发信人: courieryboo (小凡·每天灌水多一些...), 信区: DC
标  题: 漫水丁坝和丁坝群防护的试验研究
发信站: BBS 水木清华站 (Wed May 24 16:45:38 2000)

摘　要：根据水工模型试验研究和工程现场考察，对漫水丁坝附近的水流结构，河床变
形的特点进行了分析和研究；以不漫水丁坝为基础，提出了漫水丁坝冲刷深度的计算方
法；从总结工程实践经验出发，提出了关于坝型、不同地区、不同河段等条件下修建漫
水丁坝及丁坝群方面的建议。
关键词：漫水丁坝；回流；局部冲刷
中图分类号：U442.36　　　文献标识码：A
Experimental Study on Submerged Spur-dikes and Protecting Scour
ZHANG Yi-qing，TIAN Wei-ping，ZHAO Dian-ying
（College of Highway Engineering, Xi′an Highway University, Xi′an 710064,
China）
Abstract: Based on model test and the scene investigation, the flow structur
e around submerged spur-dikes and evolution characteristic of river bed are
researched .One calculation method on scour-depth of submerged spur-dikes is
 raised.Some rational proposals are put forward for building the submerged s
pur-dikes in different conditions.
Key words: submerged spur-dikes; rotatory flow; local scour
　　漫水丁坝也叫淹没丁坝。当坝高hD小于水深h(hD<h)时，坝顶被淹没在水面以下，水
面到坝顶的深度Δh，称为淹没深度或坝上水头。淹没程度用Δh/h表示，0<Δh/h<1.0。
从水力学图式来讲，只要坝高小于水深，坝顶溢流的丁坝都属于漫水丁坝的类型。从工
程设计标准来讲，一般是指设计洪水通过时，即设计洪水位出现时，若坝顶被淹没，则
称为漫水丁坝。对于已建成的丁坝，枯水时可能是不漫水丁坝；洪水时可能成为漫水丁
坝。
　　在桥梁河道和沿河公路的防护中，若把丁坝设置成不漫水丁坝，坝顶高程等于或大
于设计洪水位，则丁坝十分高大，工程数量过大，在多年常水位下也不能充分发挥作用
。在大洪水出现时，因阻水过多，坝头周围冲刷严重，另一方面，对水流挑流很强，甚
至影响对岸的安全。应当指出，沿河路基防护的目的是保证河岸路基边坡稳定。沿河边
坡稳定要求沿河边坡坡脚不受冲刷，坡脚防护主要是通过改善沿河公路边坡的水流结构
，特别是底流结构来实现。所以应用漫水丁坝及漫水丁坝群防护河岸路基是最常用的方
案，特别对坡陡流急的山区河流，修建漫水丁坝防护河岸路基更为适宜。
　　为了认识漫水丁坝及漫水丁坝群防护河岸路基的机理，进而建立设计计算方法，首
先通过模型试验观测和分析漫水丁坝附近的水流结构，河床冲淤变形特点，探求边坡防
护的机理。
1　漫水丁坝的水流结构
　　为了研究漫水丁坝附近水流的水流结构，分别在有机玻璃小水槽和2.4 m宽大水槽内
应用竖直板和带边坡的2种漫水丁坝模型，用高锰酸钾示踪剂，观察和拍摄了面流、底流
、坝端水平绕流、坝后竖向绕流的水流结构。根据照片资料，可绘成漫水丁坝的水流结
构如图1(见下页)所示。观察到流经漫水丁坝的水流明显地被坝体分成面流和底流2部分
。坝顶以上的面流基本上保持原来水流方向不变，在坝体附近及其下游流速，因底流影
响有所减小，流向也稍许向坝头方向偏转。而坝顶以下的底流，从上游绕过坝顶在坝下
游形成1个很强的水平轴回流区，回流长度约(4～6)Δh。同时，底流还因坝头平面绕流
，象不漫水丁坝一样存在1个竖轴旋涡体系，形成1个下游竖轴回流区。坝下游底流存在
2个不同旋转方向(平轴和竖轴)的回流区，平轴回流控制了丁坝背水边坡和沿河岸的区域
，竖轴回流控制了坝头及其下游附近，较不漫水丁坝竖轴回流已大为削弱。
图1　漫水丁坝水流结构
　　面流及底流双向绕流和两大回流的存在，大大消耗了水流动能，起到了底流消能的
效果。观测表明，漫水丁坝群范围内近岸水流流速大为减小。
2　漫水丁坝及漫水丁坝群的河床变形
　　漫水丁坝及漫水丁坝群的水流结构和河床变形是相辅相成的。水流结构在河床变形
中起着主动作用，反过来，变形后的河床对水流又产生影响和制约。如前所述，漫水丁
坝产生的面流淹没下的底流，同时存在坝头绕流竖轴旋涡和坝顶绕流平轴旋涡，漫水丁
坝以存在2个方向旋涡体系为特点。由试验观察和冲刷地形测量，可得到如下结论：
　　(1)漫水丁坝引起河床的冲淤变形较不漫水丁坝有明显的减弱；
　　(2)在漫水丁坝背水面和槽壁之间的区域内，河床变形主要是在绕坝顶平轴旋涡作用
下，形成丁坝背水面的淤积；坝头及其下游主要受坝头绕流作用，形成的坝头冲刷坑及
其平行向下游发展的冲沟。
　　(3)坝头绕流竖轴旋涡向下游的传播，不象不漫水丁坝那样，逐渐向槽壁扩散，下游
形成曲线形回流边界。而是由于下游坝顶绕流旋涡在离槽壁一定宽度内存在，迫使坝头
绕流竖轴旋涡，大致与流向平行地向下游传播，形成几乎与槽壁平行的冲沟。
　　(4)漫水丁坝群试验表明，下游坝的存在对1＃坝无明显影响；而2#坝以及下游各坝
的冲刷深度却因上游坝的存在大为消弱。
3　漫水丁坝的坝头冲刷深度
　　图2所示漫水丁坝的过水断面，H是设计洪水位，hD是坝体高度，Δh是漫水高度(淹
没深度、坝顶水头)，hsm是漫水丁坝坝头冲刷深度，LD是漫水丁坝长度，若坝头有边坡
则应取坝高hD一半处的长度表示。
图2　漫水丁坝的过水断面
　　本课题完成在一定的水力和河床条件下，坝长和坝的形状也不变时，不同的坝高hD
和漫水高度Δh的冲刷试验29场，得到不同漫水程度Δh/h对应的漫水丁坝冲刷深度，进
而得到不同漫水程度Δh/h对应的漫水丁坝冲刷深度和相同条件下不漫水丁坝冲刷深度的
关系。
　　在具体计算漫水丁坝的冲刷深度hsm时，首先计算在设计水力条件下不漫水丁坝的平
衡冲刷深度hs，然后乘以漫水丁坝减冲系数Ksm，得到相应漫水程度Δh/h条件下的冲刷
深度hsm
hsm=hsKsm　　　　(1)
3.1　不漫水丁坝的平衡冲刷深度的确定
　　文献［1］在分析国内外已有研究成果的基础上，根据长历时丁坝清水平衡冲刷试验
，从观察分析丁坝绕流的水流结构出发，对丁坝的局部冲刷过程和丁坝的局部冲深计算
进行了分析和研究。并分析了丁坝与水流夹角对丁坝局部冲深的折减系数。提出了如下
不漫水丁坝的平衡冲刷及冲刷计算公式：
hs/h=3.36(Fr)0.488(V/V0)0.788.(LD/h)0.538(B/h)-0.142Ke　　　(2)
式中：hs为丁坝局部平衡冲深(cm)；Fr为弗汝德数，Fr=V/(gh)0.5；LD为丁坝(或路堤)
阻水长度(cm)；h为丁坝上游处的平均水深(cm)；V为水槽平均流速(cm/s)；V0为起动流
速(cm/s)，按武汉水利电力学院公式计算；B为槽宽(cm)；Ke为丁坝和水流的夹角对冲刷
深度的影响系数，即挑角系数，可根据西安公路交通大学高冬光教授推荐的公式Ke=(θ
/90)0.15研究；θ为90°。(正挑)，Ke为1.0；θ小于90°(下挑)，Ke小于1.0；θ大于
90°(上挑)，Ke大于1.0。
3.2　漫水丁坝减冲系数Ksm的确定
　　对于水流稳定的顺直河段，漫水丁坝较不漫水丁坝的冲刷深度有明显的减小；减小
的数值随漫水程度Δh/h的平方变化(如图3)。例如，Δh/h=0.5，则Ksm=0.75；而Δh/h
=0.75，则Ksm=0.44，表明坝高低于水深的一半时，减冲才有较大的效果。
图3　Ksm和Δh/h相关图
　　对弯曲型河段，河弯水流呈螺旋流流动，凹岸自弯顶到弯道出口(终点)附近逐渐加
深，在出口附近形成凹岸最大冲刷深度。设置在弯道水流凹岸的丁坝的挑流效果和冲刷
深度，随其在弯道不同位置而变。试验表明，对于中心角为θ的弯道，大约在(2/5)θ断
面凹岸的丁坝冲深大约与直段丁坝冲刷相当，在(1/2)θ至(5/6)θ断面凹岸的丁坝冲深
较直段增大20%上下；在接近弯道出口(终点)冲刷明显增大，大约达直段丁坝冲深的1.5
至1.6倍。由于河弯螺旋流的存在，丁坝漫水后减冲效果较直河段有明显削弱。
　　由试验资料分析可得Ksm关系式
顺直河段
Ksm=1-(Δh/h)2　　　　(3)
弯道河段
Ksm=1-0.5(Δh/h)2　　　　(4)
式中：Ksm为减冲系数；Δh为漫水高度(cm)；h为丁坝上游处的平均水深(cm)。
4　漫水(淹没)丁坝和丁坝群的布设
　　防护河岸路基的漫水丁坝及丁坝群的布设基本与不漫水丁坝相同，不漫水丁坝可参
考文献［2］有关内容。根据漫水丁坝群试验研究结果，丁坝群中各坝的距离可适当增大
，一般可较文献［2］建议值加大20%。护岸丁坝长度不宜过长，一般不应超过河槽宽度
的15%，山区河流中长度小于10 m较为多见，个别可达15 m。据1994年P=2%特大洪水之后
调查发现，在秦岭乾佑河中坝长在10 m之内者，多能安全度汛；坝长15 m，坝宽1 m，细
而长的3个丁坝全部水毁。细而长的丁坝是应该避免的。
　　护岸丁坝的方向在直河段一般可做成正挑(θ=90°)，1#坝长度可做成下游各坝长度
的一半，1#坝也可做为下挑。弯道河段凹岸丁坝，应将1#坝设在弯顶上游断面，做成正
挑或下挑，坝长较短为宜。
5　漫水丁坝的形式
　　避免使坝身过于细长，对于长度小于10 m，较低的坝，坝顶宽度多为1.5 m至2.0 m
，边坡取1∶1至1∶1.5。坝顶面宜做成自坝腰到坝头有1个向下的纵坡。这样，可使水流
在低水位阻水较大，而随水位升高，阻水减小；同时，对不同水位时河弯水流不同弯曲
程度的自我调整是有利的。坝头和坝顶的形式，一般推荐采用筒单的带边坡的直坝，坝
头不加大。坝顶和坝头应做成圆滑曲面或斜面，易绕流，减少阻水，避免局部冲刷过深
。
　　山区河流坝体多用石砌，如坝心堆石灌浆及坝面水泥浆砌、坝心堆石及坝面水泥浆
砌。在北方黄土地区，应用铅丝笼块石坝体，做成柔性坝，允许坝头随床面冲刷而下沉
变形。在洛河路基防护中，1994年建成的一工程经受了130年一遇的洪水考验。陕北干旱
地区也有应用铅丝笼防护近20年仍然基本完好的工程实例。
6　结　语
　　漫水丁坝及丁坝群在路基及河岸防护中是最为常见的形式之一。适用于各种地区河
流条件，是一种安全、可靠、适有性较好的路基及河岸防护形式。石砌刚性漫水丁坝及
丁坝群，在秦巴山区应用较多，多年工程实践表明，坝长不宜过大，坝型不应过于细长
，以较短、宽、坝顶坝头流线型为好。直河段做成正挑θ=90°，弯道河段可做成下挑θ
<90°。丁坝群在弯道河段的坝距应较直河段更短些。
作者简介：张义青(1960-)，男，陕西西安人，西安公路交通大学工程师文章编号：100
7-4112(1999)04-0045-03
作者单位：西安公路交通大学　公路工程学院，陕西　西安　710064
参考文献：
［1］　张义青，杜小婷.丁坝的平衡冲刷及冲刷计算［J］.西安公路交通大学学报，19
97，(4).
［2］　山区公路路基排水和水毁防治技术课题组.沿河路基丁坝群防护的试验研究报告
［R］.西安：西安公路交通大学.
［责任编辑　孙守增］
收稿日期：1998-12-13

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梧桐身旁的浮云里 飘出一弯朦胧的月亮    *        *
清清淡淡的月光 静静地飘落在我身旁         ●
   ahuang
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