桩群密度对丁坝局部冲刷影响的试验研究

刘恒博

(新疆维吾尔自治区塔里木河流域干流管理局,新疆 库尔勒 841000)

0 前 言

近年来，生态保护引起越来越多的关注，赵鸿等[1]详细地介绍了5种修复生态系统的方法，可以为城市河道治理提供参考。其中丁坝是河流修复和维护重要的水力结构之一，能改变水流形态，使水流朝所期望的方向流动。国内大量学者开展了关于丁坝作为河道整治建筑物的研究，张立等[2]开展了清水冲刷试验；胡田开展了不同流量、不同水位条件下的双丁坝附近水流特性的试验[3]。魏家安[4]基于实际工程，得出丁坝能够提高河道行洪能力，使其更安全。桩作为一种常用的支护结构，在工程中有广泛的作用。李刚[5]和黄岳文[6]等人介绍了工程中的桩基础应用。陆晶[7]等研究了挑角对淹没丁坝和非淹没丁坝坝头附近床面冲淤变形的影响。郑薇薇[8]通过水槽对不同排列方式的桩群进行模型试验，重点分析群桩阻力系数随水深和间距比的变化曲线。胡江[9]对单桩和群桩(对透水丁坝处修建方桩结构)绕流和局部冲刷机理进行了分析，并开展了动床试验，得出近距桩结构更具优点。

以往研究中，不同密度桩群对丁坝局部冲刷的影响研究较少，并且布置方式和密度的群桩对水流结构、泥沙侵蚀、最大局部冲刷、淤积都有极大影响。本文考虑不同密度的群桩对上述参数的试验影响,开展5组丁坝结构的对比试验,研究分析不同密度的群桩,为河道治理提供支撑。

1 实验方法

本研究考虑了5种不同的物理模型，第一种是常规的丁坝，其余4种模型中的都由沉桩群和丁坝群组合而成。图1为实验水槽平面图及物理模型，2个连续丁坝的间距比S/Ls=4。其中S是从中心到中心的流线距离，Ls是丁坝的长度。在所有模型情况下，丁坝长为10 cm，宽为4 cm，距离初始河床高4.5 cm。

图1 实验水槽平面图及物理模型

将这些模型放在一个长13 m，宽0.6 m的矩形水槽中，位于水槽进水口下游6.2 m处。在距离进水口4.5 m的水槽中间，铺设长6 m，厚11 cm的沉积物凹坑。沙子大致均匀，d50=0.586 mm，比重为2.55。在每次实验之前，进行平沙且保持水槽斜率恒定在0.0005。为了防止浅层高速水流动后立即发生河床变形，首先用水轻轻填充水槽至所需的水位，然后泵从低流量开始慢慢达到设计值，最后，保持相同的流量和流深直到实验结束。

用直径为5 mm的金属圆筒作为桩群，将不同密度的桩并排放置在河床上边长L为10 cm的正方形内，顺流和横流方向间距均匀，距初始河床高度2.5 cm，本次试验共设计5种桩群密度分别为D1=0.5，D2=0.4，D3=0.25，D4=0.2，以及对照试验组D0=0，即无桩试验组(图2)。桩群密度用D表示，计算如下所示。

图2 群桩密度设计

D=(n×d/L)

(1)

公式(1)中：n为每排桩数；L为设计桩组边长m；d为桩径m。

水力参数如表1所示，由于初始河床几乎是静态的，河床剪切速度u*到临界剪切速度u*c，根据屏蔽图推导出沉积物运动的起始点为u*/u*c=0.87。

表1 实验条件

用激光测距仪测量实验结束时的河床变形。在相同的流动条件下，采用电磁测速法在平-粗定床上测量流速。

2 实验数据分析及结果

2.1 流 速

图3 不同桩群密度的水平速度矢量

2.2 河床剪切应力

利用以下公式估算床层间剪切应力参考值：

(2)

(3)

公式(2)～(3)中:τbx和τby为纵向和横向床层剪应力，Pa;ρ为水密度，103kg/m3;Cf为床上的摩擦系数;ub和vb是在离河床上方1 cm处测量的顺流方向和横流方向的近床层速度,m/s。用以下公式将基本参数进行归一化处理。

(4)

公式(4)中：ub0为在距第一丁坝中心上游170 cm处测得的近河床流速。图4为顺流河床剪切应力等值线图。从图4可看出，靠近水槽中心线的较高值表明水流在主流区域的侵蚀潜力。此外，在D0情况下，较高等值线从坝顶靠近第一个丁坝，D0情况下的梯度大于其他情况。还可以观察到，在群桩情况下，D1和D2两种模型随着桩群密度的减小，梯度变大。靠近第一丁坝坝顶的最大局部冲刷深度与河床剪切应力沿水流方向的变化规律相似。

图4 不同桩群密度的纵向层切应力

图5给出了横向床层剪应力等值线图,τby/τb0。在所有情况下，高幅度等高线靠近第一个丁坝附近,在D0情况下，等高线比其他情况要高。随着桩群密度的减小，其数值升高。在有桩群的情况下在τbx/τby≥0.4的区域，其值均比D0大。

图5 不同桩群密度的横向层切应力

第二丁坝坝顶附近存在较大的负床层剪应力。尤其是在D0情况下更高，表明在第二丁坝的上游有更大的侵蚀量。群桩还可以减少第二丁坝的局部冲刷，因此群桩中丁坝之间的最佳间距也会比常规丁坝更长。

2.3 河床变形

布置丁坝的主要目的是通过减慢流速和在侵蚀河岸的底部填充细沙来保护河岸。在选定网格中测量河床地形，以研究此种结构对冲刷过程和相应的水流特性的影响。丁坝群性能的显著性和第一丁坝坝顶最大冲刷深度，从图6所示的河床等高线中可以得出丁坝场的深孔体积、泥沙输移和沉积，以及构筑物变化引起的干流丁坝前床层的侵蚀。

图6 不同桩群密度的河床等高线

只有在D0情况下，水流在第一道丁坝周围形成渐进式局部冲刷约66%的运行时间后，模型上游的水槽底部露出，这种冲刷对几何形状及其后的沉积区域有一定的影响。因此，在运行66%时间后的D0模型，冲刷会发展得非常缓慢，不会造成大的变形。

在这种情况下，在第一个丁坝上游的侧岸形成一个深的冲刷孔，随之相对较大的冲刷孔也在第二丁坝上游形成，由于减少回流区长度进而导致沉积物快速沉积。然而，当冲刷过程达到真正的平衡阶段时，沉积物就会减少或消失。在D1情况下，较高的桩群密度改变了床层变形情况，第一丁坝桩群上游边缘、桩顶和下游的河床冲刷较弱。最大冲刷深度减少到D0模型的近50%，位于距第一丁坝中心下游7.5 cm处。与D0情况相比，丁坝场的沉积量和第二丁坝下游的沉积高度均有所降低。其余情况下，随着桩群密度的减小，局部冲刷深度依次增大，均没有D0冲刷深度大。D4的最大冲刷深度比D0的最大冲刷深度小20%，最大冲刷深度的位置在第一丁坝的坝顶，与D0模型情况相似。

3 成果讨论

3.1 流态特性

为了研究丁坝坝顶附近主流的速度分布，合成流速U用流速U0归一化表示，图7为Y=11 cm处水平流动的流向剖面。丁坝坝顶处的峰值顺序与最大冲刷深度顺序相似，如图8所示。在D1情况下，深冲刷孔位于第一丁坝下游，在图7的同一位置，D1情况下流速比其他情况要高。

图7 水平流的流向剖面

图8 归一化最大合成速度

图7为丁坝区域归一化最大合成流，Umax/Uave，Uave为丁坝场的平均合成流。D0模型值最大，且随桩群密度的增加而减小。

3.2 河床形式特征

冲刷量由asc×h0归一化表示，asc为各情况下的冲刷平面面积平均值，h0为进场流深度。沉积体积vd用ad×h0表示，ad为沉积床面的平均值。侵蚀量ve用ae×h0计算和归一化，ae为平均侵蚀面积。图9显示了在所有情况下，床型特征随其表格数据的不同而变化。

D0模型情况下达最大冲刷深度dsm，最大冲刷量vsc和侵蚀量ve。对于桩群而言，最大冲刷深度随桩群密度的减小而增大，但在低桩密度的情况下冲刷量减少。丁坝场中的沉积体积在D1情况下最小，并随着桩群密度的降低而增加，D4模型是例外情况。在D2和D3两种情况下，丁坝的侵蚀和沉积之间存在相对平衡。

4 结 论

本文对不同密度桩群减少丁坝附近局部冲刷影响进行研究，开展了5组丁坝结构的对比试验，形成结论如下：

(1) 局部冲刷是影响丁坝有效性能的主要因素，在丁坝上游相邻处设置桩群，可以减少局部冲刷和冲刷量，当桩群密度0.50时，最大冲刷深度约为常规丁坝的50%。

(2) 丁坝区域内归一化最大合成流，常规丁坝模型的最大为2.5，桩群密度为0.50时减小到1.93，随密度增大而减小。

(3) 常规丁坝模型槽底发生裸露，形成渐进式冲刷。当桩群密度为0.50时，河床冲刷较弱，最大冲刷深度约为常规丁坝的50%，沉积量和第二丁坝下游的沉积高度均降低。对比4个群桩模型，随密度增大局部冲刷深度减小。