河道防洪治理工程丁壩設置應注意的問題

趙含雨，蘆 超，鄭燦堂

（1.山東黃河河務局東平湖管理局，山東 泰安 271000；2.泰安市水利勘測設計研究院，山東 泰安 271000）

丁壩是常用的河工建筑物，既是整治性建筑物，也是維護性建筑物。作為整治性建筑物，丁壩主要起束窄調整水流、沖刷河槽、穩定或改善河勢的作用；作為維護性建筑物，丁壩可使其附近河岸堤防免受水流沖蝕淘刷、維護河相、保證防洪安全的作用。

1 丁壩類型及各類丁壩的作用

1.1 根據丁壩束窄正常河床的相對寬度分類

根據丁壩束窄正常河床的相對寬度，可以分為長丁壩與短丁壩兩種。當丁壩在垂直于水流方向的投影長度與正常河寬之比大于1/3 時，為長丁壩，否則為短丁壩，特別短的丁壩稱為磯頭、垛等。丁壩越長，挑流作用越強，對水流的影響越大，壩前沖刷越劇烈，主要起束窄河槽，改變主流位置的作用，通常多用于航道整治；短丁壩的特點則與長丁壩相反，一般用于河道迎流頂沖處，主要起導順主流，保堤護岸和外移岸線的作用。

1.2 根據丁壩壩頂高程與水位的關系分類

根據丁壩壩頂高程與水位的關系，可以分為淹沒式丁壩與非淹沒式丁壩兩種。淹沒式丁壩通常用于航道整治，壩高根據枯水位設計。非淹沒式丁壩通常用于防洪工程，其壩頂高程低于堤頂，但高出設計洪水位，或略低于洪水位，一般不被淹沒，或短時間淹沒。

1.3 根據丁壩壩軸線與水流方向的交角α 分類

根據丁壩壩軸線與水流方向的交角α（或丁壩壩軸線與河岸的夾角α）可分為上挑丁壩（α＞90°）、下挑丁壩（α＜90°）和正挑丁壩（α=90°）三種。丁壩上挑時，壩頭水流紊亂，局部沖刷嚴重，適合設置為淹沒式丁壩；丁壩下挑時，水流比較平順，既使水流遠離堤岸，改變河勢，防止堤岸沖刷，又使繞壩水流引起的沖刷較弱，壩前沖刷坑較淺，非淹沒式丁壩以下挑為宜；正挑丁壩的水流特性介于上挑丁壩與下挑丁壩之間，通常設置在河口感潮河段，或者有頂托倒灌的支流河口段，以適應水流正逆方向的交替特性。

1.4 根據丁壩的外形分類

根據丁壩的外形可分為直線形丁壩（普通丁壩）、勾頭形丁壩和丁字形丁壩（丁順壩）三種類型。一般情況下丁壩為直線形，其壩頭在平面上呈現為勾形時則稱為勾頭丁壩，勾頭丁壩又分為上伸勾頭壩和下伸勾頭壩兩種，如果上伸勾頭和下伸勾頭同時出現，則稱為丁字形丁壩。

2 單丁壩的水流特性

2.1 非淹沒式丁壩的水流特性

1）平面流速分布。由于丁壩阻擋水流的原因，河流丁壩一側上游流速減小，并將水流挑向另一側。丁壩下游主流區流速增大，愈向下游，主流位置變化愈小，丁壩一側下游則流速減小很多，并出現回流。

2）縱斷面流速分布。由于丁壩的阻擋作用，丁壩上游表層水流往下流動，丁壩下游流速較小，大致存在表層水流向上游流動，底層水流向下游流動，且向下游流動的底層水流厚度不斷增大，正挑丁壩下游與其它兩種丁壩下游流速分布相比，比較混亂。

3）橫斷面流速分布。在三種丁壩下游橫斷面內流速均出現強制渦，在橫斷面內前段，正挑丁壩下游強制渦較明顯，上挑和下挑丁壩下游強制渦較弱。在橫斷面內后段，正挑丁壩下游強制渦較弱，上挑和下挑丁壩下游強制渦較強，這說明丁壩設置角度對橫斷面強制渦有明顯的影響。

2.2 淹沒式丁壩的水流特性

河水流向丁壩時被壅阻，比降逐漸降低，流速逐漸減小，在丁壩前出現反比降，使得水流順著丁壩走向流向河心，在丁壩上下游形成回流區，回流區內流速減緩，使得泥沙容易淤積，因此，可以利用丁壩加大主流區的流速，沖刷淺灘，使泥沙下移或者在壩田內淤積。

3 單丁壩的掩護長度

單丁壩下游回流區末端至壩跟之間的距離，稱為丁壩有效影響長度，亦稱回流長度。

圖1 單丁壩回流示意圖

根據連續方程、紊動水流基本規律，和相關試驗結果表明，單丁壩回流長度可達壩長的12～13倍，甚至更長。但是，單丁壩的回流長度不是其掩護長度。丁壩的維護作用要求河岸堤防免受水流的沖蝕淘刷，所以，其掩護長度須取決于丁壩下游側河岸堤防泥沙的抗沖流速與水流流速（與流向無關）的相對大小。丁壩下游側近岸水流流速小于河岸堤防泥沙抗沖流速的范圍，就是其掩護范圍，其沿河岸堤防的縱向長度，就是其掩護長度。

4 雙壩的合理間距

如果兩丁壩之間的距離過小，則下游丁壩的作用不能充分發揮，就會增加工程投資；如果兩丁壩之間的距離過大，壩田漩渦區的水流不穩定，下游丁壩壩頭附近就會因流速過大產生沖刷。合理的丁壩間距由以下兩個方面的因素確定：一是下一個丁壩的壅水剛好達到上一個丁壩處，這樣，就可以避免在上丁壩下游發生水面跌落現象，既能夠充分發揮每一個丁壩的作用，又能夠保證兩壩間不產生沖刷；二是丁壩間距應使主流水流繞過上一個壩頭之后，形成的擴散水流的邊界線，大致抵達下個丁壩的有效長度的末端，以避免沖刷壩根。

有關試驗結果表明，丁壩間距在四倍有效壩長左右時，壩田漩渦區水流穩定，下游丁壩壩頭附近流速較小，沒有產生劇烈的沖刷；總回流長度最小，掩護效果最佳。

5 丁壩設置的一般要求

設置丁壩時，一般是根據河道整治規劃的治導線布設丁壩群，其壩頭連線做成與治導線一致（或上段壩頭連線適當退后）的平緩曲線，以改變主流方向，使其離開堤岸順導至預想的方向，達到保堤護岸的目的。重要河段的丁壩布設，還應根據河工模型試驗確定。丁壩建成運行期間，須經常觀測，看其穩固與否，能否滿足設計要求，必要時予以調整。

1）通常依據丁壩設置的作用選擇其長度，以防止水流對堤岸直接沖刷為主要目的的丁壩，僅需要改變局部水流方向，無需改變主流方向，這時多采用較短的丁壩；如果以挑流為主，用以改變主流方向，使水流遠離被保護的堤岸，這時多采用較長的丁壩。《堤防工程設計規范》（GB 50286—2013）規定：丁壩的長度應根據河岸與治導線距離確定。通常，治導線到河岸線的垂直距離即為丁壩的有效長度。

2）確定丁壩間距的原則：一是下一座丁壩的壅水范圍要達到上一座丁壩的壩頭，這樣，既避免了壩頭水面產生較大跌落，也使繞過壩頭的擴散水流流線能夠到達下一座丁壩的有效長度范圍內，丁壩的作用得以連續，避免沖刷壩根；二是要有足夠的控制點，以使壩后回水區邊線的連線組成平順的整治線；三是防止壩田中產生大于抗沖流速的水流速度。

根據上述原則，確定丁壩間距的具體方法有兩種：一是根據丁壩下游回流區內近岸水流流速小于河岸堤防泥沙抗沖流速的原則確定；二是根據經驗的方法確定。《堤防工程設計規范》（GB 50286—2013）規定：丁壩的間距可為壩長的1～3 倍，這與“丁壩間距在四倍有效壩長左右時掩護效果最佳”的試驗結論相比，偏于保守。考慮到國標適用范圍的廣泛性，理應如此。比較順直的河段，丁壩間距可以取壩長的3～4 倍。

6 結 語

河道防洪治理工程中，丁壩設置必須建立在對不同類型丁壩水流變化規律以及河勢演變規律掌握的基礎上，根據河道比降、河槽尺度、河灣半徑、河水流速及其動力軸線的變化規律等客觀因素，合理設置丁壩位置、類型、數量、長度、高度及其角度，在本岸獲得良好的防護效果的同時，也不會給對岸造成沖刷破壞。

本文淺顯地介紹了丁壩水流變化特性、河灣水流動力軸線變化規律以及丁壩設置過程中需要注意的幾點要素，希望引起同仁注意，以使丁壩在河道防洪治理工程中發揮良好的作用。