【摘要】采用定床試驗(yàn)和動(dòng)床試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了青草沙水庫(kù)北堤保灘丁壩群壩頭區(qū)沖刷特性，分析了軟體排對(duì)丁壩壩頭區(qū)的防沖刷效果。結(jié)果表明，青草沙水庫(kù)北堤丁壩壩頭近區(qū)局部流速較大，極易造成壩頭局部沖坑深度較大則不利于壩頭穩(wěn)定；通過(guò)在壩頭區(qū)設(shè)置軟體排可起到保護(hù)丁壩壩頭，使得壩頭區(qū)域有效避免沖刷破壞影響。

【關(guān)鍵詞】青草沙水庫(kù)；丁壩群；定床試驗(yàn)；動(dòng)床試驗(yàn)；護(hù)岸保灘

丁壩是一種常見(jiàn)的河道整治水工建筑物，起到護(hù)岸保灘、積淤造岸以及提高主流區(qū)通航能力等作用。由于丁壩壩頭復(fù)雜的水流易引起局部沖刷影響，丁壩沖刷特性一直備受廣泛關(guān)注，而為了保護(hù)河床，防止丁壩沖刷，目前普遍采用護(hù)底措施。青草沙水庫(kù)位于長(zhǎng)江口長(zhǎng)興島西北側(cè)水域，鑒于水庫(kù)工程河段河勢(shì)變化的復(fù)雜性，在青草沙水庫(kù)北堤中上段布設(shè)斜坡式拋石堤結(jié)構(gòu)的丁壩群。為研究丁壩群的壩田區(qū)流態(tài)和壩頭區(qū)沖刷特性，分析軟體排對(duì)丁壩壩頭及壩田區(qū)防沖刷的效果，針對(duì)青草沙水庫(kù)北堤中上段布設(shè)的丁壩群開(kāi)展局部定床和動(dòng)床模型試驗(yàn)研究。

1、模型設(shè)計(jì)

丁壩群物理模型如圖1所示，其中包含1#～4#丁壩，其中測(cè)量段長(zhǎng)1800m，寬度為600m。模型線性比尺λL=50，流速比尺λu=7.07，潮流運(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺λυ=7.07，糙率相似比尺λn=1.92；動(dòng)床試驗(yàn)潮流作用泥沙起動(dòng)流速比尺λuc=7.07，試驗(yàn)所用木屑模型沙的中值粒徑為0.45mm，容重為1.15t/m3。

圖1 物理模型

2、試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

2.1 定床試驗(yàn)

選擇落急、漲急兩個(gè)工況開(kāi)展本文的研究工作，試驗(yàn)工況參見(jiàn)表1。

圖2和圖3分別給出了兩工況下，設(shè)置丁壩群前后近岸區(qū)水流流動(dòng)的垂線平均流速分布情況。對(duì)于工況1，未設(shè)置丁壩群時(shí)近岸區(qū)流速總體上呈逐步緩慢減小分布，最小流速約為0.50m/s；而設(shè)置丁壩群后，近岸區(qū)流速迅速減小，壩田內(nèi)回流區(qū)的平均流速約為0.40m/s。對(duì)于工況2，在未設(shè)置丁壩群時(shí)，最小流速約為0.55m/s；而設(shè)置丁壩群后，壩田內(nèi)回流區(qū)平均流速約為0.30m/s。

由張瑞瑾公式，工況1和工況2壩頭近區(qū)的泥沙起動(dòng)流速分別為0.74m/s和0.79m/s。圖4、5給出了兩工況下2#和3#丁壩壩頭近區(qū)流速分布情況。由圖4和5可知，各工況下的壩頭近區(qū)最大流速均大于起動(dòng)流速，且在丁壩下游皆出現(xiàn)了流速范圍為0.2～0.4m/s的回流區(qū)；對(duì)于工況1，2#丁壩壩頭近區(qū)最大流速高達(dá)1.3m/s，接近泥沙起動(dòng)流速的2倍，壩頭極易出現(xiàn)較嚴(yán)重的局部沖刷現(xiàn)象；對(duì)于工況2，壩頭最大流速位于2#丁壩，大小為1.0m/s，同樣也遠(yuǎn)大于泥沙起動(dòng)流速。雖然丁壩對(duì)減小壩田區(qū)流速有很好的促進(jìn)作用，但同時(shí)也對(duì)水流造成了擠壓，增大了壩頭近區(qū)的局部流速，造成局部沖刷而極易破壞壩頭結(jié)構(gòu)，不利于丁壩的穩(wěn)定，因此有必要對(duì)丁壩設(shè)置一定的防沖刷措施。

2.2 動(dòng)床試驗(yàn)

為保護(hù)青草沙水庫(kù)北堤丁壩群，下面分析軟體排對(duì)丁壩壩頭的防沖刷效果。為方便對(duì)比分析，在2#丁壩壩頭區(qū)鋪設(shè)軟體排，而3#丁壩不鋪設(shè)軟體排。圖6所示的是兩丁壩壩頭區(qū)泥沙沖淤形態(tài)圖，從圖中可以看出，未設(shè)置軟體排的3#丁壩的壩頭局部沖刷嚴(yán)重，出現(xiàn)較長(zhǎng)的沖刷坑帶，局部最大沖深可達(dá)7m；而鋪設(shè)軟體排的2#丁壩壩頭局部沖刷較輕，最大沖坑深度為1.5m；沖刷坑位置也由壩頭近區(qū)轉(zhuǎn)移到軟體排邊緣。顯然，鋪設(shè)軟體排能夠大幅度減弱沖刷，有利于丁壩壩頭的穩(wěn)定。

3、結(jié)論

采用定床試驗(yàn)和動(dòng)床試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了青草沙水庫(kù)北堤保灘丁壩群壩頭的水力流態(tài)和沖刷特性，并對(duì)比分析了軟體排對(duì)壩頭的防沖刷效果。研究發(fā)現(xiàn)，丁壩群能有效降低近岸區(qū)水流流速，有利于青草沙水庫(kù)北堤灘地的防護(hù)；丁壩會(huì)對(duì)水流擠壓造成壩頭近區(qū)局部流速變大，使得壩頭存在顯著的局部沖刷；設(shè)置軟體排能夠有效避免青草沙水庫(kù)北堤保灘丁壩群壩頭沖刷破壞影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓曾萃， 金慕光. 丁壩群在杭州灣北岸海鹽段的護(hù)岸保灘作用[J]. 浙江水利水電專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)， 2000， （1）： 11-14.

[2]張立， 孫忠克， 徐東坡. 丁壩局部沖刷坑形態(tài)演變及沖刷平衡臨界條件[J]. 水利學(xué)報(bào)， 2017， 48（5）： 545-550.

[3]丁晶晶， 陸彥， 陸永軍. 臺(tái)階式丁壩水動(dòng)力特性及防沖效應(yīng)[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)， 2014（5）： 67-74.

[4]張秀芳， 王平義， 王偉峰， 等. 軟體排護(hù)灘帶的護(hù)灘效果研究[J]. 水運(yùn)工程， 2010， 448（12）： 98-103.

[5]張瑞瑾. 河流泥沙動(dòng)力學(xué)（第二版）[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社， 1998：69-70.