樁群密度對丁壩局部沖刷影響的試驗研究

劉恒博

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域干流管理局,新疆 庫爾勒 841000)

0 前 言

近年來，生態(tài)保護引起越來越多的關(guān)注，趙鴻等[1]詳細地介紹了5種修復生態(tài)系統(tǒng)的方法，可以為城市河道治理提供參考。其中丁壩是河流修復和維護重要的水力結(jié)構(gòu)之一，能改變水流形態(tài)，使水流朝所期望的方向流動。國內(nèi)大量學者開展了關(guān)于丁壩作為河道整治建筑物的研究，張立等[2]開展了清水沖刷試驗；胡田開展了不同流量、不同水位條件下的雙丁壩附近水流特性的試驗[3]。魏家安[4]基于實際工程，得出丁壩能夠提高河道行洪能力，使其更安全。樁作為一種常用的支護結(jié)構(gòu)，在工程中有廣泛的作用。李剛[5]和黃岳文[6]等人介紹了工程中的樁基礎應用。陸晶[7]等研究了挑角對淹沒丁壩和非淹沒丁壩壩頭附近床面沖淤變形的影響。鄭薇薇[8]通過水槽對不同排列方式的樁群進行模型試驗，重點分析群樁阻力系數(shù)隨水深和間距比的變化曲線。胡江[9]對單樁和群樁(對透水丁壩處修建方樁結(jié)構(gòu))繞流和局部沖刷機理進行了分析，并開展了動床試驗，得出近距樁結(jié)構(gòu)更具優(yōu)點。

以往研究中，不同密度樁群對丁壩局部沖刷的影響研究較少，并且布置方式和密度的群樁對水流結(jié)構(gòu)、泥沙侵蝕、最大局部沖刷、淤積都有極大影響。本文考慮不同密度的群樁對上述參數(shù)的試驗影響,開展5組丁壩結(jié)構(gòu)的對比試驗,研究分析不同密度的群樁,為河道治理提供支撐。

1 實驗方法

本研究考慮了5種不同的物理模型，第一種是常規(guī)的丁壩，其余4種模型中的都由沉樁群和丁壩群組合而成。圖1為實驗水槽平面圖及物理模型，2個連續(xù)丁壩的間距比S/Ls=4。其中S是從中心到中心的流線距離，Ls是丁壩的長度。在所有模型情況下，丁壩長為10 cm，寬為4 cm，距離初始河床高4.5 cm。

圖1 實驗水槽平面圖及物理模型

將這些模型放在一個長13 m，寬0.6 m的矩形水槽中，位于水槽進水口下游6.2 m處。在距離進水口4.5 m的水槽中間，鋪設長6 m，厚11 cm的沉積物凹坑。沙子大致均勻，d50=0.586 mm，比重為2.55。在每次實驗之前，進行平沙且保持水槽斜率恒定在0.0005。為了防止淺層高速水流動后立即發(fā)生河床變形，首先用水輕輕填充水槽至所需的水位，然后泵從低流量開始慢慢達到設計值，最后，保持相同的流量和流深直到實驗結(jié)束。

用直徑為5 mm的金屬圓筒作為樁群，將不同密度的樁并排放置在河床上邊長L為10 cm的正方形內(nèi)，順流和橫流方向間距均勻，距初始河床高度2.5 cm，本次試驗共設計5種樁群密度分別為D1=0.5，D2=0.4，D3=0.25，D4=0.2，以及對照試驗組D0=0，即無樁試驗組(圖2)。樁群密度用D表示，計算如下所示。

圖2 群樁密度設計

D=(n×d/L)

(1)

公式(1)中：n為每排樁數(shù)；L為設計樁組邊長m；d為樁徑m。

水力參數(shù)如表1所示，由于初始河床幾乎是靜態(tài)的，河床剪切速度u*到臨界剪切速度u*c，根據(jù)屏蔽圖推導出沉積物運動的起始點為u*/u*c=0.87。

表1 實驗條件

用激光測距儀測量實驗結(jié)束時的河床變形。在相同的流動條件下，采用電磁測速法在平-粗定床上測量流速。

2 實驗數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

2.1 流 速

圖3 不同樁群密度的水平速度矢量

2.2 河床剪切應力

利用以下公式估算床層間剪切應力參考值：

(2)

(3)

公式(2)～(3)中:τbx和τby為縱向和橫向床層剪應力，Pa;ρ為水密度，103kg/m3;Cf為床上的摩擦系數(shù);ub和vb是在離河床上方1 cm處測量的順流方向和橫流方向的近床層速度,m/s。用以下公式將基本參數(shù)進行歸一化處理。

(4)

公式(4)中：ub0為在距第一丁壩中心上游170 cm處測得的近河床流速。圖4為順流河床剪切應力等值線圖。從圖4可看出，靠近水槽中心線的較高值表明水流在主流區(qū)域的侵蝕潛力。此外，在D0情況下，較高等值線從壩頂靠近第一個丁壩，D0情況下的梯度大于其他情況。還可以觀察到，在群樁情況下，D1和D2兩種模型隨著樁群密度的減小，梯度變大。靠近第一丁壩壩頂?shù)淖畲缶植繘_刷深度與河床剪切應力沿水流方向的變化規(guī)律相似。

圖4 不同樁群密度的縱向?qū)忧袘?/p>

圖5給出了橫向床層剪應力等值線圖,τby/τb0。在所有情況下，高幅度等高線靠近第一個丁壩附近,在D0情況下，等高線比其他情況要高。隨著樁群密度的減小，其數(shù)值升高。在有樁群的情況下在τbx/τby≥0.4的區(qū)域，其值均比D0大。

圖5 不同樁群密度的橫向?qū)忧袘?/p>

第二丁壩壩頂附近存在較大的負床層剪應力。尤其是在D0情況下更高，表明在第二丁壩的上游有更大的侵蝕量。群樁還可以減少第二丁壩的局部沖刷，因此群樁中丁壩之間的最佳間距也會比常規(guī)丁壩更長。

2.3 河床變形

布置丁壩的主要目的是通過減慢流速和在侵蝕河岸的底部填充細沙來保護河岸。在選定網(wǎng)格中測量河床地形，以研究此種結(jié)構(gòu)對沖刷過程和相應的水流特性的影響。丁壩群性能的顯著性和第一丁壩壩頂最大沖刷深度，從圖6所示的河床等高線中可以得出丁壩場的深孔體積、泥沙輸移和沉積，以及構(gòu)筑物變化引起的干流丁壩前床層的侵蝕。

圖6 不同樁群密度的河床等高線

只有在D0情況下，水流在第一道丁壩周圍形成漸進式局部沖刷約66%的運行時間后，模型上游的水槽底部露出，這種沖刷對幾何形狀及其后的沉積區(qū)域有一定的影響。因此，在運行66%時間后的D0模型，沖刷會發(fā)展得非常緩慢，不會造成大的變形。

在這種情況下，在第一個丁壩上游的側(cè)岸形成一個深的沖刷孔，隨之相對較大的沖刷孔也在第二丁壩上游形成，由于減少回流區(qū)長度進而導致沉積物快速沉積。然而，當沖刷過程達到真正的平衡階段時，沉積物就會減少或消失。在D1情況下，較高的樁群密度改變了床層變形情況，第一丁壩樁群上游邊緣、樁頂和下游的河床沖刷較弱。最大沖刷深度減少到D0模型的近50%，位于距第一丁壩中心下游7.5 cm處。與D0情況相比，丁壩場的沉積量和第二丁壩下游的沉積高度均有所降低。其余情況下，隨著樁群密度的減小，局部沖刷深度依次增大，均沒有D0沖刷深度大。D4的最大沖刷深度比D0的最大沖刷深度小20%，最大沖刷深度的位置在第一丁壩的壩頂，與D0模型情況相似。

3 成果討論

3.1 流態(tài)特性

為了研究丁壩壩頂附近主流的速度分布，合成流速U用流速U0歸一化表示，圖7為Y=11 cm處水平流動的流向剖面。丁壩壩頂處的峰值順序與最大沖刷深度順序相似，如圖8所示。在D1情況下，深沖刷孔位于第一丁壩下游，在圖7的同一位置，D1情況下流速比其他情況要高。

圖7 水平流的流向剖面

圖8 歸一化最大合成速度

圖7為丁壩區(qū)域歸一化最大合成流，Umax/Uave，Uave為丁壩場的平均合成流。D0模型值最大，且隨樁群密度的增加而減小。

3.2 河床形式特征

沖刷量由asc×h0歸一化表示，asc為各情況下的沖刷平面面積平均值，h0為進場流深度。沉積體積vd用ad×h0表示，ad為沉積床面的平均值。侵蝕量ve用ae×h0計算和歸一化，ae為平均侵蝕面積。圖9顯示了在所有情況下，床型特征隨其表格數(shù)據(jù)的不同而變化。

D0模型情況下達最大沖刷深度dsm，最大沖刷量vsc和侵蝕量ve。對于樁群而言，最大沖刷深度隨樁群密度的減小而增大，但在低樁密度的情況下沖刷量減少。丁壩場中的沉積體積在D1情況下最小，并隨著樁群密度的降低而增加，D4模型是例外情況。在D2和D3兩種情況下，丁壩的侵蝕和沉積之間存在相對平衡。

4 結(jié) 論

本文對不同密度樁群減少丁壩附近局部沖刷影響進行研究，開展了5組丁壩結(jié)構(gòu)的對比試驗，形成結(jié)論如下：

(1) 局部沖刷是影響丁壩有效性能的主要因素，在丁壩上游相鄰處設置樁群，可以減少局部沖刷和沖刷量，當樁群密度0.50時，最大沖刷深度約為常規(guī)丁壩的50%。

(2) 丁壩區(qū)域內(nèi)歸一化最大合成流，常規(guī)丁壩模型的最大為2.5，樁群密度為0.50時減小到1.93，隨密度增大而減小。

(3) 常規(guī)丁壩模型槽底發(fā)生裸露，形成漸進式?jīng)_刷。當樁群密度為0.50時，河床沖刷較弱，最大沖刷深度約為常規(guī)丁壩的50%，沉積量和第二丁壩下游的沉積高度均降低。對比4個群樁模型，隨密度增大局部沖刷深度減小。