公路防護工程新型丁壩防治性能試驗研究

羅文功 魏學利 陳寶成

摘要：為探討新型丁壩在實際護岸工程中的防治性能，文章通過水工試驗對公路防護工程丁壩結構進行研究，對圍堰式丁壩、垂直丁壩和垂直基礎式丁壩三種新型丁壩類型與常規丁壩進行沖刷現象、局部沖刷深度和水槽斷面流速等值線分布對照分析。結果顯示：新型丁壩由于自身結構特點，在水流防沖刷、挑流和工程經濟性方面有著一定的優勢;當實際公路工程水流沖刷環境較為極端時，可因地制宜采用新型丁壩結構進行防護，保障公路路基安全穩定。

公路水毀;丁壩;水工試驗;沖刷深度;防治措施

0 引言

公路工程建設于河谷流域時，易受到河流影響，沿河工程修筑時常增加必要的防護工程，防止河流彎道處水流直接沖刷公路路基邊坡，造成水毀災害[1-4]。防護工程中的丁壩結構具有挑流、攔擋和防沖特性，可改變水流運動狀態，具有良好的防護性能，常被運用在水流沖刷較為嚴重的沿河防護工程中[5-10]。

近些年以來，國內專家學者對于丁壩的研究較為豐富，隨著計算機技術和試驗技術的發展，丁壩研究內容更為全面。顧杰等[5]通過水工試驗研究了丁壩結構對彎道水流特性的影響，發現壩后回流區與丁壩頂寬和丁壩距彎道距離相關，當丁壩壩寬較小或距彎道較近時，回流區長度越長。鄭宇華等[9]采用超聲水位和PIV流速測量技術，對不同水力坡度下非淹沒丁壩近區的水流結構進行了試驗研究，發現丁壩在不同水力坡度下調整水流結構的機理。魏文禮等[11]通過Fluent軟件模擬60°彎道丁壩水流沖刷現象，發現T型丁壩在調整水面橫比降、減小壩后回流區長度、改善彎道水流流態等方面較直丁壩有明顯優勢。陳曉燕等[12]通過運用MATLAB軟件進行數值分析，擬合得出與實驗丁壩壩頭曲面符合度很高的二次曲面函數，應用此函數建立的數值模擬實驗地形結構與原物理實驗結構符合良好，有效提高了不同地形下丁壩建模模擬精度。當前研究多針對常規丁壩結構的沖刷情況和挑流性能，而對于新型丁壩結構的研究較少，故本文針對創新型圍堰式丁壩、垂直丁壩和垂直基礎式丁壩開展水工試驗，研究新型丁壩的結構性能和適用性。

1 水工試驗

1.1 試驗模型及試驗工況

通過彎道水槽進行丁壩模型沖刷試驗，對比不同常規丁壩和新型丁壩的沖刷現象和沖刷結果，研究新型丁壩的防治特性和防治效果。[JP1]試驗主體結構主要包括：混凝土水槽、流速可控水流、水槽閘門、丁壩模型等。試驗儀器包括：LS300-A流速儀、直尺、測深儀等。

水工試驗模型參數如下：水槽長1=1.2=1，（1.2為60°轉角彎道長度），底寬60cm，槽深40cm;常規丁壩模型長度為15cm，頂寬5cm，壩高35cm;圍堰式丁壩長度為15cm，頂寬5cm，壩高35cm，壩身圍堰頂寬7.5cm，圍堰高度為8cm;垂直丁壩長25cm，頂寬（底寬）5cm，高度為35cm;垂直基礎式丁壩長15cm，頂寬5cm，壩高35cm，垂直基礎高15cm。丁壩模型由鋁塑板材料制成，丁壩設置于彎道最不利位置。水槽平面布置見圖1，丁壩模型尺寸設計見圖2，試驗工況見表1。

2 試驗現象和試驗結果分析

2.1 試驗沖淤現象分析

試驗結束后，對每組試驗進行現象記錄，選取同一流速量級典型沖淤現象進行對照，如圖3所示。

從圖3中可以看出，丁壩結構側沖刷強烈，壩頭處均會形成沖刷坑現象，壩后出現一定距離回流區淤積，表現出了丁壩沖刷的共性。圖3（a）為常規丁壩沖刷試驗現象，壩頭沖刷坑較為明顯，丁壩基礎出露，水流沖刷作用較為強烈;圖3（b）為創新性圍堰式丁壩模型試驗現象，圍堰頂部沖刷出露，基礎未出露，有效防護了丁壩自身基礎;圖3（c）為垂直丁壩試驗現象，試驗中挑流作用明顯，試驗后壩身處橢圓狀沖刷坑明顯，壩后淤積;圖3（d）為垂直基礎式丁壩試驗現象，試驗中水流波動較大，試驗后壩前沖刷深度大，壩后有明顯的淤積。

通過各組試驗對照發現，新型丁壩與常規丁壩具備相同的防沖挑流作用，但新型丁壩同時還具備一些特殊的防沖性能。其中，圍堰式丁壩的深基礎圍堰可有效防治水流淘蝕丁壩基礎，增大丁壩整體穩定性;垂直丁壩常作為挑流丁壩出現，挑流作用明顯，壩身垂直可有效節省工程開支，垂直丁壩的基礎淘蝕較為強烈，常采用深基礎形式;垂直基礎式丁壩為垂直形式，避免了丁壩壩身放坡太長，適合水位較深河段，防沖性能與常規丁壩相似，但在一定程度上便于施工和工程開支調整。

2.2 斷面流速等值線分布分析

試驗過程中采用流速儀對各組試驗橫斷面流速進行量測，采集預先設定的5×5點陣處流速值（如下頁圖4所示），并最終得到多組試驗斷面流速等值線分布情況（如下頁圖5所示）。

從圖5中發現，丁壩防護工程中壩前斷面水流速均表現為流速左側低、右側高的分布現象，即壩身前水流受到丁壩阻礙作用，流速降低。由于丁壩壓縮水槽斷面，水流從遠丁壩處流出，形成文丘里管效應，遠丁壩處流速增大，出現斷面最大流速，壩頭沖刷強烈。

對比發現，常規丁壩沖刷試驗和新型丁壩沖刷試驗斷面流速等值線分布相似，均表現為左側流速低、右側流速高的流速偏移現象。對比常規丁壩，新型丁壩唯一的不同是：圍堰式丁壩由于深基礎圍堰的阻水作用，導致壩身前流速下降明顯、流速等值線密集;垂直丁壩由于壩身較長，水槽斷面壓縮較大，導致斷面僅右側端部部分流速較大，壩頭沖刷較為強烈;垂直基礎式丁壩與常規丁壩相似，形成穩定的流速偏移。

2.3 局部沖刷深度分析

表2為各組試驗沖刷結果參數，圖6為四種模型試驗沖刷結果折線圖。從圖表中可以看出，在試驗30min內各組試驗節點流速變化值和最終沖刷深度穩定值大小。

根據表2，整理得出各組試驗0～10min、10～20min和20～30min沖刷差值和完成比，繪制關系圖如圖7所示。

通過圖6中的沖刷深度折線圖發現，丁壩沖刷深度在30min沖刷時間內均趨近于最大泥沙鋪設深度10cm，沖刷效果相似。從圖7中發現，常規丁壩和新型丁壩局部沖刷深度滿足前期增速快、后期增速慢的趨勢，最終在30min趨于穩定。例如：圍堰式丁壩沖刷試驗0～10min局部沖刷深度差值為6.5cm，10～20min沖刷差值為1.5cm，20～30min沖刷差值為0.9cm;圍堰式丁壩試驗0～10min沖刷深度完成比占沖刷穩定值的73%，10～20min沖刷深度完成比占沖刷穩定值的17%，20～30min沖刷深度完成比占沖刷穩定值的10%。

新型丁壩防護結構與常規丁壩局部沖刷深度的穩定值和變化趨勢總體上相似，局部不同成因可能是試驗局部誤差造成的，故新型丁壩和常規丁壩局部沖刷規律和沖刷穩定值相類似。

3 結語

本研究對常規丁壩和新型丁壩同時進行了多組水工試驗，總體上常規丁壩試驗與新型丁壩試驗相類似，但新型丁壩具備一些獨特的防治特性。通過試驗現象、流速等值線分布和局部沖刷深度對照分析發現：

（1）對照試驗現象發現，圍堰式丁壩的基礎防沖刷性能較好;垂直丁壩挑流防沖作用明顯;豎墻基礎式丁壩沖刷現象與常規丁壩相類似，但具有較好的工程經濟性。

（2）對照分析流速等值線分布圖，發現圍堰式丁壩基礎下部阻水作用明顯，壩身前流速下降、流速等值線較為密集;垂直丁壩壩身較長，斷面壓縮作用使遠丁壩側流速增大;垂直基礎式丁壩流速等值線與常規丁壩相似，均表現為斷面左側流速低，右側流速高。

（3）對照分析局部沖刷深度顯示，常規丁壩和新型丁壩局部沖刷深度穩定值和沖刷規律相似，符合實際防護工程中丁壩一般沖刷特征和規律。

綜上，新型丁壩具備一定的防護特性，防沖刷和挑流能力明顯優于常規丁壩，可應用于流速大、沖刷強烈的河段，可在后續實地防護工程中進行推廣。

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