2 单丁坝的水流特性

2.1 非淹没式丁坝的水流特性

1）平面流速分布。由于丁坝阻挡水流的原因，河流丁坝一侧上游流速减小，并将水流挑向另一侧。丁坝下游主流区流速增大，愈向下游，主流位置变化愈小，丁坝一侧下游则流速减小很多，并出现回流。

2）纵断面流速分布。由于丁坝的阻挡作用，丁坝上游表层水流往下流动，丁坝下游流速较小，大致存在表层水流向上游流动，底层水流向下游流动，且向下游流动的底层水流厚度不断增大，正挑丁坝下游与其它两种丁坝下游流速分布相比，比较混乱。

3）横断面流速分布。在三种丁坝下游横断面内流速均出现强制涡，在横断面内前段，正挑丁坝下游强制涡较明显，上挑和下挑丁坝下游强制涡较弱。在横断面内后段，正挑丁坝下游强制涡较弱，上挑和下挑丁坝下游强制涡较强，这说明丁坝设置角度对横断面强制涡有明显的影响。

2.2 淹没式丁坝的水流特性

河水流向丁坝时被壅阻，比降逐渐降低，流速逐渐减小，在丁坝前出现反比降，使得水流顺着丁坝走向流向河心，在丁坝上下游形成回流区，回流区内流速减缓，使得泥沙容易淤积，因此，可以利用丁坝加大主流区的流速，冲刷浅滩，使泥沙下移或者在坝田内淤积。

3 单丁坝的掩护长度

单丁坝下游回流区末端至坝跟之间的距离，称为丁坝有效影响长度，亦称回流长度。

图1 单丁坝回流示意图

根据连续方程、紊动水流基本规律，和相关试验结果表明，单丁坝回流长度可达坝长的12～13倍，甚至更长。但是，单丁坝的回流长度不是其掩护长度。丁坝的维护作用要求河岸堤防免受水流的冲蚀淘刷，所以，其掩护长度须取决于丁坝下游侧河岸堤防泥沙的抗冲流速与水流流速（与流向无关）的相对大小。丁坝下游侧近岸水流流速小于河岸堤防泥沙抗冲流速的范围，就是其掩护范围，其沿河岸堤防的纵向长度，就是其掩护长度。

4 双坝的合理间距

如果两丁坝之间的距离过小，则下游丁坝的作用不能充分发挥，就会增加工程投资；如果两丁坝之间的距离过大，坝田漩涡区的水流不稳定，下游丁坝坝头附近就会因流速过大产生冲刷。合理的丁坝间距由以下两个方面的因素确定：一是下一个丁坝的壅水刚好达到上一个丁坝处，这样，就可以避免在上丁坝下游发生水面跌落现象，既能够充分发挥每一个丁坝的作用，又能够保证两坝间不产生冲刷；二是丁坝间距应使主流水流绕过上一个坝头之后，形成的扩散水流的边界线，大致抵达下个丁坝的有效长度的末端，以避免冲刷坝根。

有关试验结果表明，丁坝间距在四倍有效坝长左右时，坝田漩涡区水流稳定，下游丁坝坝头附近流速较小，没有产生剧烈的冲刷；总回流长度最小，掩护效果最佳。

5 丁坝设置的一般要求

设置丁坝时，一般是根据河道整治规划的治导线布设丁坝群，其坝头连线做成与治导线一致（或上段坝头连线适当退后）的平缓曲线，以改变主流方向，使其离开堤岸顺导至预想的方向，达到保堤护岸的目的。重要河段的丁坝布设，还应根据河工模型试验确定。丁坝建成运行期间，须经常观测，看其稳固与否，能否满足设计要求，必要时予以调整。

1）通常依据丁坝设置的作用选择其长度，以防止水流对堤岸直接冲刷为主要目的的丁坝，仅需要改变局部水流方向，无需改变主流方向，这时多采用较短的丁坝；如果以挑流为主，用以改变主流方向，使水流远离被保护的堤岸，这时多采用较长的丁坝。《堤防工程设计规范》（GB 50286—2013）规定：丁坝的长度应根据河岸与治导线距离确定。通常，治导线到河岸线的垂直距离即为丁坝的有效长度。

2）确定丁坝间距的原则：一是下一座丁坝的壅水范围要达到上一座丁坝的坝头，这样，既避免了坝头水面产生较大跌落，也使绕过坝头的扩散水流流线能够到达下一座丁坝的有效长度范围内，丁坝的作用得以连续，避免冲刷坝根；二是要有足够的控制点，以使坝后回水区边线的连线组成平顺的整治线；三是防止坝田中产生大于抗冲流速的水流速度。

根据上述原则，确定丁坝间距的具体方法有两种：一是根据丁坝下游回流区内近岸水流流速小于河岸堤防泥沙抗冲流速的原则确定；二是根据经验的方法确定。《堤防工程设计规范》（GB 50286—2013）规定：丁坝的间距可为坝长的1～3 倍，这与“丁坝间距在四倍有效坝长左右时掩护效果最佳”的试验结论相比，偏于保守。考虑到国标适用范围的广泛性，理应如此。比较顺直的河段，丁坝间距可以取坝长的3～4 倍。