非恒定流作用下坝头冲刷过程研究

非恒定流作用下坝头冲刷过程研究

施浩亮

重庆交通大学河海学院重庆400074

摘要：丁坝作为一种常见的整治建筑物被广泛的应用于航道整治工程领域，其稳定性直接影响到整个整治工程的效果，本文在前人研究的基础上，结合物理模型试验对丁坝丁坝坝头处的冲刷进行研究，进而对坝头冲刷过程及其形成原因进行分析，为防护措施的提出提供参考。

关键词：非恒定流；丁坝；水毁；冲刷

1引言

丁坝冲刷是一个十分复杂的研究课题，H.Engels早在二十世纪二十年代初期就对此进行了试验研究，此后对于丁坝冲刷的研究正式拉开帷幕。目前二维、三维[1-4]数值模拟技术的不断进步也促进了其在丁坝研究领域的应用，但大都是基于恒定流条件下进行的。但天然情况下的洪水及水利枢纽泄洪等产生的非恒定水流对于丁坝的破坏作用较恒定水流条件下更为严重和复杂。为了更加真实地模拟天然情况下丁坝的受力情况，本次试验研究在非恒定流条件下进行。从丁坝水毁的实例来看，发生水毁的丁坝其坝头都遭到了不同程度的损毁[5]，因而，对于丁坝坝头处冲刷的研究对于工程实际的应用有着重要意义。本文通过物理模型试验研究及原型观测相结合的方法，对丁坝坝头处的水毁冲刷进行研究，可为丁坝的防护提供一定的参考依据。

2试验模型及工况

试验在矩形玻璃水槽中进行，长30m，宽2m，高1m。通过DCMS流量控制系统控制流量和水位，模型设计以长江上游常见丁坝结构型式进行概化，按照《航道整治工程施工规范》[6]的要求，选定迎水。背水及向河坡度分别为1：1.5、1：2、1：2.5。此次试验中控制流量为95L/s，水深控制在14cm，在控制坝长和挑角不变的情况下选取不同的坝型，对其坝头的冲刷进行研究。本次试验坝长控制在50cm，挑角控制在90°，试验选用坝型见下表。

表1选用试验工况表

图1不同坝体结构型式时坝头冲深过程线

从图中可以看出，直头坝的最大冲深发展过程类似，即工况1与工况2，但圆弧断面（工况2）较梯形断面（工况1）在不同的时间段都略大一些：在前1小时的冲刷中，冲刷深度经历了先剧增后放缓，再剧增在放缓的过程。在这之后冲深持续发展，但速度明显减慢。与前两种工况相比，工况3的冲坑深度随时间线性增加，冲刷深度曲线没有明显的拐点且各时段的冲刷深度也更小。出现这种冲深速率变化的主要原因是：坝前后水位比降较大，由跌水而产生向下运动的水流冲刷河床，使得冲深在这一阶段迅速加大，当冲深达到一定程度时，受到滑落区冲入坑中的泥沙的影响，冲坑发展变缓。当滑落区来沙减缓后，冲深又继续快速发展。冲深过程伴随着大量细沙的流失，使得河床表面逐渐沙化，冲深的发展也跟着减慢，逐渐达到动态平衡。同一条件下，由于直头坝的阻水、挑流作用较之勾头丁坝更为明显，使得丁坝坝前后水位加大，跌水更大，冲深较深。在断面型式的对比上，圆弧断面坝的坝面糙率较梯形断面来的小，利于水流下泄而使得流速变大，从而冲深较梯形断面坝来的更深。冲刷地形图见图2。

图2最终冲刷地形图

从最终的冲刷地形图可以看出，冲刷的最深处位于坝轴线下游不远处，位于推移区和滑落区的交界点，在实际工程中，需对其进行重点防护，也可依据冲刷地形，按照冲刷程度采用不同程度的防护。

4结论及展望

（1）对于不同的坝体结构型式，由于阻水挑流作用的不同，正挑直头丁坝坝前后水位比降和跌水较大，使得冲深较深。从断面结构型式来看，圆弧断面坝由于其糙率较小，导致流速变大进而其冲刷坑较梯形断面坝更深。

（2）丁坝坝头泥沙处受到冲刷侵蚀，基础被掏空，最终在自身重力的作用下失去平衡，导致了局部或整体的坍塌，失去整治效果。

（3）通过对天然非恒定流对丁坝的冲刷以及局部冲刷过程的深入研究，明确坝头在冲刷作用中的突出地位，对坝头进行重点实验和观察。这对于预防丁坝水毁具有极其重要的作用。

（4）为预防丁坝水毁，可在冲刷敏感区域，如坝头设置护底等，可有效减小冲刷。通过不断的改进护底的型式，及材料的选择能够更好地达到防护效果。从丁坝结构设计的角度，坝头处的冲深影响其稳定性，坝体基础必须埋设在可能的最大冲刷深度之下，才能保证丁坝结构的运行安全。

参考文献：

[1]荣学文.丁坝的水毁机理及其平面二维水流数值模拟「D].重庆：重庆交通学院.2003.

[2]许慧，李国斌，尚倩倩，等.淹没丁坝群二维水流数值模拟新方法[J].水科学进展，2014.

[3]崔占峰，张小峰，冯小香.丁坝冲刷的三维紊流模拟研究[J].水动力学研究与进展，A辑，2008.

[4]宁健，李国栋，马淼.丁坝绕流流场及局部冲刷三维数值模拟研究[J].水动力学研究与进展（A辑），2017.

[5]王先登，彭冬修，夏炜.丁坝坝体局部水流结构与水毁机理分析[J].中国水运（下半月），2009，9（09）：189-190+213.

[6]《航道整治工程施工规范》（JTS224-2016）.