黄河宁夏青石河段丁坝间距研究

张林忠 刘燕 万强 董其华

摘要：通过对丁坝防护弯道的效果分析，认为丁坝间距不仅会影响坝头的局部冲刷深度，而且会影响丁坝防护弯道的效果。据此，借助模型试验及理论研究成果，分析不同工程边界条件下施工期流量、整治流量及20a一遇设防流量下的水流流态、局部冲刷和河势演变，并从丁坝间距与丁坝所在河段的位置有关的角度出发，分析了凹岸丁坝群的丁坝间距与丁坝坝长的关系。研究表明：1.1倍坝长丁坝间距和1.5倍坝长丁坝间距对水流流态、局部冲刷和河势演变的影响差别均较小，结合理论研究认为来流方向与坝迎水面的夹角为60°～75°的坝段，丁坝间距应优先采用1.1倍坝长;来流方向与坝迎水面的夹角为20°～30°的坝段，丁坝间距宜采用2.0～2.6倍坝长。

关键词：水流流态;控导效果;丁坝间距;青石河段;黄河

中图分类号：TV871;TV882.1 文献标志码：A

在宁夏二期防洪工程的设计中，其主要参数取值参考黄河下游河道整治工程的设计经验，而黄河下游的河型、水沙条件[1]及河床边界条件与宁夏段有较大差别，河道整治工程设计参数参照黄河下游确定是否合理，目前还缺乏必要的技术论证。因此，研究黄河宁夏青石（青铜峡至石嘴山）河段丁坝间距，对于提高黄河宁夏青石河段河道工程的适应性，确保防洪安全具有重要的意义。

1 丁坝间距试验

1.1 模型概况

邵家桥河段实体模型模拟范围为施家台工程一邵家桥工程一北崖工程，模拟河段长约12km。本次实体模型的设计参照黄河水利科学研究院多年来黄河动床模型设计的成功经验[2-3]，吸收近年来在动床模型试验方面的最新研究成果，考虑宁夏河段的水沙特点和具体情况，主要遵循水流和泥沙运动相似条件，邵家桥河段实体模型水平比尺为1：400，垂直比尺为1：60。

1.2 试验组次

本次实体模型试验具体组次安排见表1。

1.3 试验水沙条件

本次试验设计洪水有3种：20a一遇设防流量5620m³/s，整治流量2200m³/s，施工期流量1290m³/s。

本次试验20a一遇设防流量5620m³/s的洪水过程，按“64·7”型洪水过程进行概化。设计洪水石嘴山站最大洪峰流量为5380m³/s，仅将最大洪峰流量放大后，石嘴山站的洪峰流量将达到5620m³/so

石嘴山设计水沙过程为7月21日至8月11日，为了便于模型控制，试验对流量与含沙量过程进行了概化。水沙过程的概化是在保证水量、沙量相等的前提下进行的（设计及概化水沙过程见图1）。设计洪水石嘴山站水量及沙量分别为69.21亿m³和0.7亿t。

根据试验过程中的沙量情况，模型进口加沙池含沙量设定为600kg/m³，浑水流量采用孔口箱控制。

本次试验整治流量2200m³/s历时34d，施工期流量1290m³/s历时50d。

1.4 试验成果分析

1.4.1 水面流场变化

（1）坝田流场变化。当来流方向与丁坝轴线夹角为30°时，1.1倍坝长丁坝间距试验坝田回流位于坝田外侧，在首坝和2坝裹护段范围内，2坝裹护段范围内回流流速为0.36～0.69m/s（见图2）;1.5倍坝长丁坝间距试验坝田回流偏向于坝田内侧，2坝裹护段范围内回流流速为0.69～0.76m/s，部分回流已越过2坝裹护段（见图3），但回流仍未到达岸线。

（2）坝前流速变化。邵家桥工程为控导工程，包括6个人字垛和21个丁坝，1#～6#为人字垛、7#～27#为丁坝。试验过程中测量了不同丁坝间距试验时的坝头处流速，见图4、图5。可以看出，上段靠边溜的工程坝头流速慢，下段靠大溜的工程坝头流速较快，1.1倍坝长丁坝间距试验时施工流量、整治流量、20a一遇洪水流量下的坝头最大流速分别为1.38、2.03、2.75m/s，1.5倍坝长丁坝间距试验时施工流量、整治流量、20a一遇洪水流量下的坝头最大流速分别为1.32、1.97、2.65m/s。由于1.1倍坝长丁坝间距试验时后坝相对前坝壅水较低，因此1.1倍坝长丁坝间距试验时的坝头流速略大于1.5倍坝长丁坝间距试验时的坝头流速。

1.4.2 局部沖刷情况

邵家桥控导工程实际来流方向与丁坝迎水面夹角为30°～75°，其中：主流顶冲点附近（21#-22#坝）来流方向与丁坝迎水面夹角为60°左右，主流顶冲点以下（23#-27#坝）来流方向与丁坝迎水面夹角为300。图6、图7为靠水丁坝试验后的坝前冲淤深度。可以看出，在上段靠边溜的工程，坝前主要表现为淤积，1.1倍坝长丁坝间距试验时坝前最大淤积厚度为2.66m，1.5倍坝长丁坝间距试验时坝前最大淤积厚度为2.72m;在下段靠大溜的工程，坝前主要表现为冲刷，1.1倍坝长丁坝间距试验时坝前最大冲刷深度为11.20m，1.5倍坝长丁坝间距试验时坝前最大冲刷深度为10.41m。总体而言，由于1.1倍坝长丁坝间距试验时的坝头流速略大于1.5倍坝长丁坝间距试验时的坝头流速，因此1.1倍坝长丁坝间距试验时坝前冲刷深度相对较大。

1.4.3 河势演变情况

试验过程中，施工流量1290m³/s和整治流量2200m³/s条件下，河势变化较小，河势变化主要发生在邵家桥工程下首，受水流淘刷影响，邵家桥工程下首左岸滩地发生坍塌后退现象。20a一遇洪水条件下，邵家桥工程上游右岸滩地坍塌后退较为严重，邵家桥工程下首左岸滩地进一步坍塌后退，但坍塌幅度不大。试验过程中，邵家桥工程送溜至北崖工程位置较为稳定，北崖工程始终在10#坝以下靠溜（见图8、图9）。

总体而言，下挑角为30°和下挑角为20°丁坝布置情况下，河势调整趋势基本一致，邵家桥工程送溜至北崖工程位置变化不大。

2 丁坝间距理论研究

通过对丁坝防护弯道的效果分析，认为丁坝间距不仅会影响坝头的局部冲刷深度，而且会影响丁坝防护弯道的效果。

试验研究的是凹岸丁坝群的丁坝间距，其丁坝间距L与坝的有效长度l_p有关[4-5]（见图10），l_p采用丁坝实有长度l的2/3，即按照图10得出以下关系：式中：α₁为坝的方位角;α₂为来流方向与坝（垛）迎水面的夹角;α₃为来流方向与工程线的夹角;β为水流扩散角，据试验成果，β≈9.5°。

联解式（1）、式（2）、式（3）得

邵家桥工程方位角α₁采用20°～30°，利用式（4）计算得表2。由表2看出：①当坝的方位角不变时，水流方向与工程线的夹角愈大，坝的间距愈小，或L/l值愈小;②邵家桥工程实际来流方向与工程线的夹角α₃多在30°～45°之间，相应的L/l值为0.79～0.98。在一处整治工程的上段，。。变化范围大，为适应较大的α₃值，应采用较小的坝间距。经过弯道的调整，使工程下段α₃值变小，坝间距可适当放大。

3 丁坝间距选择建议

（1）试验表明，1.1倍坝长丁坝间距和1.5倍坝长丁坝间距相比，两者对水流流态、局部冲刷和河勢演变的影响差别较小。

（2）来流方向与坝迎水面的夹角为60°～75°的坝段（工程中上段），丁坝间距优先采用1.1倍坝长。

（3）来流方向与坝迎水面的夹角为20°～30°的坝段（工程下段），丁坝间距宜采用2.0～2.6倍坝长。

参考文献：

[1]胡春宏.黄河水沙变化与下游河道改造[J].水利水电技术，2015，46（6）：10-15.

[2]张红武，江恩、惠，陈书奎，等.黄河花园口至东坝头河道整治模型试验研究[M].郑州：黄河水利出版社，2001：4-13.

[3]屈孟浩.黄河动床模型试验理论和方法[M].郑州：黄河水利出版社，2005：207-209.

[4]刘燕，江恩惠，曹永涛，等.浅析合适的丁坝间距[C]//中国海洋工程学会.第十二届中国海岸工程学术讨论会论文集.北京：海洋出版社，2005：292-295.

[5]胡一三.中国江河防洪丛书·黄河卷[M].北京：中国水利水电出版社，1996：353-355.