樁群密度對(duì)丁壩局部沖刷影響的試驗(yàn)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(hù)引起越來越多的關(guān)注，趙鴻等[1]詳細(xì)地介紹了5種修復(fù)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(fù)和維護(hù)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(dòng)。國(guó)內(nèi)大量學(xué)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(yàn)；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(yàn)[3]。魏家安[4]基于實(shí)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(hù)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(chǔ)應(yīng)用。陸晶[7]等研究了挑角對(duì)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(duì)不同排列方式的樁群進(jìn)行模型試驗(yàn)，重點(diǎn)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(duì)單樁和群樁(對(duì)透水丁壩處修建方樁結(jié)構(gòu))繞流和局部沖刷機(jī)理進(jìn)行了分析，并開展了動(dòng)床試驗(yàn)，得出近距樁結(jié)構(gòu)更具優(yōu)點(diǎn)。

以往研究中，不同密度樁群對(duì)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(duì)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(duì)上述參數(shù)的試驗(yàn)影響,開展5組丁壩結(jié)構(gòu)的對(duì)比試驗(yàn),研究分析不同密度的群樁,為河道治理提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)水槽平面圖及物理模型，2個(gè)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(zhǎng)度。在所有模型情況下，丁壩長(zhǎng)為10 cm，寬為4 cm，距離初始河床高4.5 cm。

圖1 實(shí)驗(yàn)水槽平面圖及物理模型

將這些模型放在一個(gè)長(zhǎng)13 m，寬0.6 m的矩形水槽中，位于水槽進(jìn)水口下游6.2 m處。在距離進(jìn)水口4.5 m的水槽中間，鋪設(shè)長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)之前，進(jìn)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(dòng)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(dá)到設(shè)計(jì)值，最后，保持相同的流量和流深直到實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(yàn)共設(shè)計(jì)5種樁群密度分別為D1=0.5，D2=0.4，D3=0.25，D4=0.2，以及對(duì)照試驗(yàn)組D0=0，即無樁試驗(yàn)組(圖2)。樁群密度用D表示，計(jì)算如下所示。

圖2 群樁密度設(shè)計(jì)

D=(n×d/L)

(1)

公式(1)中：n為每排樁數(shù)；L為設(shè)計(jì)樁組邊長(zhǎng)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(dǎo)出沉積物運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)為u*/u*c=0.87。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

用激光測(cè)距儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的河床變形。在相同的流動(dòng)條件下，采用電磁測(cè)速法在平-粗定床上測(cè)量流速。

2 實(shí)驗(yàn)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(yīng)力

利用以下公式估算床層間剪切應(yīng)力參考值：

(2)

(3)

公式(2)～(3)中:τbx和τby為縱向和橫向床層剪應(yīng)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(cè)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(jìn)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(cè)得的近河床流速。圖4為順流河床剪切應(yīng)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(gè)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?？拷谝欢螇雾?shù)淖畲缶植繘_刷深度與河床剪切應(yīng)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?yīng)力

圖5給出了橫向床層剪應(yīng)力等值線圖,τby/τb0。在所有情況下，高幅度等高線靠近第一個(gè)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?yīng)力

第二丁壩壩頂附近存在較大的負(fù)床層剪應(yīng)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(huì)比常規(guī)丁壩更長(zhǎng)。

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(xì)沙來保護(hù)河岸。在選定網(wǎng)格中測(cè)量河床地形，以研究此種結(jié)構(gòu)對(duì)沖刷過程和相應(yīng)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(chǎng)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(jìn)式局部沖刷約66%的運(yùn)行時(shí)間后，模型上游的水槽底部露出，這種沖刷對(duì)幾何形狀及其后的沉積區(qū)域有一定的影響。因此，在運(yùn)行66%時(shí)間后的D0模型，沖刷會(huì)發(fā)展得非常緩慢，不會(huì)造成大的變形。

在這種情況下，在第一個(gè)丁壩上游的側(cè)岸形成一個(gè)深的沖刷孔，隨之相對(duì)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(zhǎng)度進(jìn)而導(dǎo)致沉積物快速沉積。然而，當(dāng)沖刷過程達(dá)到真正的平衡階段時(shí)，沉積物就會(huì)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(chǎng)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(dòng)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(chǎng)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(jìn)場(chǎng)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(jì)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(dá)最大沖刷深度dsm，最大沖刷量vsc和侵蝕量ve。對(duì)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(chǎng)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(duì)平衡。

4 結(jié) 論

本文對(duì)不同密度樁群減少丁壩附近局部沖刷影響進(jìn)行研究，開展了5組丁壩結(jié)構(gòu)的對(duì)比試驗(yàn)，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(shè)置樁群，可以減少局部沖刷和沖刷量，當(dāng)樁群密度0.50時(shí)，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(shí)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(jìn)式?jīng)_刷。當(dāng)樁群密度為0.50時(shí)，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(duì)比4個(gè)群樁模型，隨密度增大局部沖刷深度減小。