青草沙水庫北堤保灘丁壩群模型試驗研究

【摘要】采用定床試驗和動床試驗相結合的方法，研究了青草沙水庫北堤保灘丁壩群壩頭區沖刷特性，分析了軟體排對丁壩壩頭區的防沖刷效果。結果表明，青草沙水庫北堤丁壩壩頭近區局部流速較大，極易造成壩頭局部沖坑深度較大則不利于壩頭穩定；通過在壩頭區設置軟體排可起到保護丁壩壩頭，使得壩頭區域有效避免沖刷破壞影響。

【關鍵詞】青草沙水庫；丁壩群；定床試驗；動床試驗；護岸保灘

丁壩是一種常見的河道整治水工建筑物，起到護岸保灘、積淤造岸以及提高主流區通航能力等作用。由于丁壩壩頭復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注，而為了保護河床，防止丁壩沖刷，目前普遍采用護底措施。青草沙水庫位于長江口長興島西北側水域，鑒于水庫工程河段河勢變化的復雜性，在青草沙水庫北堤中上段布設斜坡式拋石堤結構的丁壩群。為研究丁壩群的壩田區流態和壩頭區沖刷特性，分析軟體排對丁壩壩頭及壩田區防沖刷的效果，針對青草沙水庫北堤中上段布設的丁壩群開展局部定床和動床模型試驗研究。

1、模型設計

丁壩群物理模型如圖1所示，其中包含1#～4#丁壩，其中測量段長1800m，寬度為600m。模型線性比尺λL=50，流速比尺λu=7.07，潮流運動時間比尺λυ=7.07，糙率相似比尺λn=1.92；動床試驗潮流作用泥沙起動流速比尺λuc=7.07，試驗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、試驗研究及結果分析

2.1 定床試驗

選擇落急、漲急兩個工況開展本文的研究工作，試驗工況參見表1。

圖2和圖3分別給出了兩工況下，設置丁壩群前后近岸區水流流動的垂線平均流速分布情況。對于工況1，未設置丁壩群時近岸區流速總體上呈逐步緩慢減小分布，最小流速約為0.50m/s；而設置丁壩群后，近岸區流速迅速減小，壩田內回流區的平均流速約為0.40m/s。對于工況2，在未設置丁壩群時，最小流速約為0.55m/s；而設置丁壩群后，壩田內回流區平均流速約為0.30m/s。

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

2.2 動床試驗

為保護青草沙水庫北堤丁壩群，下面分析軟體排對丁壩壩頭的防沖刷效果。為方便對比分析，在2#丁壩壩頭區鋪設軟體排，而3#丁壩不鋪設軟體排。圖6所示的是兩丁壩壩頭區泥沙沖淤形態圖，從圖中可以看出，未設置軟體排的3#丁壩的壩頭局部沖刷嚴重，出現較長的沖刷坑帶，局部最大沖深可達7m；而鋪設軟體排的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轉移到軟體排邊緣。顯然，鋪設軟體排能夠大幅度減弱沖刷，有利于丁壩壩頭的穩定。

3、結論

采用定床試驗和動床試驗相結合的方法，研究了青草沙水庫北堤保灘丁壩群壩頭的水力流態和沖刷特性，并對比分析了軟體排對壩頭的防沖刷效果。研究發現，丁壩群能有效降低近岸區水流流速，有利于青草沙水庫北堤灘地的防護；丁壩會對水流擠壓造成壩頭近區局部流速變大，使得壩頭存在顯著的局部沖刷；設置軟體排能夠有效避免青草沙水庫北堤保灘丁壩群壩頭沖刷破壞影響。

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