河床防冲工程模型试验的研究.pdfVIP

河床防冲工程模型试验研究 沈志刚 (上海交通大学工程力学系，上海2蚴) 摘要本文通过动床模型试验，讨论了不同水、沙条件下丁坝、潜坝以及河床局部展宽等河床防冲工程对 河睐形态及水、沙运动特性的影响，分析了不同防冲工程对减轻河床冲刷的作用．试验是在长24m、宽0．7m 的梯形动床水槽中进行的．试验中利用先进的量测设备测量了水位、流速、推移质输沙率以及河睐形态的 变化．试验结果表明，河床建筑物加大了河床阻力，与无建筑物时相比，河道水深增大，输沙能力有所降低， 河睐形态及水流结构更加复杂．试验表明，不同工程措施对河床的防冲效果不同．实验结果对生产应用有 一定的指导意义． 关t词模型试验；丁坝；潜坝；局部展宽；推移质输沙；河床形态 0引 言 天然河流是自然界不可分割的组成部分．在过去的上百年里，特别是20世纪以来，人们为了防洪、 航运、发电以及土地利用等众所周知的原因，对天然河道进行了大规模的治理，许多河道被裁弯取直，以 减小河床阻力，提高河道泄洪能力．由于这些治理措施偏离了天然河流的自然演变规律，对河道自然环 境及生态系统产生了一定的不良影响．同时，由于河道治理后河床比降加大，流速增加，河道原有的输沙 平衡受到破坏，部分河段河床发生冲刷【lJ．近年来，随着生态保护意识的提高，人们已开始采用结构上接 近于天然形态的工程措施，即所谓的自然化工程措施，对河道进行整治和维护，通过水深、河床形态及水 流结构的多样性以及两岸的植被和林带，使河流的生态环境及自然环境得以改善…i引． 用于防止河床冲刷的河道整治措施很多，在生产中常用的自然化固床工程措施有用天然石块堆 成的丁坝、潜坝等河床建筑物以及河道局部展宽等形式．这些河道整治工程必然引起相应的水、沙运 动特性以及河床形态的变化，如何预测这些工程措施对水沙运动要素的影响，一直是一个相当困难的 问题，至今尚无系统的研究成果【l-L 3_．利用动床水槽模型试验，本文探讨了丁坝、潜坝以及河床局部 展宽等几种常用的河道治理工程措施对河床形态、水流要素及河道输沙特性的影响，分析了不同工程 措施对减轻河床冲刷的作用． 1试验设备与试验安排 1．1设 备 试验是在动床水槽中进行的．试验水槽长24m，为梯形断面，底宽O．7m，边坡为l：2．为模拟河道 边坡糙率，水槽边坡上粘有粒径为5mm的均匀粗沙．水槽动床厚10一．槽底比降可在o～0．Ol范围内 任意调节．在试验中河床建筑物丁坝、潜坝等用直径约为5cm的天然石块自然堆砌而成．为防止在水 流冲动下石块发生坍塌、移动而改变形状及高度，石块直接堆砌在不动层上，丁坝及潜坝均高出动床 床面约5一．宽约5cm．丁坝长约20一，潜坝横跨整个横断面． ’ ·2j6- 水槽末端安装有集沙箱及量测装置，可测量水槽的推移质输沙率．在水槽的首端安装有湿沙供沙 装置，利用天车将集沙箱收集的沙倒^供沙器中，使试验沙得以循环利用．供沙率根据水槽的输沙量 而定．在水槽出口段装有平板堰，通过调节平板堰的高度可以调整水槽出口段的水位，使水槽内形成 均匀流．利用河床床面地形跟踪仪测量河床的冲淤变化．所有测量设备均与计算机相连，由计算机将 每分钟一次自动测量的数据记录并打印下来． 1．2实验安排 本实验只考虑推移质输沙，试验中不出现悬移质输沙．床沙为比较均匀的天然沙(p=2．65L／m3)． 在实验中分别对四种常见的河床防冲工程措施进行了实验： 变化1：丁坝，两倒对称布置，间距lm； 变化2：丁坝，两侧交错布置，间距lm； 变化3：潜坝，间距1m； 变化4：河槽局部展宽． 床沙粒径、流量及床面比降分别为： 床沙平均粒径： d。=o．65Ⅲ、O．85Ⅱ1r11及2．00mm 河床比降： J=O．002、o．004及o．006 流量： p=lOL／s、20L／s及40L／s 行，=O．002的实验．为了探讨有局部展宽时河床建筑物对减轻河床冲刷的影响，还分别进行了局部 展宽与其他三种建筑物分别组合的实验．同时，为便于对试验结果进行比较，对每种水、沙、比降的组 合分别进行了无河床建筑物条件下的输沙实验． 2河床防冲建筑物实验结果分析 2．