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        河道防洪治理工程丁壩設(shè)置應(yīng)注意的問題

        2020-12-22 07:45:06趙含雨鄭燦堂
        山東水利 2020年11期
        關(guān)鍵詞:壩頭丁壩堤防

        趙含雨,蘆 超,鄭燦堂

        (1.山東黃河河務(wù)局東平湖管理局,山東 泰安 271000;2.泰安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)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(hù)性建筑物。作為整治性建筑物,丁壩主要起束窄調(diào)整水流、沖刷河槽、穩(wěn)定或改善河勢(shì)的作用;作為維護(hù)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(hù)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(jù)丁壩束窄正常河床的相對(duì)寬度分類

        根據(jù)丁壩束窄正常河床的相對(duì)寬度,可以分為長丁壩與短丁壩兩種。當(dāng)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(shí),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(qiáng),對(duì)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(diǎn)則與長丁壩相反,一般用于河道迎流頂沖處,主要起導(dǎo)順主流,保堤護(hù)岸和外移岸線的作用。

        1.2 根據(jù)丁壩壩頂高程與水位的關(guān)系分類

        根據(jù)丁壩壩頂高程與水位的關(guān)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(jù)枯水位設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)洪水位,或略低于洪水位,一般不被淹沒,或短時(shí)間淹沒。

        1.3 根據(jù)丁壩壩軸線與水流方向的交角α 分類

        根據(jù)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(shí),壩頭水流紊亂,局部沖刷嚴(yán)重,適合設(shè)置為淹沒式丁壩;丁壩下挑時(shí),水流比較平順,既使水流遠(yuǎn)離堤岸,改變河勢(shì),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(shè)置在河口感潮河段,或者有頂托倒灌的支流河口段,以適應(yīng)水流正逆方向的交替特性。

        1.4 根據(jù)丁壩的外形分類

        根據(jù)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(xiàn)為勾形時(shí)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(shí)出現(xiàn),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(cè)上游流速減小,并將水流挑向另一側(cè)。丁壩下游主流區(qū)流速增大,愈向下游,主流位置變化愈小,丁壩一側(cè)下游則流速減小很多,并出現(xiàn)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(dòng),丁壩下游流速較小,大致存在表層水流向上游流動(dòng),底層水流向下游流動(dòng),且向下游流動(dòng)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(nèi)流速均出現(xiàn)強(qiáng)制渦,在橫斷面內(nèi)前段,正挑丁壩下游強(qiáng)制渦較明顯,上挑和下挑丁壩下游強(qiáng)制渦較弱。在橫斷面內(nèi)后段,正挑丁壩下游強(qiáng)制渦較弱,上挑和下挑丁壩下游強(qiáng)制渦較強(qiáng),這說明丁壩設(shè)置角度對(duì)橫斷面強(qiáng)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(shí)被壅阻,比降逐漸降低,流速逐漸減小,在丁壩前出現(xiàn)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(qū),回流區(qū)內(nèi)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(qū)的流速,沖刷淺灘,使泥沙下移或者在壩田內(nèi)淤積。

        3 單丁壩的掩護(hù)長度

        單丁壩下游回流區(qū)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(jù)連續(xù)方程、紊動(dòng)水流基本規(guī)律,和相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明,單丁壩回流長度可達(dá)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(hù)長度。丁壩的維護(hù)作用要求河岸堤防免受水流的沖蝕淘刷,所以,其掩護(hù)長度須取決于丁壩下游側(cè)河岸堤防泥沙的抗沖流速與水流流速(與流向無關(guān))的相對(duì)大小。丁壩下游側(cè)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(hù)范圍,其沿河岸堤防的縱向長度,就是其掩護(hù)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(fā)揮,就會(huì)增加工程投資;如果兩丁壩之間的距離過大,壩田漩渦區(qū)的水流不穩(wěn)定,下游丁壩壩頭附近就會(huì)因流速過大產(chǎn)生沖刷。合理的丁壩間距由以下兩個(gè)方面的因素確定:一是下一個(gè)丁壩的壅水剛好達(dá)到上一個(gè)丁壩處,這樣,就可以避免在上丁壩下游發(fā)生水面跌落現(xiàn)象,既能夠充分發(fā)揮每一個(gè)丁壩的作用,又能夠保證兩壩間不產(chǎn)生沖刷;二是丁壩間距應(yīng)使主流水流繞過上一個(gè)壩頭之后,形成的擴(kuò)散水流的邊界線,大致抵達(dá)下個(gè)丁壩的有效長度的末端,以避免沖刷壩根。

        有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明,丁壩間距在四倍有效壩長左右時(shí),壩田漩渦區(qū)水流穩(wěn)定,下游丁壩壩頭附近流速較小,沒有產(chǎn)生劇烈的沖刷;總回流長度最小,掩護(hù)效果最佳。

        5 丁壩設(shè)置的一般要求

        設(shè)置丁壩時(shí),一般是根據(jù)河道整治規(guī)劃的治導(dǎo)線布設(shè)丁壩群,其壩頭連線做成與治導(dǎo)線一致(或上段壩頭連線適當(dāng)退后)的平緩曲線,以改變主流方向,使其離開堤岸順導(dǎo)至預(yù)想的方向,達(dá)到保堤護(hù)岸的目的。重要河段的丁壩布設(shè),還應(yīng)根據(jù)河工模型試驗(yàn)確定。丁壩建成運(yùn)行期間,須經(jīng)常觀測(cè),看其穩(wěn)固與否,能否滿足設(shè)計(jì)要求,必要時(shí)予以調(diào)整。

        1)通常依據(jù)丁壩設(shè)置的作用選擇其長度,以防止水流對(duì)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(shí)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(yuǎn)離被保護(hù)的堤岸,這時(shí)多采用較長的丁壩?!兜谭拦こ淘O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)規(guī)定:丁壩的長度應(yīng)根據(jù)河岸與治導(dǎo)線距離確定。通常,治導(dǎo)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(dá)到上一座丁壩的壩頭,這樣,既避免了壩頭水面產(chǎn)生較大跌落,也使繞過壩頭的擴(kuò)散水流流線能夠到達(dá)下一座丁壩的有效長度范圍內(nèi),丁壩的作用得以連續(xù),避免沖刷壩根;二是要有足夠的控制點(diǎn),以使壩后回水區(qū)邊線的連線組成平順的整治線;三是防止壩田中產(chǎn)生大于抗沖流速的水流速度。

        根據(jù)上述原則,確定丁壩間距的具體方法有兩種:一是根據(jù)丁壩下游回流區(qū)內(nèi)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(jù)經(jīng)驗(yàn)的方法確定?!兜谭拦こ淘O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)規(guī)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(shí)掩護(hù)效果最佳”的試驗(yàn)結(jié)論相比,偏于保守??紤]到國標(biāo)適用范圍的廣泛性,理應(yīng)如此。比較順直的河段,丁壩間距可以取壩長的3~4 倍。

        6 結(jié) 語

        河道防洪治理工程中,丁壩設(shè)置必須建立在對(duì)不同類型丁壩水流變化規(guī)律以及河勢(shì)演變規(guī)律掌握的基礎(chǔ)上,根據(jù)河道比降、河槽尺度、河灣半徑、河水流速及其動(dòng)力軸線的變化規(guī)律等客觀因素,合理設(shè)置丁壩位置、類型、數(shù)量、長度、高度及其角度,在本岸獲得良好的防護(hù)效果的同時(shí),也不會(huì)給對(duì)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(dòng)力軸線變化規(guī)律以及丁壩設(shè)置過程中需要注意的幾點(diǎn)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(fā)揮良好的作用。

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