丁坝设计参数对河床冲淤量的影响规律研究

丁坝设计参数对河床冲淤量的影响规律研究

王振刘焕芳王燕燕

摘要:天然河道中修建丁坝后，丁坝附近的流速场会出现新的变化。流速变大的区域，局部冲刷加剧，危及丁坝自身的安全;流速减小的区域，泥沙在坝后沉积，形成淤积区，可起到保护下游河岸的作用。在总结前人研究成果的基础上，通过室内动床试验，利用Sufer 软件的体积计算功能，就丁坝设计参数的变化对河床的冲淤量影响规律进行了深入研究。结果表明:冲淤量均随坝长的增加而增加，但坝后淤积量增加幅度大于冲刷量增加幅度;相比正交丁坝，在其他条件不变时，随着挑角的减小，非正交丁坝的冲刷量和淤积量都有减小的趋势，且冲刷量的减小趋势远大于淤积量的减小趋势。

关键词:冲刷机理; 水流结构; 冲淤规律; 铅丝笼丁坝

中图法分类号: TV14 文献标志码: A

Study on influence law of groin design parameters on riverbed scouring and siltation

WANG Zhen，LIU Huanfang，WANG Yanyan

Abstract: Once a groin is built in the natural river，new changes of the flow velocity field around the groin may appear as follows: local scouring intensified in the zone of flow velocity increased，endangering the groin safety; while sediment deposited behind the dam in the zone of flow velocity decreased，forming a sedimentation area．On the basis of previous research achievements，and by using the volume calculation function of Sufer，the influence of groin design parameters on riverbed scouring and siltation was explored according to movable bed experiment．The study results show that the scouring and siltation increases as the length of groin increases while the increasing extent of siltation is greater than that of scouring．Moreover，under otherwise equal conditions，the scouring and siltation of orthogonal groin decrease with the reduction of bucket-slip angle，and the decreasing tendency of scouring is much greater than that of siltation．

Key words: scouring mechanism; flow structure; scouring and silting law;gabion groin

铅丝笼丁坝因具备造价低、施工快、可就地取材、生态环保等优点，在国内外河道整治工程中得到广泛的应用，但实际工程设计时往往严重依赖设计者的经验，设计难度大，不利于该类工程的推广［1-3］。因此，深入研究费省效宏的铅丝石笼丁坝工程，探讨其水力特性、冲淤机理等问题，可为丁坝的设计推广提供理论依据和参考。

笔者在前人研究的基础上，结合室内动床试验，分析铅丝笼透水丁坝局部冲淤特性，总结丁坝设置参数的改变对丁坝附近局部冲淤的影响规律。

1 试验概况

动床试验在10 m× 10 m × 0．5 m(长×宽×深)矩形水槽内进行，坡度为1 /5 000，综合糙率为0．178。在保证来流流量保持18 L /s 不变，佛汝德数Fr =0．400 1等条件不变的前提下，选取12，16，20，24，30cm(即缩窄比0．12，0．16，0．20，0．24，0．30) 五种坝长组合以及90°，75°，60°，45°，30°五种挑角组合，进行单因素试验，研究坝长、挑角变化对丁坝附近河床冲淤量变化的影响规律。模型河床床面均匀铺设约10 cm厚的河沙，河沙干容重为2．63 g /cm3，中值粒径为0．5mm。丁坝设在距水槽入口4 ～ 7 m 处;试验使用清水冲刷。

2 冲刷过程及冲刷机理分析

前人研究发现，水槽中放置铅丝笼丁坝后，丁坝附近的水流结构发生了改变，水流结构的改变势必打破原河床的冲淤平衡，促使河床再次冲刷和淤积，最终达到新的冲淤平衡。

通过试验观测发现，在局部冲刷初期，由于丁坝的作用，靠近丁坝侧上游的水面被壅高形成高压区，而坝头附近则为低压区，临近坝前的水流，除了靠近坝根处极少部分水流折向河岸形成坝前回流外，绝大部分水流沿坝面从高压区流向低压区形成横向流动，这股横向下切水流和纵向的主流相互叠加，形成高速螺旋涡流，下切的高速螺旋涡流首先冲刷坝头附近的床面，挟带泥沙，席卷着向下游流去，形成最初的坝头冲刷坑。随后，冲刷坑在坝上游迎水面横切水流的作用下沿坝面向坝根发展，产生沿坝面下切的流速，更加剧了横向的冲刷，最终沿坝面形成横向冲槽;同时，在高速螺旋涡流的作用下，冲刷坑也在纵向加深并沿纵向向下游延伸，冲刷坑内被卷起的泥沙呈螺旋上升向冲刷坑两边扩散，其中一部分被带到主流区，参与沿程冲刷，另一部分被输运到淤积体表面。同时，挟带到下游的泥沙在坝后流速减小区形成淤积，初期的淤积体呈狭长型。随着冲刷的加剧，更多的泥沙在坝后沉积，使坝下游淤积体逐渐向下延伸变宽。随着淤积体的加高，淤积体上面的水深减小，流速增大，促使淤积体表面沉积的泥沙向淤积体尾部扩散，使淤积体伸长，高程也逐渐被抬高。随着坝后淤积带的延伸变宽加高，淤积速度明显减缓，当漩涡的能量不足以将挟带的泥沙送上淤积高度的时候，坝后淤积结束。此时，冲刷坑内紊动流速仍大于泥沙起动流速的部分水流仍较为缓慢地增加冲刷坑的深度和宽度，直至冲淤平衡，最终形成如图1所示地形，它较直观地还原了冲淤稳定后的河床形态。

3 丁坝设计参数对河床冲淤的影响

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