台阶式丁坝水动力特性及防冲效应 Hydrodynamic characteristics of a new type of spur dike with stepped head.pdfVIP

第5期 水利水运工程学报 N。-5 ANDENGINEERING Oct·2014 2014年10月HYDRO-SCIENCE === 台阶式丁坝水动力特性及防冲效应 丁晶晶，陆 彦，陆永军 (南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210029) 摘要：丁坝是航道整治工程中广泛采用的一种整治建筑物，然而丁坝坝头复杂的水流结构，常导致坝头局部冲 刷，易诱发丁坝水毁。为减弱坝头的水流动力，提出了设置台阶式坝头的新型丁坝结构形式，并通过水槽试验 研究了台阶式丁坝的水动力特性及冲淤特征。研究表明，台阶式坝头能逐级分散坝头的集中绕流，消弱坝头脱 离涡的涡量强度，而台阶的台面也能逐级阻挡坝头下潜流，消弱其对床面的直接冲击；同时，台阶台面具有挑流 作用，使得最大流速或最大紊动强度区相应外移，也有利于坝头的稳定。试验还研究了台阶级数、宽度以及坝 身下游边坡是否设置台阶等对控制局部冲刷坑的影响。试验发现，台阶级数相对越多，宽度越宽，其减小局部 冲刷的效果越好；坝身下游边坡设置台阶增大了台阶台面阻挡下潜流及挑流的面积，也有利于控制局部冲刷的 发展。 关 键 词：丁坝；台阶式坝头；新型结构；航道整治；水动力特性；冲刷特性 中图分类号：TV863 文献标志码：A 丁坝是一种常见的航道整治建筑物，在改善航道条件、保护岸滩以及保持水生环境多样性等方面发挥着 重要作用。而另一方面，丁坝坝头床面往往由于坝头复杂的水流动力而形成局部冲刷坑，降低了坝体的稳定 性，容易诱发丁坝水毁。为此，很多学者在丁坝坝头局部冲刷的形成机理方面做了大量研究¨曲J，这些研究 普遍认为，坝头的水流结构主要包括坝头集中绕流、下潜流及坝头后方竖轴漩涡，三者的综合作用是产生坝 头局部冲刷而导致丁坝水毁的主要动力。据此，人们采取了各种各样的措施来控制坝头局部冲刷坑的发展， 这些措施或减弱丁坝附近水流动力，如合理设置丁坝坝长、坝高、间距、挑角等，以尽量平顺坝头水流邛o；或 提高坝头附近床面的抗冲性，如坝头采用抛石、抛异形块或混凝土铰链排等垫层护底一。1…；或两者结合，如采 用四面体透水框架护脚，兼具减速和防冲两方面的功能效果…J。此外，为防治丁坝水毁，很多新型的丁坝结 周银军等¨纠研究了桩式透水丁坝水流及冲淤特性；王振等¨41研究了铅丝笼丁坝附近的水流特性。 针对坝头主要的水流动力，本文提出一种新型丁坝结构形式，即将传统的顺坡式坝头设置成台阶式，以 期利用各级台阶分散坝头绕流，同时利用台阶台面阻挡下潜流。本文通过定床和动床水槽试验研究其改善 坝头水流条件，减小坝头局部冲刷的效果。 1 台阶式丁坝周围水动力特性研究 1．1试验设计 台阶式丁坝周围的水动力特性研究主要通过定床试验，在矩形变坡水槽中进行。水槽长42m，宽 0．8m，深0．8m，坡度可调范围为1／400～1／60。水槽通过时差式超声波流量计控制进口流量，通过尾门控 收稿日期：2014—03—11 资助NSFC—NOW项目(中荷)(51061130546) 万方数据 68 水 利 水 运 工 程 学 报 2014年10月 制试验水深，试验中利用声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler 床面约3mm)水流特征值。定床试验采用的常规丁坝及台 1． 垫 ，I 阶式丁坝均为木质，通过铆钉安装于水槽底部，丁坝轴线与 水流方向垂直。常规丁坝模