丁壩沖刷深度與防護措施研究
——以中國拉薩河城區段為例

綦玖軍

拉薩市水利勘察規劃設計院，中國·西藏 拉薩 850000

1 引言

在河道整治和防洪工程中，丁壩作為控導工程中最常見的水工建筑物，起到了導流、緩流、維護堤防穩定的作用。中國拉薩河城區段所建丁壩，在汛期防洪中發揮著重要作用，用于保護堤防護腳免受沖刷，而沖刷也是河道中的一個重要天然過程，其一般被定義是從河道和堤壩中剝離沉積物，這也是水流沖刷影響的直接結果。尤其是在汛期洪峰值出現時丁壩沖刷毀壞最嚴重。在水工建筑物周圍的沖刷一般包括兩種：一般沖刷和局部沖刷，其中局部沖刷是導致丁壩等控導工程建筑物水毀的最主要因素。因為丁壩的建設限制了水流的行進，導致了丁壩壩頭周圍局部水流速度的增大，上游水域壅高，水面比降上升，河道也被水流沖刷而形成了沖刷坑，在沖刷深度過大時往往會造成基礎淘刷引發控導工程建筑物的倒塌。所以關于對丁壩沖刷深度與防護措施研究，在防洪工程中對丁壩的施工設計和安全運行有著重要意義，也一直是水利工程建設領域所關心的重點。

2 丁壩沖刷機理研究

對于丁壩沖刷機理的探究，中國不少研究者已經開展了大量物理實驗，部分研究者提出沖刷是由于行進水流受到了丁壩影響，丁壩附近的流速進行了重新分布，丁壩束水引起壩頭附近流速增大導致壩頭處泥沙的局部沖刷，在近場河底產生了旋渦，從而導致河道上的淤泥被水流沖起并挾運至下游形成淤積，從而逐漸產生了沖刷坑；但也有研究認為是由于丁壩的挑流作用明顯，水流的流速場和壓力場都隨之發生了改變，使水流在丁壩附近產生了壓力差，部分水流向下運動，同時產生下潛水流，從而引起對丁壩底部河道的沖刷現象。

由于近年來科學研究的開展，不少研究者提出丁壩沖刷應是多種原因綜合影響的結果，丁壩沖刷是由翻過壩頭的水流和下潛水流以及它們的作用而形成的旋渦綜合影響引起的。上游水流在流經丁壩時會受阻，引起了壩頭周圍水流中劇烈的三維紊動現象和剪切層渦流的快速發展，從而造成了水流流速和單寬流量的局部增大，進一步加劇了水流的輸沙能力，這也是丁壩局部沖刷產生的最直接原因。而下潛水流和旋渦的產生對河道沖刷的加劇和局部沖刷的形成則產生著關鍵作用，一方面流經丁壩上的水流受阻后，在丁壩迎水面上形成停滯，同時產生壓力梯度變形，從而產生下潛水流，水流的運動形式則相似于直角射流，直接沖刷河底床沙；另一方面，壩頭附近流量的增大也造成了河道下部流量的增大以及旋渦的形成，由于旋渦有很大的河道剪力和挾運淤泥的力量，從而形成局部沖刷。

3 拉薩河資料分析

拉薩河為雅魯藏布江中游左岸一級支流，發源于念青唐古拉山中段南麓、澎錯東南約15 公里的孔瑪朵山峰下，發源地高程為5200 米。流域范圍在東經90°05′~93°20′、北緯29°20′~31°15′之間，全流域面積為32875 平方公里，占雅魯藏布江流域面積的13.7%，河流全長551 公里。拉薩河為雅魯藏布江最大的支流，流域西部和北部以念青唐古拉山為界，東南部與雅魯藏布江流域相鄰。拉薩河干流呈“S”形，由東北向西南延伸，依次流經當雄縣、林周縣、墨竹工卡縣、達孜區、堆龍德慶區、拉薩市城區以及那曲市的色尼區、嘉黎縣的一部分，在拉薩市曲水縣附近匯入雅魯藏布江。

通過對拉薩河城區段河道分析，由于河道寬淺，河床比降大，主流在220~1100m 的河寬內擺動不定，水流綜合穩定性差，平面形態具有散亂的游蕩型河道特點，河道兩岸修建的護岸提防極易受到主流的頂沖，所以在修建的護岸提防都配合丁壩來改變水流形態，減小水流對提防護腳的沖刷。

通過觀察修建在拉薩河城區段的丁壩沖刷水毀情況，壩頭與主流交角較大，水流流速大，流態紊亂，在下潛水流作用下，壩頭處河床淘刷嚴重，壩體塊石被水流帶走，出現較大沖刷坑，壩體塊石松動、脫落，滾入沖刷坑二次被水流帶走，造成壩頭嚴重破壞。

丁壩上游阻水作用明顯，在汛期高水位水流翻壩下切，背水坡流速增大，沖刷力強，造成背水坡外側河床沖刷，形成明顯沖刷坑，背水坡坡面塊石出現松動、脫落，造成不均勻沉降、倒塌；在水流持續作用下破壞面不斷向壩軸線方向發展，引起壩面下部出現掏空，同時壩面還受到水流頂沖作用、河床推移質磨損、漂浮物的撞擊，在著力點處壩面產生破壞，極易形成缺口，導致壩體斷裂，造成壩體倒塌損毀。

丁壩周圍的水流形態還受到河道是否處于順直岸、凹岸、凸岸的情況有關。

通過現場勘察，在汛期由于上游凸岸的阻擋作用，打亂了水流的流態，水流受阻改變流經方向而折沖到河道的對岸，在汛期形成急流頂沖。拉薩河城區段建在凹岸處的丁壩，在汛期防洪中丁壩投入使用后，河道的河勢隨著水文條件的變化而不斷變化，水流中挾運大量泥沙，導致對向河床大量淤積，從而改變主流位置和方向，在凹岸處沖刷作用增強，加劇了丁壩的水毀。

4 丁壩沖刷深度計算

4.1 模型試驗

根據何鳳華[2]模型試驗研究，流量由日本產KIB-0200型電磁流量計量測，并以DC-4000 型控制器組成閉合回路，自動控制試驗流量，精度0.1m3/h；流速由日本產VO-203A型旋漿流速儀測定，精度為0.1cm/s，并可測定正負流速值；水位由日本產NS-103D 型跟蹤式水位計量測，精度為0.1mm；沖刷地形由日本產NST-30 型跟蹤式水下地形儀測定，精度為0.1mm。經200 多場模型試驗分析得出，平臺加齒坎防護措施保護丁壩基礎效果較好。

4.2 丁壩沖刷深度計算

4.2.1 丁壩局部沖刷深度計算

4.2.2 丁壩基礎防護局部沖刷深度計算

根據水流與河床相互作用和抗沖消能原理，在丁壩基礎周圍設置平臺加齒坎防護措施，削弱壩頭水流能量，防止水流直接沖刷丁壩基礎河床。

丁壩基礎周圍設置了平臺加齒坎防護措施后的減沖程度除受水流條件影響外，還與平臺寬度（B平）、齒坎高度（h齒）及齒坎后緣與壩體間距離（B間）有關，何鳳華[2]根據量綱分析方法，丁壩設平臺加齒坎防護措施時，丁壩局部沖刷深度的計算公式為：

h——壩頭沖刷前水深（m）。

5 丁壩基礎防護措施

分析丁壩水毀原因發現，丁壩在汛期防洪過程中的水毀大多是因為壩頭沖刷造成的。張瑋[3]等提出丁壩損毀可分為直接損毀和間接損毀兩類：直接損毀主要是由于散拋石壩護面塊石的粒徑偏小，穩定重量不足，在受到不穩定的中洪水主流、橫向環流或斜向水流的強烈沖擊時，壩體表面塊石逐漸被水流沖移，形成缺口，繼而擴大沖深，從而導致壩體的損毀；間接損毀主要是因為散拋石壩周邊基礎被破壞，導致壩體損壞。有些散拋石壩經常會由于壩基（多為砂卵石）處理不當，導致壩體基礎在水流作用下被掏空，使壩體外側失去支撐，從而導致壩體倒塌損毀。論文從改變丁壩附近水流特點、增強壩體自身抗沖性出發，針對丁壩基礎、壩頭沖刷的破壞提出以下兩點防護措施。

5.1 平臺加齒坎防護措施

丁壩出現水毀的外部因素主要是由水流頂沖和強渦流產生的底部淘刷作用，因此丁壩附近的水流結構對壩體的影響至關重要。何鳳華[2]，方達憲[4]等為了削弱壩頭水流能量，避免水流直接沖刷丁壩基礎，在丁壩附近設置平臺或平臺加齒坎防護措施，比較設置平臺前后的沖刷深度結果發現：丁壩防護措施以平臺加齒坎型式效果較好。布置示意圖如圖1所示。

圖1 平臺加齒坎防護措施布置示意圖

5.2 優化丁壩結構形式和改進壩體結構材料

丁壩的壩型和結構應根據水流條件，河床地質和丁壩的工作條件，因地制宜進行選擇，林發永[5]等通過研究迎流頂沖丁壩附近的水流流態和局部沖刷變形特點，為迎流頂沖點的丁壩提出了新的結構形式。研究表明，工程中采用階梯型丁壩和勾頭丁壩時，丁壩壩頭附近的沖刷強度減弱，沖刷坑的深度和規模也相應減小。

實際水利工程中運用的丁壩主要有以下4 種結構形式：①拋石丁壩；②沉排丁壩；③土工織物丁壩；④混合類丁壩。其中，拋石丁壩運用比較廣泛，它具有堅固耐用、施工和維護簡單的優點，適用于盛產石料的地區。拉薩河城區段所建丁壩所使用的就是鋼筋石籠骨架拋石丁壩。

6 結語

通過對丁壩沖刷深度與防護措施研究，在丁壩施工設計工程中著重對壩體基礎整體性加強工程措施，同時增強壩體自身抗沖性，使壩體底部附近盡量減少河床因沖刷導致基石的流失，這樣壩體底部附近即使產生局部沖刷也能使壩體保持整體穩定性。

根據模型試驗，丁壩基礎平臺的布設不需要在基礎周邊滿布，丁壩自壩頭開始，迎水面長度應為壩長的1/3、背水面長度應為壩長的1/5 范圍內布設即可；齒坎平面為直角三角形，長邊與壩體平行，齒坎斜邊與水流流向的夾角為60°，60°齒角置于迎水端，齒坎后緣與壩體間距離，齒坎高度，減沖效果非常明顯，可在實際施工中推廣與應用。