護底余排作用下潛壩下游局部沖刷深度計算研究

付中敏，李雨晨

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098；2.長江航道規劃設計研究院，武漢430011）

護底余排作用下潛壩下游局部沖刷深度計算研究

付中敏1,2，李雨晨1

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098；2.長江航道規劃設計研究院，武漢430011）

潛壩下游沖刷主要由于越堤水流在堤后形成強紊動渦旋水流，并淘刷床面引起。沖刷坑最大深度與壩高、水深以及護底余排寬密切相關。根據水槽試驗結果，分析了不同影響因素下潛壩下游的沖刷變化，并提出了考慮護底余排作用下的潛壩壩身下游最大沖刷深度計算式。結合長江下游黑沙洲水道航道整治工程中護底余排作用下潛壩的實際沖刷深度資料，對文章研究中提出的沖刷深度計算式進行了驗證。驗證結果表明：在考慮余排寬度的條件下，按照該公式計算得到的局部沖刷深度與實測值基本一致。

潛壩；護底；沖刷；航道整治

航道整治建筑物主要有丁壩、順壩、鎖壩、魚嘴、護岸和護灘等［1-2］，它們能夠起到穩定航槽；刷深淺灘，增加航道水深，拓寬航道寬度，增大彎曲半徑；降低急流灘的流速；改善險灘的流態等作用。長江南京以下12.5m深水航道一期工程以“固灘穩槽”為主要目的，工程以潛堤和齒壩為主體建筑物，采用堤身砂肋軟體排加混凝土聯鎖塊余排組成的混合軟體排護底結構，其護底結構對主體建筑物的穩定與安全十分重要。該護底結構在長江中下游航道整治工程中的應用也越來越廣泛，護底范圍的確定主要取決于沖刷坑的深度，目前，沖刷坑的深度一般通過經驗公式、模型試驗和以往工程經驗數據確定［3］。雖然計算堤壩下游沖深深度的經驗公式較多，但很少考慮護底結構對沖刷坑的影響。事實上，堤壩最大沖刷深度不僅與壩體尺度、水流條件、河床組成等有關［4-8］，還與堤壩護底余排的寬度相關。不同寬度的護底余排使堤壩下游水流的紊動強度產生差異，同時也使沖刷坑與堤壩的相對位置、沖刷坑附近水流條件及沖刷坑范圍和深度均發生了不同程度的變化。因此，本文開展水槽試驗，分析不同影響因素下潛壩下游的沖刷變化，建立考慮護底余排作用下的潛壩下游最大沖刷深度計算式，并應用于長江下游黑沙洲水道航道整治工程中護底余排作用下潛壩下游的沖刷深度計算。

1 試驗條件

為了在室內水槽試驗中合理模擬潛壩附近水流結構、床面沖刷及建筑物穩定性的影響，選擇長江通州沙過渡段作為潛壩試驗的典型區域，如圖1所示，試驗選取的幾何比尺為60。根據研究問題的需要，試驗水槽寬度不應過小，寬度過小時水流受水槽兩側邊壁影響，不利于建筑物附近局部沖刷坑的自由發展，根據試驗室動力條件及以往經驗，水槽寬度選定4m，長×寬為55.5m×4m的矩形水槽，槽底坡度為1‰，中部24m段為動床段，深度20 cm，沿程設置6把自動水位儀觀測水位變化。模型采用水流自循環系統，水槽的進口流量過程由矩形量水堰控制，并設格墻以調整平順水流，出口為翻板調節水位。

試驗考慮了壩身尺度（壩高、邊坡）、水流條件（水深、流速）以及余排寬度等因素，其中壩身高取6.8m，邊坡取1∶2，壩身所在床面水深取9～14m，水流流速以壩頂平均流速進行控制，分別取2.5～4.0m/s，壩身下游余排寬度取0～150m。

2 潛壩下游局部沖深的單因素分析

潛壩壩身護底下游沖刷主要與余排寬度、水流條件、紊動強度以及河床組成等有關，其中水流條件包括水深、流速，紊動強度主要由建筑物尺度決定，包括壩高、邊坡、余排寬等，以下主要分析余排寬度、壩身尺度以及水流條件對越堤渦流引起沖刷的影響。試驗組次如表1所示，共進行12組試驗，試驗考慮清水沖刷，沖刷時間以建筑物附近床面沖刷變形基本不變為依據，一般進行4 h左右。

（1）護底余排寬度對下游沖刷的影響。圖2為不同余排寬度條件下壩身下游實測沖刷坑形態，可以看出，沖刷坑緊貼余排末端，余排防護時，沖刷坑位置隨著余排寬度的增大而逐漸推離壩軸線，同時沖刷深度減小，余排寬度15m時沖刷深度6.93m，余排寬度100m時，沖刷深度減小至2.61m，余排寬度150m時沖深進一步減至1.67m（圖3）。無余排防護時（即余排寬度為0m），壩下游沖刷過程中，壩根逐漸失穩，塊石滾落至沖刷坑內，對沖刷坑的發展起抑制作用，最大沖刷深度為6.4m，較余排寬度15m時的沖深小，但嚴重影響壩身穩定性。

（2）水流條件對壩身沖刷的影響。圖4、圖5分別為不同壩頂流速及沖刷前壩下水深時的沖刷坑形態，可見隨著壩頂流速的加大，沖刷坑范圍加大，最大沖刷深度增加，沖深位置有所下偏，試驗中最大沖刷深度為9.85m；圖5中，相同堤頂流速條件下，當水深較大時，堤身對上游來流阻擋程度相對減弱，堤身下游沖刷范圍及深度加大。

（3）壩體尺度對壩身沖刷的影響。圖6為相同水深、壩頂流速，不同壩高件下的沖刷坑變化，可以看出，壩身高度加大時，壩體對上游來流阻擋程度增強，壩下游流速降低，下游沖刷范圍及深度均減小。

圖1 通洲沙河段整治建筑物布置示意圖Fig.1 Regulation building layout of Tongzhousha reach

表1 不同影響因素下潛壩下游沖刷試驗組次Tab.1 Scouring test conditions

圖2 不同余排寬度下丁壩壩身下游沖刷坑Fig.2 Local scouring depth around spur dike downstream under various bottom protection works width

圖3 壩身下游沖刷深度隨余排寬度變化Fig.3 Local scouring depth around spur dike downstream changes with different bottom protection works width

圖4 不同壩頂流速下潛壩壩身下游沖刷坑Fig.4 Local scouring depth around spur dike downstream under different velocity conditions

圖5 不同水深下潛壩壩身下游沖刷坑Fig.5 Local scouring depth around spur dike downstream under different water depth conditions

3 護底作用下潛壩下游局部沖刷計算方法

潛壩下游沖刷與鎖壩下游的沖刷類似，均為強紊動的渦旋水流引起，文岑等［7］基于渦旋環量在沖刷前后相等的觀點，推導得到鎖壩下游的沖刷深度計算公式，公式結構形式如下

式中：hs為鎖壩下游的最大沖刷深度；h為沖刷前鎖壩下游水深；d為床沙中徑；p為鎖壩高度；γs、γ分別為泥沙、水的容重；Δh為鎖壩上下游水位差；k、a為系數，可根據試驗資料得到，作者根據水槽試驗得到k= 0.424、a=0.35，該公式也是《航道整治工程技術規范（JTJ312-2003）》推薦的鎖壩下游沖刷深度計算公式。

由于潛壩下游沖刷坑的形成機理和影響因素與鎖壩較為相似，故潛壩下游局部沖刷的計算可借用公式（1）。公式（1）中僅需知道壩高p、水深h、床沙中徑d、壩體上下游水位差Δh就可確定鎖壩下游的最大沖刷深度，但式（1）未考慮壩下游護底對沖刷的影響。由前文中潛壩引起的床面沖刷試驗可知，壩下軟體排護底后，守護處床面得到保護，但排體邊緣及下游未護床面仍將受渦流影響而沖刷，沖刷深度隨軟體排寬度的增大而減小，因而，潛壩下游局部沖刷的計算以式（1）為基礎增加余排寬度項后為

式中：B為護底余排寬度；k、a、b為系數，需根據試驗資料確定。

表2為潛壩沖刷試驗結果，根據試驗實測資料對無量綱參數hs/p、Δh/h、1+B/p進行回歸分析，確定了各待定系數，a=0.42、b=-0.63、k=0.463，得到考慮護底條件下的潛壩下游沖刷深度計算公式

圖6 不同壩身高度下潛壩壩身下游沖刷坑Fig.6 Local scouring depth around spur dike downstream under different spur dike height

表2 不同條件下潛壩沖刷試驗條件及結果Tab.2 Scouring test conditions and the results

圖7為式（3）的計算值與試驗值的比較，二者相關性較好。

對于原型泥沙，(γs-γ)γ=1.65，則式（3）簡化為

圖7 相對沖刷深度hs/p與參數Δh/h、1+B/p關系Fig.7 Relationship between hs/p,Δh/h and 1+B/p

4 護底作用下潛壩下游局部沖刷深度公式驗證

黑沙洲水道位于長江下游安徽省境內，河道平面形態為首尾窄、中間向左展寬的典型鵝頭型分汊河道，江中的天然洲、黑沙洲將河道分成南、中、北三個水道，其中南水道為現行主航道，是長江下游重點礙航淺水道之一。黑沙洲水道航道整治工程中的壩體結構主要有黑沙洲南水道左槽內布置的四道潛壩，工程平面布置見圖8，其中3#壩體結構參數為：壩體高度14m，壩上游余排寬度60m，壩下游余排寬度150m。該壩體結構在枯水期為非淹沒，在中洪水期淹沒，本次研究按洪水水位作為工程區域水深條件，計算條件為：潛壩高度15m，床沙中值粒徑0.14mm，水深22m，壩體上下游水位差0.3m，余排寬度150m。根據前述研究成果確定的計算公式，計算局部沖刷坑深度10.06m，由公式（4）計算得到的3#潛壩下游沖刷坑深度與實際值9.3m較為接近，計算值略有偏大，主要由于工程區域依次布置了4道潛壩，下游潛壩的存在對上游潛壩下游沖刷有一定的抑制作用，可能導致沖刷坑較單潛壩時稍小。

圖8 長江下游黑沙洲水道航道整治工程平面布置示意圖Fig.8 Layout sketch of Heishazhou waterway regulation engineering

5 結論

潛壩下游的沖刷主要是由越堤水流在堤后形成強紊動渦旋水流，并淘刷床面引起，沖刷坑位置隨余排寬度的增大而逐漸遠離壩軸線，且沖刷深度減小。隨著壩頂流速的加大，沖刷坑范圍加大，最大沖刷深度增加，沖深位置有所下偏；相同壩頂流速條件下，水深越大，壩下沖刷范圍及深度也越大。壩高加大時，下游沖刷范圍及深度加大；壩體兩側邊坡減緩時，壩下游沖刷范圍及深度也減小。文中考慮余排寬度影響建立的潛壩下游最大沖刷深度計算公式，能較好反映潛壩下游最大的沖刷深度，可用于相關整治工程的分析計算。

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Calculationmethod of local scouring depth downstream of submerged dike under bottom protection works

FU Zhong?min1,2,LI Yu?chen1
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Changjiang Waterway Institute of Planning，Design&Research,Wuhan 430011,China）

The local scouring downstream of submerged dike ismainly caused by the turbulent over dike water flow.Themaximal local scouring depth is connected with dam height,slope gradient and bottom protection works width.A great number of flume experiments were developed in this paper.Based on the experiment result,the influ?ence factors of local scouring depth downstream of submerged dike were analyzed,and the formula for calculating the local scouring depth was proposed.Then the formula was verified through the observed data of local scouring depth downstream of submerged dike in Heishazhou waterway in Changjiang River.The verification indicates that the formula in this paper is reasonable.

submerged dike;bottom protection;scouring;waterway regulation project

TV 142；U 617

A

1005-8443（2015）03-0229-05

湛江市擬建湛江港亞士德航道

2014-12-05；

2015-02-12

付中敏（1977-），男，吉林省人，高級工程師，主要從事航道科研與設計工作。

Biography：FU Zhong?min（1977-）,male,senior engineer.

本刊從湛江市交通運輸局獲悉，經多年規劃籌建，《湛江港亞士德航道工程可行性研究報告》已編制完成，該項目被列入2015年廣東省重點項目建設計劃。亞士德航道位于沙灣水道、寶滿港區與東海島港區西北側之間，東接湛江港30萬t級航道，西至湛江東北堵海大堤，推薦航道方案全長約10.16 km。其中主航道總長8.67 km，分為轉彎段和直線段，航道直線段長6.55 km，轉彎段長2.12 km。主航道近期主要考慮滿足5萬t級集裝箱船通航要求，遠期預留可擴建為10萬t級航道。航道為單向航道，設計最低通航水位采用設計低水位0.31m。5萬t級航道設計底高程-14.8m，設計航道寬度185m。疏浚工程量為7 644.65萬方，工程為18個月。（殷缶，梅深）