台阶式丁坝水动力特性及防冲效应

丁晶晶，陆 彦，陆永军

(南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029)

丁坝是一种常见的航道整治建筑物，在改善航道条件、保护岸滩以及保持水生环境多样性等方面发挥着重要作用。而另一方面，丁坝坝头床面往往由于坝头复杂的水流动力而形成局部冲刷坑，降低了坝体的稳定性，容易诱发丁坝水毁。为此，很多学者在丁坝坝头局部冲刷的形成机理方面做了大量研究[1-6]，这些研究普遍认为，坝头的水流结构主要包括坝头集中绕流、下潜流及坝头后方竖轴漩涡，三者的综合作用是产生坝头局部冲刷而导致丁坝水毁的主要动力。据此，人们采取了各种各样的措施来控制坝头局部冲刷坑的发展，这些措施或减弱丁坝附近水流动力，如合理设置丁坝坝长、坝高、间距、挑角等，以尽量平顺坝头水流[7-8]；或提高坝头附近床面的抗冲性，如坝头采用抛石、抛异形块或混凝土铰链排等垫层护底[9-10]；或两者结合，如采用四面体透水框架护脚，兼具减速和防冲两方面的功能效果[11]。此外，为防治丁坝水毁，很多新型的丁坝结构形式也得到了相应研究，如W.S.J.Uijttewaal[12]提出了下部为常规丁坝，上部为透水桩坝的组合式丁坝；周银军等[13]研究了桩式透水丁坝水流及冲淤特性；王振等[14]研究了铅丝笼丁坝附近的水流特性。

针对坝头主要的水流动力，本文提出一种新型丁坝结构形式，即将传统的顺坡式坝头设置成台阶式，以期利用各级台阶分散坝头绕流，同时利用台阶台面阻挡下潜流。本文通过定床和动床水槽试验研究其改善坝头水流条件，减小坝头局部冲刷的效果。

1 台阶式丁坝周围水动力特性研究

1.1 试验设计

(a) 常规丁坝 (b) 三级台阶丁坝图1 台阶式丁坝模型结构(单位： cm)Fig.1 Schematics of experimental spur dike models (unit: cm)

台阶式丁坝周围的水动力特性研究主要通过定床试验，在矩形变坡水槽中进行。水槽长42 m，宽0.8 m，深0.8 m，坡度可调范围为1/400～1/60。水槽通过时差式超声波流量计控制进口流量，通过尾门控制试验水深，试验中利用声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimeter)ADV分别测量丁坝周围近底(距床面约3 mm)水流特征值。定床试验采用的常规丁坝及台阶式丁坝均为木质，通过铆钉安装于水槽底部，丁坝轴线与水流方向垂直。常规丁坝模型坝高10 cm，坝身长20 cm，丁坝上、下游边坡相同，均为2:1，坝头坡度为1:1。台阶式丁坝与常规丁坝尺寸基本相同，唯一区别在于坝头是否设置台阶。为使丁坝挡水效果尽量接近，台阶式丁坝结构尺寸根据其挡水面积与常规丁坝挡水面积相等而确定。试验丁坝结构形式及尺寸如图1。定床水动力试验考虑非淹没及淹没2种水流条件下的比较，两种水流条件分别为Q=12 L/s，H=10 cm和Q=24 L/s，H=20 cm。

1.2 试验结果及分析

1.2.1时均流速分布 台阶式坝头通过各级台阶逐级分散坝头的集中绕流，各级台阶形成的集中绕流相互错开，使得上一级台阶的绕流无法与下级台阶产生的绕流产生叠加作用，这样的逐级分散集中绕流，使得最下一级台阶产生的集中绕流得到很大程度的缓解。图2给出了2级流量下时均流速Umag的分布。通过对比分析，常规丁坝和台阶丁坝形式坝头均存在集中绕流，而无论是淹没还是非淹没状态下，台阶式丁坝坝头近底流速均有大幅减小，并且由于台阶台面的挑流作用，最大流速区向下游推移，有远离坝头的趋势。

(a) 常规丁坝(Q=12 L/s，H=10 cm) (b) 台阶式丁坝(Q=12 L/s，H=10 cm)

(c) 常规丁坝(Q=24 L/s，H=20 cm) (d) 台阶式丁坝(Q=24 L/s，H=20 cm)图2 时均流速Umag的分布(单位：cm/s)Fig.2 Contours of mean velocity (unit：cm/s)

1.2.2坝头下潜流 图3为坝头周围下潜流分布。从图中可见，台阶平台对下潜流起着逐级阻挡的作用；与常规丁坝相比，至床面时下潜流流速已显著减小。另外，从图4丁坝断面流速矢量图中可见，与常规丁坝相比，台阶式下潜流角度相对要缓得多，避免了坝头下潜流直接冲击床面，对减小局部冲刷坑深度有利。

(a) 常规丁坝(Q=12 L/s，H=10 cm) (b) 台阶式丁坝(Q=12 L/s，H=10 cm)

(c) 常规丁坝(Q=24 L/s，H=20 cm) (d) 台阶式丁坝(Q=24 L/s，H=20 cm)图3 坝头下潜流分布(单位： cm/s)Fig.3 Contours of down-flow (unit： cm/s)

1.2.3坝头涡量强度分布 ADV无法直接测得漩涡的大小，可以利用涡量强度的分布来表示坝头脱离涡的强弱。涡量强度是用来描述流体旋转的物理量，其方向符合右手法则，平面涡量强度根据ADV实测的平均流速由式(1)计算：

(1)

式中：Ω为平面涡量强度；ω为旋转角速度；u，v为分别为ADV实测的纵向和横向的时均流速，△x，△y分别纵向和横向的测点间距。

图5为丁坝周围涡量强度的分布。从图中可见，台阶式坝头的涡量强度均有一定程度的减小，强涡量范围也相应减小。具体表现为：一方面由于台阶式坝头集中绕流有一定的减弱，坝头流速梯度相应减小，消弱了坝头漩涡产生的条件；另一方面，水流在上一级台阶分离产生的涡流与在下一级台阶产生的涡流相互错开，且脱离涡旋转方向相同，在两涡之间交界面上旋转速度相反，在一定程度上相互抵消，相应地也减弱了脱离涡的涡量强度。

(a) 常规丁坝(Q=12 L/s，H=10 cm) (b) 台阶式丁坝(Q=12 L/s，H=10 cm)

(c) 常规丁坝(Q=24 L/s，H=20 cm) (d) 台阶式丁坝(Q=24 L/s，H=20 cm)图5 涡量强度分布(单位： s-1)Fig.5 Contours of vorticity (unit： s-1)

2 台阶式坝头冲淤特性

从台阶丁坝水动力特性试验来看，台阶式丁坝有利于减弱近坝头区的水动力强度，并使得最大紊动强度区相应外移，这些都有利于坝头稳定。动床试验主要目的是验证台阶坝头减小局部冲刷的效果，并研究台阶尺度对减小冲刷效果的影响。

2.1 试验设计

动床试验在平坡水槽中进行，水槽长60 m，宽4 m，深0.5 m。平坡水槽试验流量通过进口处矩形薄壁堰控制，试验水深通过尾门控制；动床试验段位于水槽中段，长约10 m，铺沙厚度0.3 m；在下游近尾门处设置沉沙池，防止模型沙随水流进入水库。

常规丁坝模型高约6 cm，长1 m，迎水坡1:1.5，背水坡1:2，坝头坡比1:5；台阶式丁坝模型尺寸参数与常规丁坝模型类似，不同在于坝头是否设置台阶。模型沙采用均匀木屑，d50=0.11 mm，ρ=1.13 t/m3，不均匀系数σ=1.05。另外在相同水流条件下，坝头冲刷与过流断面的束窄程度有关，试验中使台阶式丁坝与常规丁坝具有相同的挡水面积，近似地认为其束水程度相同。试验方案的选择主要考虑台阶式丁坝的台阶级数、宽度及坝身是否设置台阶等对坝头局部冲刷的影响。试验中的地形测量采用清华大学尚水公司生产的超声地形自动测量系统，测量精度±1 mm。为简化起见，台阶坝头每一级的高度将按级数平均分配。各组次的试验条件见表1。

表1 试验组次和试验条件Tab.1 Experimental conditions

试验流量同样考虑非淹没和淹没两种组次，分别为Q=26.81 L/s，H=6 cm和Q=81.0 L/s，H=10.2 cm。试验中，通过超声波地形仪量测局部冲刷坑深度，当冲刷坑深度基本不再变化时，试验即停止。

2.2 试验结果及分析

2.2.1冲淤特性 组次A0为常规丁坝，不管淹没或非淹没条件下，实体丁坝坝头都形成了较大的局部冲刷坑，非淹没工况时，冲刷坑最大深度为16 cm，淹没条件下最大深度为24 cm，并且最大冲深处均紧贴坝头，对坝头的稳定不利(见图6)。

(a) Q=26.81 L/s，H=6.0 cm (b) Q=81.0 L/s，H=10.2 cm图6 A0组次，常规丁坝冲淤地形(单位： cm)Fig.6 Contours of local scour around the conventional spur dike in Case A0 (unit: cm)

不同规格的台阶式丁坝冲刷地形图中可以看出，台阶的存在，对下潜流有很好的抑制作用，同时台阶台面对坝头绕流起到挑流作用。这两种作用在冲刷地形上表现为，局部冲刷坑最大深度相应减小，最大冲刷坑位置也远离坝头，有利于坝体稳定。表2统计了各台阶丁坝坝头的最大冲刷坑，台阶坝头的设置可以使坝头局部冲刷坑减小20%以上，最大能达到50%。

表2 各组次冲刷坑最大深度Tab.2 The maximum scour depth of every case

2.2.2坝头台阶级数对冲刷坑的影响 为分析台阶式坝头台阶级数对冲刷坑的影响，选择A2(2级)和A3(3级)2个方案进行比较，这两种方案坝高相同，且台阶宽度相同，均为5 cm。

图7和8分别给出了2级和3级台阶时，冲刷完成后的地形等值线图。可见，不管是2级还是3级台阶，坝头冲刷坑深度均有很大程度的减小。台阶式坝头主要作用是在逐级阻挡下潜流的同时，分级向外挑出每级坝头的集中绕流。相对来说，级数越多，最底一级坝头处床面所承受下潜流及集中绕流越小，同时，坝头后方形成的脱离涡的动力也越弱，所以台阶级数越多的丁坝其减小局部冲刷的效果越好。在Q=26.81 L/s和Q=81.0 L/s条件下，2级台阶坝头冲刷坑深度减小幅度分别达25%和20%，3级台阶坝头的分别达25%和29%，3级台阶减小局部冲刷坑深度的效果要优于2级台阶坝头；此外，从最大冲刷坑位置来看，与2级台阶坝头相比，3级台阶坝头处最大冲刷坑位置明显外移，对稳定坝头更有利。而2级台阶时，由于最底一级坝头高度相对较大，坝头处下潜流及集中绕流也相对较大，致使坝头冲刷坑深度较深，位置也紧贴坝头。

(a) Q=26.81 L/s，H=6.0 cm (b) Q=81.0 L/s，H=10.2 cm图7 组次A2冲淤地形(单位： cm)Fig.7 Contours of local scour around the spur dike with stepped head in Case A2 (unit: cm)

(a) Q=26.81 L/s，H=6.0 cm (b) Q=81.0 L/s，H=10.2 cm图8 组次A3冲淤地形(单位： cm)Fig.8 Contours of local scour around the spur dike with stepped head in Case A3 (unit: cm)

2.2.3坝头台阶宽度对冲刷坑的影响 对比A1(图9)和A2(图7)组次，均为2级台阶，宽度分别为2和5 cm。台阶宽度越大，意味着对下潜流阻挡效果越好，随着坝头台阶宽度的增大，其最大冲刷坑深度相应减小，在Q=26.81 L/s和Q=81.0 L/s条件下，台阶宽度为2 cm坝头冲刷坑深度减小分别达到19%和20%，5 cm宽度的台阶式坝头局部冲刷坑减小分别达到25%和20%。此外，从图中可见，较宽台阶台面的挑流效果更好，最大冲刷坑深度相应外移，有利于坝体稳定。

(a) Q=26.81 L/s，H=6.0 cm (b) Q=81.0 L/s，H=10.2 cm图9 组次A1冲淤地形(单位： cm)Fig.9 Contours of local scour around the spur dike with stepped head in Case A1 (unit: cm)

2.2.4坝身设置台阶对冲刷坑的影响 对比A3(图8)和A4(图10)两试验组次，均为3级台阶，且宽度均为5 cm，其中A4方案坝身下游侧设置与坝头同宽的台阶。

从图10可见， A4组次即在坝身下游边坡采用台阶式，冲刷坑深度明显减小，在2级流量下，最大冲刷坑深度减小达到56%和41%，同时，位置也明显外移。这是因为，坝头绕流时，最大下潜流及坝头脱离涡的形成位置主要位于坝头下游侧，坝身下游设置台阶，相当于增大了该处的防护宽度，更有利于阻挡下潜流及漩涡对坝头床面的直接作用，挑流作用也更明显。

(a) Q=26.81 L/s，H=6.0 cm (b) Q=81.0 L/s，H=10.2 cm图10 方案A4冲淤地形(单位： cm)Fig.10 Contours of local scour around the spur dike with stepped head in Case A4 (unit: cm)

3 结 语

根据对坝头局部冲刷主要动力的研究，提出了设置台阶式坝头的新型丁坝结构型式，以减弱坝头的水流动力，并通过水槽试验研究了台阶式坝头的水动力特性及冲淤特性。研究表明，丁坝坝头的台阶能逐级分散坝头的集中绕流和分离流，同时，台阶台面也能逐级阻挡坝头下潜流，并具有挑流作用，使得近坝头区床面处水动力得以减弱，最大流速或最大紊动强度区相应外移。相应地，坝头局部冲刷坑深度得到很大程度的控制，且最大冲刷坑位置远离坝头，有利于坝头稳定。试验还研究了台阶级数、宽度以及坝身边坡是否设置台阶等对局部冲刷的影响，研究表明台阶级数越多，宽度越宽，其减小局部冲刷的效果越好；坝身下游边坡设置台阶增大了台阶台面阻挡下潜流及挑流的面积，从而提高了控制局部冲刷的效果。

参 考 文 献：

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