黃河寧夏青石河段丁壩間距研究

張林忠 劉燕 萬強 董其華

摘要：通過對丁壩防護彎道的效果分析，認為丁壩間距不僅會影響壩頭的局部沖刷深度，而且會影響丁壩防護彎道的效果。據此，借助模型試驗及理論研究成果，分析不同工程邊界條件下施工期流量、整治流量及20a一遇設防流量下的水流流態、局部沖刷和河勢演變，并從丁壩間距與丁壩所在河段的位置有關的角度出發，分析了凹岸丁壩群的丁壩間距與丁壩壩長的關系。研究表明：1.1倍壩長丁壩間距和1.5倍壩長丁壩間距對水流流態、局部沖刷和河勢演變的影響差別均較小，結合理論研究認為來流方向與壩迎水面的夾角為60°～75°的壩段，丁壩間距應優先采用1.1倍壩長;來流方向與壩迎水面的夾角為20°～30°的壩段，丁壩間距宜采用2.0～2.6倍壩長。

關鍵詞：水流流態;控導效果;丁壩間距;青石河段;黃河

中圖分類號：TV871;TV882.1 文獻標志碼：A

在寧夏二期防洪工程的設計中，其主要參數取值參考黃河下游河道整治工程的設計經驗，而黃河下游的河型、水沙條件[1]及河床邊界條件與寧夏段有較大差別，河道整治工程設計參數參照黃河下游確定是否合理，目前還缺乏必要的技術論證。因此，研究黃河寧夏青石（青銅峽至石嘴山）河段丁壩間距，對于提高黃河寧夏青石河段河道工程的適應性，確保防洪安全具有重要的意義。

1 丁壩間距試驗

1.1 模型概況

邵家橋河段實體模型模擬范圍為施家臺工程一邵家橋工程一北崖工程，模擬河段長約12km。本次實體模型的設計參照黃河水利科學研究院多年來黃河動床模型設計的成功經驗[2-3]，吸收近年來在動床模型試驗方面的最新研究成果，考慮寧夏河段的水沙特點和具體情況，主要遵循水流和泥沙運動相似條件，邵家橋河段實體模型水平比尺為1：400，垂直比尺為1：60。

1.2 試驗組次

本次實體模型試驗具體組次安排見表1。

1.3 試驗水沙條件

本次試驗設計洪水有3種：20a一遇設防流量5620m³/s，整治流量2200m³/s，施工期流量1290m³/s。

本次試驗20a一遇設防流量5620m³/s的洪水過程，按“64·7”型洪水過程進行概化。設計洪水石嘴山站最大洪峰流量為5380m³/s，僅將最大洪峰流量放大后，石嘴山站的洪峰流量將達到5620m³/so

石嘴山設計水沙過程為7月21日至8月11日，為了便于模型控制，試驗對流量與含沙量過程進行了概化。水沙過程的概化是在保證水量、沙量相等的前提下進行的（設計及概化水沙過程見圖1）。設計洪水石嘴山站水量及沙量分別為69.21億m³和0.7億t。

根據試驗過程中的沙量情況，模型進口加沙池含沙量設定為600kg/m³，渾水流量采用孔口箱控制。

本次試驗整治流量2200m³/s歷時34d，施工期流量1290m³/s歷時50d。

1.4 試驗成果分析

1.4.1 水面流場變化

（1）壩田流場變化。當來流方向與丁壩軸線夾角為30°時，1.1倍壩長丁壩間距試驗壩田回流位于壩田外側，在首壩和2壩裹護段范圍內，2壩裹護段范圍內回流流速為0.36～0.69m/s（見圖2）;1.5倍壩長丁壩間距試驗壩田回流偏向于壩田內側，2壩裹護段范圍內回流流速為0.69～0.76m/s，部分回流已越過2壩裹護段（見圖3），但回流仍未到達岸線。

（2）壩前流速變化。邵家橋工程為控導工程，包括6個人字垛和21個丁壩，1#～6#為人字垛、7#～27#為丁壩。試驗過程中測量了不同丁壩間距試驗時的壩頭處流速，見圖4、圖5。可以看出，上段靠邊溜的工程壩頭流速慢，下段靠大溜的工程壩頭流速較快，1.1倍壩長丁壩間距試驗時施工流量、整治流量、20a一遇洪水流量下的壩頭最大流速分別為1.38、2.03、2.75m/s，1.5倍壩長丁壩間距試驗時施工流量、整治流量、20a一遇洪水流量下的壩頭最大流速分別為1.32、1.97、2.65m/s。由于1.1倍壩長丁壩間距試驗時后壩相對前壩壅水較低，因此1.1倍壩長丁壩間距試驗時的壩頭流速略大于1.5倍壩長丁壩間距試驗時的壩頭流速。

1.4.2 局部沖刷情況

邵家橋控導工程實際來流方向與丁壩迎水面夾角為30°～75°，其中：主流頂沖點附近（21#-22#壩）來流方向與丁壩迎水面夾角為60°左右，主流頂沖點以下（23#-27#壩）來流方向與丁壩迎水面夾角為300。圖6、圖7為靠水丁壩試驗后的壩前沖淤深度。可以看出，在上段靠邊溜的工程，壩前主要表現為淤積，1.1倍壩長丁壩間距試驗時壩前最大淤積厚度為2.66m，1.5倍壩長丁壩間距試驗時壩前最大淤積厚度為2.72m;在下段靠大溜的工程，壩前主要表現為沖刷，1.1倍壩長丁壩間距試驗時壩前最大沖刷深度為11.20m，1.5倍壩長丁壩間距試驗時壩前最大沖刷深度為10.41m。總體而言，由于1.1倍壩長丁壩間距試驗時的壩頭流速略大于1.5倍壩長丁壩間距試驗時的壩頭流速，因此1.1倍壩長丁壩間距試驗時壩前沖刷深度相對較大。

1.4.3 河勢演變情況

試驗過程中，施工流量1290m³/s和整治流量2200m³/s條件下，河勢變化較小，河勢變化主要發生在邵家橋工程下首，受水流淘刷影響，邵家橋工程下首左岸灘地發生坍塌后退現象。20a一遇洪水條件下，邵家橋工程上游右岸灘地坍塌后退較為嚴重，邵家橋工程下首左岸灘地進一步坍塌后退，但坍塌幅度不大。試驗過程中，邵家橋工程送溜至北崖工程位置較為穩定，北崖工程始終在10#壩以下靠溜（見圖8、圖9）。

總體而言，下挑角為30°和下挑角為20°丁壩布置情況下，河勢調整趨勢基本一致，邵家橋工程送溜至北崖工程位置變化不大。

2 丁壩間距理論研究

通過對丁壩防護彎道的效果分析，認為丁壩間距不僅會影響壩頭的局部沖刷深度，而且會影響丁壩防護彎道的效果。

試驗研究的是凹岸丁壩群的丁壩間距，其丁壩間距L與壩的有效長度l_p有關[4-5]（見圖10），l_p采用丁壩實有長度l的2/3，即按照圖10得出以下關系：式中：α₁為壩的方位角;α₂為來流方向與壩（垛）迎水面的夾角;α₃為來流方向與工程線的夾角;β為水流擴散角，據試驗成果，β≈9.5°。

聯解式（1）、式（2）、式（3）得

邵家橋工程方位角α₁采用20°～30°，利用式（4）計算得表2。由表2看出：①當壩的方位角不變時，水流方向與工程線的夾角愈大，壩的間距愈小，或L/l值愈小;②邵家橋工程實際來流方向與工程線的夾角α₃多在30°～45°之間，相應的L/l值為0.79～0.98。在一處整治工程的上段，。。變化范圍大，為適應較大的α₃值，應采用較小的壩間距。經過彎道的調整，使工程下段α₃值變小，壩間距可適當放大。

3 丁壩間距選擇建議

（1）試驗表明，1.1倍壩長丁壩間距和1.5倍壩長丁壩間距相比，兩者對水流流態、局部沖刷和河勢演變的影響差別較小。

（2）來流方向與壩迎水面的夾角為60°～75°的壩段（工程中上段），丁壩間距優先采用1.1倍壩長。

（3）來流方向與壩迎水面的夾角為20°～30°的壩段（工程下段），丁壩間距宜采用2.0～2.6倍壩長。

參考文獻：

[1]胡春宏.黃河水沙變化與下游河道改造[J].水利水電技術，2015，46（6）：10-15.

[2]張紅武，江恩、惠，陳書奎，等.黃河花園口至東壩頭河道整治模型試驗研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2001：4-13.

[3]屈孟浩.黃河動床模型試驗理論和方法[M].鄭州：黃河水利出版社，2005：207-209.

[4]劉燕，江恩惠，曹永濤，等.淺析合適的丁壩間距[C]//中國海洋工程學會.第十二屆中國海岸工程學術討論會論文集.北京：海洋出版社，2005：292-295.

[5]胡一三.中國江河防洪叢書·黃河卷[M].北京：中國水利水電出版社，1996：353-355.