公路防护工程新型丁坝防治性能试验研究

罗文功 魏学利 陈宝成

摘要：为探讨新型丁坝在实际护岸工程中的防治性能，文章通過水工试验对公路防护工程丁坝结构进行研究，对围堰式丁坝、垂直丁坝和垂直基础式丁坝三种新型丁坝类型与常规丁坝进行冲刷现象、局部冲刷深度和水槽断面流速等值线分布对照分析。结果显示：新型丁坝由于自身结构特点，在水流防冲刷、挑流和工程经济性方面有着一定的优势;当实际公路工程水流冲刷环境较为极端时，可因地制宜采用新型丁坝结构进行防护，保障公路路基安全稳定。

公路水毁;丁坝;水工试验;冲刷深度;防治措施

0 引言

公路工程建设于河谷流域时，易受到河流影响，沿河工程修筑时常增加必要的防护工程，防止河流弯道处水流直接冲刷公路路基边坡，造成水毁灾害[1-4]。防护工程中的丁坝结构具有挑流、拦挡和防冲特性，可改变水流运动状态，具有良好的防护性能，常被运用在水流冲刷较为严重的沿河防护工程中[5-10]。

近些年以来，国内专家学者对于丁坝的研究较为丰富，随着计算机技术和试验技术的发展，丁坝研究内容更为全面。顾杰等[5]通过水工试验研究了丁坝结构对弯道水流特性的影响，发现坝后回流区与丁坝顶宽和丁坝距弯道距离相关，当丁坝坝宽较小或距弯道较近时，回流区长度越长。郑宇华等[9]采用超声水位和PIV流速测量技术，对不同水力坡度下非淹没丁坝近区的水流结构进行了试验研究，发现丁坝在不同水力坡度下调整水流结构的机理。魏文礼等[11]通过Fluent软件模拟60°弯道丁坝水流冲刷现象，发现T型丁坝在调整水面横比降、减小坝后回流区长度、改善弯道水流流态等方面较直丁坝有明显优势。陈晓燕等[12]通过运用MATLAB软件进行数值分析，拟合得出与实验丁坝坝头曲面符合度很高的二次曲面函数，应用此函数建立的数值模拟实验地形结构与原物理实验结构符合良好，有效提高了不同地形下丁坝建模模拟精度。当前研究多针对常规丁坝结构的冲刷情况和挑流性能，而对于新型丁坝结构的研究较少，故本文针对创新型围堰式丁坝、垂直丁坝和垂直基础式丁坝开展水工试验，研究新型丁坝的结构性能和适用性。

1 水工试验

1.1 试验模型及试验工况

通过弯道水槽进行丁坝模型冲刷试验，对比不同常规丁坝和新型丁坝的冲刷现象和冲刷结果，研究新型丁坝的防治特性和防治效果。[JP1]试验主体结构主要包括：混凝土水槽、流速可控水流、水槽闸门、丁坝模型等。试验仪器包括：LS300-A流速仪、直尺、测深仪等。

水工试验模型参数如下：水槽长1=1.2=1，（1.2为60°转角弯道长度），底宽60cm，槽深40cm;常规丁坝模型长度为15cm，顶宽5cm，坝高35cm;围堰式丁坝长度为15cm，顶宽5cm，坝高35cm，坝身围堰顶宽7.5cm，围堰高度为8cm;垂直丁坝长25cm，顶宽（底宽）5cm，高度为35cm;垂直基础式丁坝长15cm，顶宽5cm，坝高35cm，垂直基础高15cm。丁坝模型由铝塑板材料制成，丁坝设置于弯道最不利位置。水槽平面布置见图1，丁坝模型尺寸设计见图2，试验工况见表1。

2 试验现象和试验结果分析

2.1 试验冲淤现象分析

试验结束后，对每组试验进行现象记录，选取同一流速量级典型冲淤现象进行对照，如图3所示。

从图3中可以看出，丁坝结构侧冲刷强烈，坝头处均会形成冲刷坑现象，坝后出现一定距离回流区淤积，表现出了丁坝冲刷的共性。图3（a）为常规丁坝冲刷试验现象，坝头冲刷坑较为明显，丁坝基础出露，水流冲刷作用较为强烈;图3（b）为创新性围堰式丁坝模型试验现象，围堰顶部冲刷出露，基础未出露，有效防护了丁坝自身基础;图3（c）为垂直丁坝试验现象，试验中挑流作用明显，试验后坝身处椭圆状冲刷坑明显，坝后淤积;图3（d）为垂直基础式丁坝试验现象，试验中水流波动较大，试验后坝前冲刷深度大，坝后有明显的淤积。

通过各组试验对照发现，新型丁坝与常规丁坝具备相同的防冲挑流作用，但新型丁坝同时还具备一些特殊的防冲性能。其中，围堰式丁坝的深基础围堰可有效防治水流淘蚀丁坝基础，增大丁坝整体稳定性;垂直丁坝常作为挑流丁坝出现，挑流作用明显，坝身垂直可有效节省工程开支，垂直丁坝的基础淘蚀较为强烈，常采用深基础形式;垂直基础式丁坝为垂直形式，避免了丁坝坝身放坡太长，适合水位较深河段，防冲性能与常规丁坝相似，但在一定程度上便于施工和工程开支调整。

2.2 断面流速等值线分布分析

试验过程中采用流速仪对各组试验横断面流速进行量测，采集预先设定的5×5点阵处流速值（如下页图4所示），并最终得到多组试验断面流速等值线分布情况（如下页图5所示）。

从图5中发现，丁坝防护工程中坝前断面水流速均表现为流速左侧低、右侧高的分布现象，即坝身前水流受到丁坝阻碍作用，流速降低。由于丁坝压缩水槽断面，水流从远丁坝处流出，形成文丘里管效应，远丁坝处流速增大，出现断面最大流速，坝头冲刷强烈。

对比发现，常规丁坝冲刷试验和新型丁坝冲刷试验断面流速等值线分布相似，均表现为左侧流速低、右侧流速高的流速偏移现象。对比常规丁坝，新型丁坝唯一的不同是：围堰式丁坝由于深基础围堰的阻水作用，导致坝身前流速下降明显、流速等值线密集;垂直丁坝由于坝身较长，水槽断面压缩较大，导致断面仅右侧端部部分流速较大，坝头冲刷较为强烈;垂直基础式丁坝与常规丁坝相似，形成稳定的流速偏移。

2.3 局部冲刷深度分析

表2为各组试验冲刷结果参数，图6为四种模型试验冲刷结果折线图。从图表中可以看出，在试验30min内各组试验节点流速变化值和最终冲刷深度稳定值大小。

根据表2，整理得出各组试验0～10min、10～20min和20～30min冲刷差值和完成比，绘制关系图如图7所示。

通过图6中的冲刷深度折线图发现，丁坝冲刷深度在30min冲刷时间内均趋近于最大泥沙铺设深度10cm，冲刷效果相似。从图7中发现，常规丁坝和新型丁坝局部冲刷深度满足前期增速快、后期增速慢的趋势，最终在30min趋于稳定。例如：围堰式丁坝冲刷试验0～10min局部冲刷深度差值为6.5cm，10～20min冲刷差值为1.5cm，20～30min冲刷差值为0.9cm;围堰式丁坝试验0～10min冲刷深度完成比占冲刷稳定值的73%，10～20min冲刷深度完成比占冲刷稳定值的17%，20～30min冲刷深度完成比占冲刷稳定值的10%。

新型丁坝防护结构与常规丁坝局部冲刷深度的稳定值和变化趋势总体上相似，局部不同成因可能是试验局部误差造成的，故新型丁坝和常规丁坝局部冲刷规律和冲刷稳定值相类似。

3 结语

本研究对常规丁坝和新型丁坝同时进行了多组水工试验，总体上常规丁坝试验与新型丁坝试验相类似，但新型丁坝具备一些独特的防治特性。通过试验现象、流速等值线分布和局部冲刷深度对照分析发现：

（1）对照试验现象发现，围堰式丁坝的基础防冲刷性能较好;垂直丁坝挑流防冲作用明显;竖墙基础式丁坝冲刷现象与常规丁坝相类似，但具有较好的工程经济性。

（2）对照分析流速等值线分布图，发现围堰式丁坝基础下部阻水作用明显，坝身前流速下降、流速等值线较为密集;垂直丁坝坝身较长，断面压缩作用使远丁坝侧流速增大;垂直基础式丁坝流速等值线与常规丁坝相似，均表现为断面左侧流速低，右侧流速高。

（3）对照分析局部冲刷深度显示，常规丁坝和新型丁坝局部冲刷深度稳定值和冲刷规律相似，符合实际防护工程中丁坝一般冲刷特征和规律。

综上，新型丁坝具备一定的防护特性，防冲刷和挑流能力明顯优于常规丁坝，可应用于流速大、冲刷强烈的河段，可在后续实地防护工程中进行推广。

参考文献：

[1]赵文丁.吉林省东部山区公路水毁调查及防治[J].路基工程，2012（6）：38-41.

[2]陈洪凯，唐红梅.四川境内公路水毁的基本特征及防治问题探讨[J].重庆交通学院学报，1994（S1）：103-107.

[3]靳海艳.浅谈公路水毁防治[J].市政技术，2014，32（S1）：10-12，16.

[4]肖星义.西部地区公路水毁状况与防治对策[J].山西建筑，2008（29）：291-292.

[5]顾 杰，李梦玲.丁坝对弯道水流特性影响的试验研究[J].水动力学研究与进展（A辑），2018，33（6）：786-793.

[6]魏文礼，陈晓朋，李 强，等.丁坝群对弯道水力特性影响的数值模拟研究[J].水资源与水工程学报，2019，30（3）：146-152.

[7]范雪梅，余 敏，王春华，等.阶梯型潜丁坝纵断面结构型式优化研究[J].中国水运（下半月），2019，19（6）：141-143.

[8]王福良，曹文明.不同坝高水深比对丁坝群冲刷深度的影响研究[J].珠江水运，2019（9）：105-106.

[9]郑宇华，郑 健，顾 杰，等.不同水力坡度对丁坝近区水流的影响[J].海洋科学，2019，43（3）：66-74.

[10]苏德慧.丁坝冲刷过程试验研究[J].水动力学研究与进展（A辑），1993（S1）：631-635.

[11]魏文礼，郭扬扬，张泽伟，等.60°弯道丁坝水流水力特性数值模拟研究[J].水力发电学报，2017，36（9）：91-99.

[12]陈晓燕，张小霞，张新华.MATLAB数值分析技术在丁坝建模中的应用[J].东北水利水电，2018，36（1）：54-57.