一种新型的导流板式异形丁字坝结构设计

秦 鹏，舒海港，秦植海，夏日风，张恒炬，罗倩亿

(浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

一种新型的导流板式异形丁字坝结构设计

秦 鹏，舒海港，秦植海，夏日风，张恒炬，罗倩亿

(浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

丁字坝是一种重要的水力消能坝工结构.针对传统丁字坝功能单一，消能效果差的缺点，对丁字坝的核心功能进行改进，提出了一种加装了导流板的异形丁字坝结构形式，并进行了室内水力试验.试验结果证明，该坝型具有较强的导流能力，同时兼具消能特征，为保护堤防结构稳定提供了新的坝型思路.

导流板；丁字坝；消能；水力试验

丁字坝作为水流湍急河段重要的消能水利设施，保护着堤防的结构稳定、沿河居住人民群众的生命财产安全以及整个流域的经济发展[1-2].由于丁字坝设置在水流湍急，冲刷严重的河段，因此坝体的结构安全及导流消能效果直接影响堤防的安全[3-5].目前丁字坝主要存在以下几个问题：一是丁字坝坝体结构简单，消能效果差.工程中的丁字坝通常采用梯形横断面构造，不能很好的拟合水流流态，消能防冲效果很差.以钱塘江为例，海潮将丁字坝坝体及堤防冲毁的情况时有发生，维护、整修成本极大.二是丁字坝坝体功能单一.目前水利工程中服役的丁字坝只具有单一的防冲消能功能，但丁字坝导流消能效果不佳时，改进方案只有增加丁字坝数量或尺寸进行，极大地增加了工程造价[6-8].由于丁字坝存在功能单一、消能效果差等缺陷，每年都要国家投入数亿元的资金进行加固维修，造成人力、物力的严重浪费.

针对这些问题，本文对丁字坝结构进行了大胆的改造，从丁字坝的导流、消能等核心功能出发，提出了新型的导流板式异形丁字坝结构形式,并通过水槽模型试验，明确异形丁字坝的导流及消能机理，以期今后对坝体结构形式进行优化、完善.由于该坝型为原始创新形式，所以目前所有水利专业教材、科研论文经查实均没有类似报道，导流板式异形丁字坝已通过国家知识产权局专利授权保护，为保护堤防结构稳定提供了新的坝型思路.

1 导流板式异形丁字坝模型及原理

导流板式丁字坝结构形式是一端与江(河)岸相连、另一端伸向江(河)槽，在平面上与河岸连接成丁字形，丁坝上部设置一排或几排独立折板结构(导流板).当潮水经过导流板后,改变流向,从开始的斜向岸方向或平行堤岸方向改变为离岸方向,从而减小对堤岸的冲蚀，潮水通过导流板时，由于受到导流板阻挡能量也有一定消减，因为可设置一排或多排独立折板，所以这种丁字坝消能、导流、护岸效果明显，潮水消退后，江水反向流动，导流板式丁字坝同原理导流、消能，起到保护河岸不受直接冲蚀而产生掏刷破坏的作用[9].导流板式丁字坝工作原理示意图(见图1)，导流板式丁字坝三维效果图(见图2).

图1 导流板式丁字坝工作原理示意图

图2 导流板式丁字坝三维效果图

2 导流板式异形丁字坝水力试验

2.1 试验场地

出水口至跌水距离800 cm，泄水槽宽度70 cm，试验段宽度60 cm，溢流坝宽度70 cm，蓄水库面积(溢流坝顶高程)37 600 cm2.试验场地示意图(见图3).

图3 试验场地示意图

2.2 导流板式丁字坝项目水流冲刷力测试装置

水流冲刷强度影响因素众多，目前研究水流对河岸冲刷的方法一直沿用通过水流速度、水深等条件，用理论公式计算，室内试验通常就是测定水流流速.这种通过流速间接的计算水流对河岸冲刷方法有完善的空间.且试验场地限制和这种计算方法的准确性不适宜在试验中使用.

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，试验开始之前专门研制了一种水流冲刷作用力测量装置(见图4，图5).该水流冲刷作用力测量装置，采用简单的结构构成，可直接应用于实验室或河流现场，能够直接测量水流冲刷作用力大小.篇幅所限，水流冲刷作用力测量装置工作原理可以参见专利ZL201520762839.9[10].

图4 水流冲刷作用力测量装置正面结构图

图5 试验中的水流冲刷作用力测量装置

2.3 现场水力试验

(1)在试验段安装模型，将导流板式丁字坝模型用水泥浆固定在底板上，用木板加高溢流坝，到达指定水位瞬间提起木板，在模型下游200 cm位置使用水流冲刷力测定装置测定水流冲刷强度大小.

(2)重复步骤(1)蓄水、瞬间释放进行多次试验，记录试验数据.

(3)在试验段安装模型，将导流板式消能丁字坝模型用水泥浆固定在底板上，用木板加高溢流坝，到达指定水位瞬间提起木板，在模型下游30 cm位置，主流、背流处使用水流冲刷力测定装置分别测定水流冲刷强度大小.

(4)重复步骤(3)蓄水、瞬间释放进行多次试验，记录试验数据.汇总结果(见表1).

表1 导流消能丁字坝模型冲刷强度试验记录(溢流坝顶蓄水深度10.0 cm)

正常水流情况下，在模型上游抛撒彩色纸片，观测彩色纸片流迹，发现彩色纸片经过导流消能丁字坝模型，方向完全改变到导流板转折后的方向，对来流方向被冲刷得河岸起到了彻底保护.导流板式异形丁字坝模型导流效果试验图(见图6).

3 结 论

(1)通过对实验数据分析发现，导流板式异形丁字坝在运行过程中能够充分发挥其导流作用，彻底改变水流冲刷方向，对河岸有很好的保护作用，同时该坝型兼具传统丁字坝的效能功能.导流板式异形丁字坝为保护堤防的结构稳定提供了新的设计思路，具有较好的推广价值.

(2)目前导流板式异形丁字坝的导流及消能效果还处于室内水力试验阶段，在未来的工作中，我们计划将该坝型在钱塘江上进行试用，以进一步明确其在强风暴潮及恶劣赋存环境下的工作性态.

[1] 林继镛,王光纶.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[2] 吴持恭.水力学[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3] 李志勤,李 洪,李 嘉,等.溢流丁坝附近自由水面的实验研究与数值模拟[J].水利学报,2003(8):53-57.

[4] 李 涛,何承桂,沈健民.随工程进展的海堤沉降优性组合预测研究[J].浙江水利水电学院学报,2011,23(2):59-61.

[5] 秦 鹏,秦植海.压实填土随浸水时间增长强度降低规律研究[J].浙江水利水电学院学报,2010,22(2):61-64.

[6] 李国斌,韩 信.天然河道淹没丁坝群水深平均平面二维数学模型研究[J].水动力学研究与进展,2001,16(2):230-237.

[7] 李 洪.丁坝水力学特性研究[D].成都:四川大学,2003.

[8] 曹晓萌.丁坝群作用尺度理论及累积效应机理研究[D].杭州：浙江大学,2014.

[9] 秦 鹏，秦焕瀛，王英华，等.导流板式丁字坝:中国,ZL 201420539731.9[P].2015-01-28.

[10] 秦 鹏，秦植海，舒海港，等.水流冲刷作用力测量装置:中国,ZL201520762839.9[P].2016-02-17.

DesignofSpecialT-damwithNewDeflectors

QIN Peng,SHU Hai-gang,QIN Zhi-hai,XIA Ri-feng,ZHANG Heng-jv,LUO Qian-yi

(College of Hydraulic and Environmental Engineering,Zhejiang University of Water Resources and Electric Power,Hangzhou 310018,China)

T-dam is an important dam structure used for hydraulic energy dissipation. Towards the shortcomings of traditional T-dam including single function and poor effect of energy dissipation,this study improved the core functionality of the traditional T-dam and proposed a new T-dam type by adding the installation of dam deflectors,and the new dam was then tested through indoor hydraulic experiments. Results show that the proposed new dam has strong hydraulic conductivity and energy dissipation. This paper provides a new idea for protecting the structural stability of the dike.

deflector; T-dam; energy dissipation; hydraulic test

2016-05-18

2015年度浙江省水利厅科研项目(RC1534、RC1548)；2015年度浙江省新苗人才计划项目(2015R434004、2015R434005)；2016年度浙江省新苗人才计划项目(2016R434010)；2015年度浙江水利水电学院大学生创新项目(20150525011)

秦 鹏(1984-)，男，河北沧州人，硕士，讲师，主要研究方向为水工结构工程.

TV64

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1008-536X(2016)10-0021-03