基于要素影响的丁坝根石形态功能特点实验分析探究

李 明

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁 沈阳 110003)

对根石形态功能的认识和把握，对于建设优质安全的丁坝工程具有基础性技术意义。对根石形态特点的充分认识，是设计和建设优质丁坝根石结构必不可少的基本技术认识前提。本文参考丁坝工程案例，以实验室水槽模拟分析方式，对基于要素影响的丁坝根石形态功能特点开展专题分析探究，以为同类丁坝工程应用提供研究和技术参考，助力建设优质安全的丁坝工程。

1 实验水槽构造状态

参考案例为葫芦岛一处丁坝工程。研究旨在精准模拟、客观反映丁坝轴线与水流方向在60°工况下的冲刷效果，在本实验中，笔者根据实际情况对水槽(见图1)做出了一定调整，以最大限度地保证水流方向能满足实验需求。

图1 丁坝正态水工模型来流角度值60°实验水槽布设

在丁坝上游3.5m处测验水槽横截面(见图2)可看到，模型进口流动速率沿横截面均匀分布，能满足本实验需要。

图2 丁坝正态水工模型来流角度值60°实验水槽上游截面流动速率验证

2 有关参数和试验组次设计

本实验根石构造厚度均为4.2m，根石构造备塌体宽为6m，丁坝轴线与水流方向的夹角分别取为30°和60°，铅丝笼∶散抛石分别取 7∶3、8∶2 和 6∶4 三种工况。参考原型相应过流量设计模型控制单宽过流量(见表1)。为体现和揭示洪水后小水对根石造成的影响，在开展的实验中，以现场地形和丁坝根石为重点参考依据，基于60°的工况下进行作业，施放相应500m3/s的单宽过流量4.94m3/(s·m)。主要试验组次安排和参数见表1。

表1 丁坝水工实验主要试验组次安排

3 基于要素影响的根石形态特点实验分析

3.1 不同来流角度坝群根石特点

不同夹角的来流对丁坝根石的影响亦有所不同，基于不同来流夹角的根石坡度稳定性实验成果(表2)揭示，60°来流工况的稳定根石坡度比30°来流工况的稳定根石坡度相对缓很多。就不同来流夹角所需相对稳定的护根顶宽度而言，夹角60°的水流对根石的影响相对较小，实验中仅1号坝的上跨角根石出现了滑落坍塌问题，不像夹角30°的水流在实验中导致了多坝多毁点滑落坍塌。

表2 坝群上跨角根石平均深度、顶宽度、坡度

比对洪水及洪水后小过流量对丁坝根石形态造成的各种影响(见表3)，可见实验中在小水长期侵蚀下，根石形态并未发生明显改变，这表明小水不会对根石造成太大影响。根据现实具体情况，许多丁坝出险发生在洪水回落和小水低水位工况下，其原因是水位的急剧变化导致丁坝内土体渗流压力变化，使坝身内部出现失稳，呈现为外部根石的墩蛰。并不是水流冲刷导致根石失稳。此外，小水来流条件相对比较复杂，频繁变化的来流条件是导致根石小水失稳的重点原因。而这些要素，在本次实验中并不能够充分模拟及展现出来，所以实验中连续小水，并未导致根石形态出现明显演变。

表3 连续小过流量后坝群上跨角根石平均坡度、顶宽度、深度

3.2 不同根石材料比率

为获取到可靠、公正的实验结果，在本研究中，笔者专门针对不同材料比率的根石进行了三度(见表4～表6)测验，随着根石铅丝笼构成量的增加，丁坝不同位置的根石的深度拥有不太显著的提升态势。而且上跨角及迎水面前部的根石深度达到了最大值；坡度常数随着铅丝笼构成量的加增有一定降低态势(趋陡)，上跨角及迎水面前部的坡度相对比较缓和，滑落、坍塌的隐患也就非常小。

表4 1号坝不同位置根石平均深度 单位：m

表5 1号坝不同位置根石平均坡度常数

表6 1号坝不同位置根石平均护根顶宽度 单位：m

护根顶宽度已成为业界人士评估根石稳定状态的一个重点指标，因为根石台宽度2m，一旦护根顶宽度趋向或小于2m，护根就存在较大的滑塌风险。从实验数据可以看到，在铅丝笼构成量不断增多的情况下，护根顶宽度也会随之增大，因此上跨角及迎水面前部的护根顶宽度相对比较小。在铅丝笼与散石保持6∶4的工况下，上跨角无论是在来流夹角30°还是60°的条件下都出现了根石台格宾降沉，而在根石比率为7∶3时，基于60°来流工况下，虽然上跨角很窄小，但没有发生根石局部滑塌。这是因为根石铅丝笼构成量越高，根石构造的基础越坚实，根石流失的可能性就越小，就能避免滑塌问题出现，对应护根顶宽度越大，护根构造越稳定状态。

从图3～图4可以看到，基于单宽过流量16.24m3/(s·m)、来流夹角60°条件，当根石中铅丝笼构成量升高后，护根顶宽度也随之加增，根石的稳定状态显著增强。

图4 1号坝根石比率为7∶3时根石损坏情况

3.3 根石台顶高度

当根石比率为6∶4时，根石容易出现滑塌问题，而且这种问题常发于上跨角及迎水面。不仅如此，在比率为7∶3、8∶2这两种工况下，根石也存在部分下沉，但比6∶4比率根石稳定状态要好。可见，当根石中铅丝笼构成量升高，对应根石下沉量有一定降低，表明根石台高度趋向于稳定状态，根石的稳定状态显著增强(见图5)。

图5 不同根石比率根石台顶高度比对

3.4 根石稳定性坡度

在对不同条件下的1号坝(根石比率7∶3)的根石坡度进行实验分析后发现，模型实验数据中，相应整治过流量及施工过流量的根石坡度与相应部位的坡度很相近，但洪水冲刷后却使原坡度常数发生了明显改变，即坡度愈发平缓。

从测验统计来看(见表7)，水流与坝轴线夹角为30°时，坝前单宽过流量6.91m3/(s·m)丁坝根石稳定性坡度为1∶1.03～1∶1.32；坝前单宽过流量10.12m3/(s·m)丁坝根石稳定性坡度为1∶1.28～1∶1.52；坝前单宽过流量16.24m3/(s·m)丁坝根石稳定性坡度为1∶1.46～1∶1.55。水流与坝轴线夹角为60°时，坝前单宽过流量6.91m3/(s·m)丁坝根石稳定性坡度为1∶1.01～1∶1.46；坝前单宽过流量10.12m3/(s·m)丁坝根石稳定性坡度为1∶1.25～1∶1.53；坝前单宽过流量16.24m3/(s·m)丁坝根石稳定性坡度为1∶1.51～1∶1.77。在水流强度持续增大的情况下，根石稳定性坡度愈加平缓，表明坝前水流强度增加使根石充分塌落，根石构造坡度趋缓，利于状态稳定；因为60°来流条件导致丁坝前水流强度加大，所以其稳定性坡度大于30°工况；水流强度在丁坝迎流段及上跨角达到了最高值，根石稳定性坡度较缓，而在下跨角及临近丁坝根部的迎流段，根石稳定性坡度较陡。

表7 1号坝不同位置根石稳定性坡度统计(根石截面平均坡度)

3.5 根石走失

为全面了解并掌握丁坝护根走失量，笔者基于同一过流量级下对不同根石材料比率展开了实验研究，结果查明，铅丝笼比率与散抛石走失量呈显著反关联，即铅丝笼越高，散抛石的走失率就越低。其原因是较大比率的铅丝笼能够起到保护散抛石的作用(见表8)，对不同来流方向，在来流角度不断增大的情况下，坝前水流强度也会随之增大，根石走失量就会增多。相比30°工况，60°来流方向的根石走失量增加20%～23%。

表8 不 同 材 料 比 率 根 石 走 失 量[单宽过流量16.24m3/(s·m)]

由表8数据，根石总量达到了6950t。在正常施工的情况下，基于60°的来流方向、单宽过流量16.2m3/(s·m)、根石比率6∶4，1号坝根石上跨角和迎水面前段出现明显降沉(见图3)。在此情况下，根石走失总量达到了750t，其占比超过了10%。

3.6 根石滑塌及根石走失比率关系

参考实验中出现的根石滑塌组次，通过数据归纳与统计得到表9所列数据。

表9 根石滑塌组次根石滑塌与根石走失比率的关系

实验滑塌组次1，在计算根石走失量时，需全面考虑滑落后的铅丝笼，由于铅丝笼约是240t，则经一系列计算后得知根石走失总量约是307t，占比高达9%。实验滑塌组次2，也要将滑落的铅丝笼考虑其中，因为根石坡较大，铅丝笼出现较为严重的滚落，根石走失总量也就随之增多，达到了750t，占比为10.79%。通常丁坝发生根石滑塌的位置在上跨角坝前头及部分迎水面，其他位置的根石走失较少。参考实验结果可知，根石走失量占比在10%左右，护根构造将出现滑塌或者明显形变。

4 结 语

本研究以实验室水槽模拟分析的方式，对基于要素影响的丁坝根石形态功能特点开展专题分析探究。主要成果：实验验证小水不会对根石造成太大影响，频繁变化的来流条件是导致根石小水失稳的重要原因，当根石比率中铅丝笼构成量升高后，护根顶宽度也随之加增，根石的稳定状态显著增强；当根石中铅丝笼构成量升高时，对应根石下沉量有一定降低，表明根石台高度趋向于稳定状态，根石的稳定状态显著增强；来流60°条件导致丁坝前水流强度加大，所以其稳定性坡度大于30°工况，水流强度在丁坝迎流段及上跨角达到了最高值，根石稳定性坡度较缓，而在下跨角及临近丁坝根部的迎流段，根石稳定性坡度较陡；正常施工情况下，基于60°来流方向、单宽过流量16.2m3/(s·m)、根石比率6∶4，1号坝根石上跨角和迎水面前段出现明显沉降，在此情况下，根石走失总量达到了750t，其占比超过了10%；根石走失量占比在10%左右，护根构造将出现滑塌或者明显形变。