强涌潮河段丁坝附近河床演变试验研究.pdf

理论研究水利技术监督 年第 期:/强涌潮河段丁坝附近河床演变试验研究严 斌 林一楠(浙江省钱塘江管理局勘测设计院 浙江 杭州 浙江省水利河口研究院 浙江 杭州)摘要:丁坝附近水流结构复杂 易引起河床的局部冲淤变化 现有的研究多基于单向流 对于涌潮河段丁坝附近河床演变的研究较少 文章基于钱塘江尖山段海塘丁坝工程建立了物理模型 通过试验研究丁坝附近局部河床演变规律 结果表明 强涌潮河段丁坝冲刷坑在冲刷初期冲刷坑深度发展很快 中期冲刷坑深度增加缓慢 平面尺度扩大迅速 后期冲刷坑趋于稳定 冲刷坑的深度和面积变化较小 当丁坝淹没于水面以下时 在坝身上游桩前局部区域均形成一定冲刷 冲刷区域沿坝体呈条带状关键词:丁坝 局部冲刷 物理模型 整治建筑物中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:严 斌(年)男 高级工程师:概述现代航道整治工程在采取工程措施时 常常采用修建丁坝等整治建筑物的方式来束窄河流 束窄后的水流流速增加 携沙能力增加 进一步冲刷航槽 同时丁坝修建后还可以很好的维护河相 达到保护河岸、改善生态与河流流态、改善通航条件等目的丁坝在修建完成后 由于其对水流的阻挡与约束作用 丁坝附近的水流流态会产生剧烈的变化同时丁坝坝根附近产生的漩涡使水体的紊动性进一步增强 因此 强烈的水体运动会使丁坝的坝基以及附近区域的泥沙起动并形成冲刷坑 冲刷作用强烈 会逐渐侵蚀基础部分 破坏了丁坝的整体稳定性 由水流运动在丁坝附近产生的冲刷主要有普通冲刷和局部冲刷两种类型 坝体水毁的因素错综复杂 其中最主要的是局部冲刷的破坏作用目前针对丁坝局部冲刷的相关研究主要集中于坝头部分 并且大多数采用数值模拟与公式理论结合的方式对坝头部分冲刷的机理与现象进行研究加以总结得到冲刷坑发展规律以及影响因素 潘学峰等通过建立平面二维变水深数学模型的方式对丁坝坝头局部冲刷研究 模拟丁坝绕流得到坝头处产生的较大涡量导致了冲刷坑的出现 张新周等针对感潮河段的丁坝的研究得到往复流条件下的丁坝局部冲刷相较于单向流更加强烈 赵晓东等则是创新性地提出正态系列模型延伸法对长江口丁坝进行冲刷研究 得到冲刷坑形成的位置与形态受水流特性和河沙性质的共同作用 吴学文等针对非均匀河床建立了丁坝局部冲刷公式 其中冲刷坑深度公式较为全面的涵盖了水沙特性、工程几何特性等直接作用于丁坝局部冲刷的因素 为理论研究提供了参考与借鉴 而张秀芳、喻涛等指出在非恒定流的情况下坝体水毁与冲刷坑的形成主要受汛期突增的洪峰流量控制 同时河床变形、坝头螺旋流以及主流在此过程中共同作用 并且与恒定流相比 非恒定流条件下冲刷坑的范围并不是随时间呈现扩大的趋势 黄志才等针对丁坝局部冲刷深度这一参数综合考虑丁坝几何要素与非均匀沙建立了计算公式 为丁坝施工的基础填埋深度提供参考 由于坝头区域流场过于复杂 所以目前对于丁坝局部冲刷机理仍未形成一个完整统一的认知钱塘江河口是典型的强潮性河口 水文条件极为复杂 受潮流控制的同时还伴随着涌潮现象 水流的动力较足且强度较大 所以在此修建丁坝等整治建筑物时要充分考虑其复杂的水流流态 着重研究其对丁坝基础的侵蚀以及局部冲刷作用 这 年第 期水利技术监督理论研究样一来可以预先评估丁坝的稳定与安全性并且可以采取工程措施来减小局部冲刷对丁坝的不利影响本文针对钱塘江航道整治工程在尖山段海塘修建的丁坝 采取物理模型的方式进行试验研究 旨在通过试验得出对实际工程具有参考意义与实用价值的丁坝局部冲刷结果 从而达到预测整治工程完工后可能出现的丁坝不利冲刷情况的目的 同时为工程加固与防冲措施的实行提供参考 水槽物理模型建立 相似准则及比尺本次试验以海宁市钱塘江尖山段为研究对象研究强涌潮作用下丁坝附近的河床演变特性 水槽模型主要模拟丁坝局部冲刷坑深度及形态 模型须按正态设计 即平面比尺和垂直比尺一致 试验在长 宽 水槽中进行 综合考虑模型沙的选择、丁坝尺寸以及试验场地等情况 确定模型按 正态模型设计 模型水流满足以下相似条件主要比尺见表 表 丁坝局部冲刷水槽模型比尺比尺名称比尺关系计算值选用值几何比尺流速比尺/水流时间比尺/泥沙起动相似比尺 选沙根据水文地质资料 工程河段底沙粒径在 之间 起动流速 /(水深)用泥沙起动公式及比尺换算 经比选采用 水深起动流速 /的中值粒径 木粉作为模型沙较为合适 对于较深处的淤泥质黏土层采用 木粉模拟 原型沙和模型沙的水下休止角分别为 和 也可保证丁坝冲刷坑形态和范围相似性较好 模型控制系统模型采用水泵群变频调速控制生潮系统 系统由两台总线工控机利用积分分离的 算法 按要求的边界潮汐过程线控制 套变频器 通过 台水泵向模型提供潮汐水流 组成一闭环控制回路同时 实现生潮系统的工作协调、参数处理、工况显示、打印记录、人机对话等 经多年的实践 该系统重复性好 控制精度较高 物理模型验证本次试验采用验证丁坝冲刷坑的方式进行模型合理性验证 丁坝冲刷坑形态采用 年 月洪水前后尖山 坝地形进行验证 验证时按实测流速及水位过程控制试验水流 在试验过程中实时监测丁坝附近地形高程 当丁坝附近的冲刷幅度基本与实测情况接近时 即停止试验根据试验中的高程监测 在洪水初期丁坝坝头冲刷深度迅速降低 随后丁坝冲刷坑高程逐渐稳定 停止试验时丁坝最深点高程已经接近冲淤平衡状态 根据试验时长和实际洪水时长 丁坝的河床冲淤时间比尺约为 按照工程经验 丁坝冲刷试验的冲淤时间比尺大致为水流时间比尺的 倍 因此试验的冲淤时间比尺是基本合理的 试验冲刷坑形态和实测丁坝附近冲刷坑形态如图所图 冲刷坑验证理论研究水利技术监督 年第 期示 从冲淤平面分布上看 试验结果与实测情况基本吻合 见表 坝头最深点冲刷幅度和最深点到坝头距离相近 因此该模型可用于新建丁坝局部冲刷试验表 丁坝冲刷验证单位:项目实测验证试验误差坝头冲刷幅度 最深点到坝头距离 模拟区域及试验布置 模拟区域与丁坝布置方案本次试验模拟区域位于海宁市钱塘江尖山段如图 所示 采用西顺堤新建 座丁坝 西南顺堤新建 座的丁坝建设方案 探究新建丁坝的局部冲刷情况图 模拟区位图 模拟水力条件工程区域塘前最低冲刷高程主要受洪水控制主槽在洪水作用下贴岸后又增强了塘前的涌潮作用 据数学模型计算工程区 年一遇设计涌潮高度可达 因此试验采用数学模型提供的洪水流速、水位过程做洪水冲刷试验再叠加 个设计涌潮过程模拟洪水期后遭遇涌潮的情况 模拟试验布置试验中西顺堤丁坝坝头至大方脚距离 坝根高程为 丁坝根部按照现状堤前抛石坡度铺设块石 块石直径根据现场踏勘情况和几何比尺等比缩放 采用直径为 的碎石 概化后试验断面布置如图 所示丁坝试验区域为动床段 动床范围长 宽 试验动床区域上下游有定床衔接段 均按照设计断面布置堤防及滩地形态 试验前初始动床地形按照历年堤前 实测最低高程 铺设图 丁坝概化试验断面 试验结果 丁坝冲刷坑发展结合试验过程监测和试验现象观测 丁坝冲刷坑的变化主要可分为 个阶段:冲刷初期冲刷坑深度发展很快 但平面尺度不大 主要表现为丁坝冲刷坑深度的增加 但冲刷局限于坝头近区 中期冲刷坑已经具有一定深度 因此深度增加缓慢 平面尺度扩大迅速 后期冲刷坑趋于稳定 冲刷坑的深度和面积变化较小 丁坝冲刷初期在局部冲刷初期坝头附近床面泥沙大量起动随水流往下游挟运 在坝头局部水流作用下 坝头处床沙被大量带起 此阶段水深较浅 是坝头冲刷坑深度迅速增大的阶段 丁坝冲刷中期随着坝头冲刷量逐渐增加 坝头水深增大 水流有一定程度的减弱 因此坝头床沙的冲刷速率有所减小 经过初期的冲刷 丁坝头部局部较深 而外侧江道河床较高 冲刷坑与外侧江道地形的衔接段坡度远大于泥沙水下休止角 因此衔接段的泥沙在重力作用下向冲刷坑底部滑落 滑落至冲刷坑底部附近又被水流冲刷带走 在这个阶段 冲刷坑附近的泥沙处于不断滑落 冲刷的过程中 冲刷坑底部由于有外侧泥沙源源不断的补充 因此冲刷深度发展缓慢 丁坝冲刷末期该阶段丁坝冲刷坑和冲刷范围均达到稳定状态 冲刷坑坡度较缓 坡上的泥沙不再向冲坑底部滑落 坝头冲刷已经达到平衡状态 坝头冲刷坑形态各洪水条件下丁坝冲刷坑形态基本类似 坝头冲刷坑表现为流速越大冲刷深度越大 洪水冲刷后丁坝冲刷形态及冲刷值如图 所示 在丁坝挑流作用下坝田区域水流被挑向外侧江道 在丁坝头部水流流速大、紊动强 因此形成冲刷坑 冲刷坑沿水流方向向下游延伸 冲刷坑顺水流方向长度约、横向宽度约 洪水冲刷后经历涌潮 丁坝头部冲刷坑有沿涌潮方向向上游扩展的趋势 年第 期水利技术监督理论研究由于丁坝为桩式丁坝 迎流面为垂直结构 洪水条件下上游来水与丁坝相互作用后一部分水体转而向下形成下潜流 对坝头迎流面河床形成剧烈掏刷 下潜流掀起泥沙后经坝头外侧向下游输沙 因此丁坝迎流面冲刷坑和丁坝外侧冲刷坑连为一体是丁坝附近冲刷最深的区域 受丁坝挑流而在坝头附近形成的压缩水流向下游流动过程中逐渐扩散对河床的冲刷作用逐渐减弱 从冲刷坑形态上表现为越向下游冲刷坑深度越浅图 丁坝坝头冲刷坑照片和冲刷值分布 冲刷坑最深点根据试验成果 丁坝头部冲刷坑最低高程主要受洪水影响 涌潮主要作用在低潮位附近 因此对冲刷坑底部影响较小 随涌潮而来的大量泥沙反而使坝头冲刷坑有所淤积丁坝冲刷坑最深点发展过程 如图 所示 洪水条件下冲刷坑深度随流速增大而加深 各工况条件下坝头冲刷高程随着流速增大 坝头冲刷高程从 加深至 符合丁坝冲刷深度变化的一般规律 冲刷坑最深点均出现在坝头附近 离坝头距离基本在 左右图 丁坝冲刷坑最深点发展过程 坝身和坝根冲刷洪水条件下丁坝淹没于水面以下时 水流与丁坝作用在上游侧形成下潜流 在坝身上游桩前局部区域均形成一定冲刷 冲刷区域沿坝体呈条带状 冲刷最深点高程 丁坝下游侧受丁坝回流以及越坝水流共同作用在坝田大部分区域不发生冲刷 但丁坝下游侧桩前仍有小幅冲刷 冲刷后高程在 左右涌潮试验采用潮前水位 涌潮高度 的设计涌潮进行 涌潮作用时下游侧水位显著壅高然后越过丁坝 对丁坝下游侧基本不造成冲刷因此下游侧冲刷高程仍为 对上游侧形成类似闸下跌流形式的冲刷 在丁坝桩前形成条带状冲刷槽 冲刷高程为 洪水、涌潮冲刷后试验照片如图 所示图 丁坝上下游冲刷条带 结语强涌潮河段丁坝冲刷坑的变化主要可分为 个阶段:冲刷初期冲刷坑深度发展很快 但平面尺度不大 主要表现为丁坝冲刷坑深度的增加 但冲刷局限于坝头近区 中期冲刷坑已经具有一定深度因此深度增加缓慢 平面尺度扩大迅速 后期冲刷坑趋于稳定 冲刷坑的深度和面积变化较小 洪水理论研究水利技术监督 年第 期条件下冲刷坑深度随流速增大而加深 坝头冲刷高程随着流速增大 符合丁坝冲刷深度变化的一般规律 洪水条件下丁坝淹没于水面以下时 在坝身上游桩前局部区域均形成一定冲刷 冲刷区域沿坝体呈条带状 该试验结果可为丁坝的防护提供参考参考文献 陈怡君 江凌.长江中下游航道工程建设及整治效果评价.水运工程():.李大勇 董增川 毕可心.基于模拟 优化的河道水流模型参数动态反演研究.水利规划与设计():.钟亮 王振志 王舒 等.非淹没复式断面丁坝区的流速分布规律.长江科学院院报 ():.吴腾 徐金环 陶桂兰 等.贺江下游航道优化开发等级研究.水运工程():.蔡喆伟 夏云峰 徐华 等.深水航道整治中新型结构淹没丁坝水流力特性研究.水利水运工程学报():.雷亚 刘杰.基于 的丁坝回流区数值模拟.水利科技与经济 ():.武永新 王建家 苑希民.丁坝工程冲刷与防护措施研究综述.自然灾害学报 ():.潘军峰 冯民权 郑邦民 等.丁坝绕流及局部冲刷坑二维数值模拟.四川大学学报(工程科学版)():.张新周 窦希萍 王向明 等.感潮河段丁坝局部冲刷三维数值模拟.水科学进展 ():.赵晓冬 吴丽华 陈志昌 等.河口整治工程建筑物局部冲刷试验研究.海洋工程():.吴学文 詹义正.非均匀河床上的丁坝局部冲刷问题.江西水利科技():.张秀芳.非恒定流作用下丁坝水毁试验研究.重庆交通大学.喻涛 王平义 陈里 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