摘要：本文的内容主要是在阅读参考了大量的文献资料之后，关于航道整治建筑物丁坝在非恒定流条件下通过对坝体块石滚落和坝体塌陷的特点，以及坝头局部冲刷的敏感因素和冲刷坑发展过程的分析，所得出的冲刷机理的研究总结。同时根据结论针对丁坝存在的问题，对其进行的防护措施的总结学习。
关键词：丁坝；冲刷机理；运动特点；防护措施
1引言
丁坝是航道整治中最常使用的整治建筑物，尤其在山区河流地段。而山区河流往往由于边坡崎岖陡峭导致水流湍急，且丁坝属于明显的阻水建筑物，故实际的工程中丁坝的水毁研究已然成为一个重要课题。但是现在对于丁坝的大多数水毁研究的水流状况都是基于恒定流，而实际的工程面临的水流情况更加复杂，这导致丁坝实际的水毁现象往往也比预计的更加严重。而本文对于丁坝的研究则是基于非恒定流。在非恒定流的前提条件下，对丁坝的坝头、坝身和冲刷坑内的块石运动特点进行研究以得出坝体块石滚落和坝体塌陷的特点。以及对坝头冲刷坑和冲刷深度等研究得出一系列变化规律。
2.非恒定流条件下丁坝局部冲刷机理
2.1坝体块石运动和坝体塌陷特点
散抛石坝在山区河流段被广泛应用，但是其水
毁现象严重，故对其的水毁机理的研究成为了我们实验学习的重点。最先要弄清楚其水毁机理必须从观察坝体块石的运动入手，而由于种种原因天然河道并不便于实验观察，故最终采用模拟实验的方法对坝头、坝身以及冲刷坑的块石运动做出观察研究，以得出块石运动的规律特点，同时便于得出非恒定流局部冲刷机理。
2.1.1 坝头块石运动研究
因为河床底部水流遇到丁坝发生绕射从丁坝折向丁坝所在一侧对岸，故坝头块石开始发生运动的位置便是在迎水面靠近河床表面处。而由于在丁坝坝头处其所受阻力相比坝身处骤减，便导致水流动能也随之增大，这样发展下去流速将会达到某一临界值，结果形成向河坡靠上游侧块石开始向下游运动的现象（图1）
图1 向河坡靠上游侧块石首先起动
最开始的一段距离里由于丁坝挑流的影响，石块会向对岸一侧运动，但一旦越过坝轴线，石块的运动将会分成两部分。一部分由于坝头处水流紊乱，且流速大小呈现周期性。另外的一部分石块因受到的作用力没有那么剧烈，而没有进入冲刷坑，而是直接与主流区的泥沙颗粒等一同流向下游。在洪水期间，坝头靠近床面的块石因为洪水不断的冲刷将发生松动，之后将滑入河流之中被带向下游。当一定数量的块石被冲垮之后，将造成坝体根基的不稳定，这时坡面上的块石将滑至坡脚，导致的直接结果将是坝头的严重水毁。
2.1.2 坝身块石运动研究
当坝体处于非淹没状态时，坝身的块石也将处于稳定。当水流翻越坝体时，因为水流速度比坡面一些块石的启动速度快，这将致使坝顶和背水坡较多块石滑动。同时，因为是散抛石堆积的丁坝，这样坝体表面是不光滑的，且会产生较大的阻碍力，最终形成竖向涡流，而此涡流形式对于块石的带动力更加大，加大了坝体表面的破坏。另外，因为洪水前后坝体的水位变化较大，这会致使水流对于坝的冲刷力变得很强，这就又会使得坝顶的部分靠近下游的块石滑向背水坡。
2.1.3 冲刷坑内块石运动方式
块石在离开坝体之后，会因漩涡作用而运动到冲刷坑边，之后主要运动去向分为以下几种情况：一些将直接滚入坑底，另外一些则会因为某些原因无法滑至坑底，而停在了坑的边缘处。直到下一次洪水来临，上游冲积而来的块石又将重复同样的运动情形，如此周而复始。
2.2坝头冲刷坑演变过程研究
通过对不同洪水重现期的流量过程作用下，丁坝及周围床面变形过程的观察。可以发现不同洪水重现期下水毁过程基本相似，只是不同过程导致的丁坝及其周围冲刷坑冲刷程度不同。
首先枯水期的时候，形成的冲刷带都是由最易启动的细颗粒泥沙组成，之后会随着漩涡规模的不断扩大，冲刷带也会渐渐粗化，且慢慢开始往下游移动。之后是在第一个洪峰过坝时，此时大量泥沙颗粒会被水流带向下游，在冲刷坑形成的同时，坝后沙垄也由于漩涡的作用逐渐成型。而剩余的泥沙则将继续伴随水流往下游移动渐渐沉积下来。其中直径大的泥沙先落淤，造成冲刷坑下游地形高程大于断面平均高程的现象，沙垄高程沿纵向逐渐增大。
2.3 非恒定流作用下丁坝局部冲刷机理
河流内若存在丁坝，则其附近水流流速场和压力场均会发生变化，且会随着非恒定流的不稳定性加强。在洪水期流速场和压力场会随洪水涨落发生大的变化，这就致使泥沙颗粒收到的 作用力即拖曳力和上举力也变化，而形成易于沙粒启动的卡门涡负压区。水流这样的变化过程下，重力会转变为势能。水流也会分成两部分流动，这样将在迎水断面上形成水面横比降，一个垂直面上所有水质点都会受到横向压力作用。坝头平均流速的增加使得流速梯度增加和更加激烈的紊动，这说明了底部流速和漩涡的扰动是造成丁坝附近冲刷的主要原因。
3.基于非恒定流丁坝防护措施
丁坝作为航道整治的主要建筑物，对于它的研究尤为重要，故有了以上的非恒定流情况下的种种研究分析。现在工程中最常用的丁坝是实体丁坝的形式，相比这种坝体漫水和透水丁坝的水毁现象较弱。但是这两种类型的丁坝的阻水作用比较差。绕水丁坝虽然阻水效果强，但是局部冲刷太大，使用寿命短。有了冲刷机理的铺垫，就为解决丁坝的严重的水毁现象提供了理论基础。现在主要的防护措施就是设法在保证丁坝的阻水能力，同时还能降低其受水流的破坏强度。或是在丁坝的铸成材料上给出创新，能够减小摩擦阻力。或是设计出新型的坝体形式，能有力的阻碍水流同时把水毁程度降到最低。
4.结语
丁坝在航道整治工程中的重要性不言而喻，本文是在积累参考了大量文献之后对于丁坝在非恒定流的情况下的冲刷机理做出的研究分析。主要是通过对坝体和坝头的块石运动特点和规律研究，以及对冲刷坑的形成进行研究，最终得出非恒定流情况下丁坝的系列冲刷规律总结，这对于以后解决丁坝的设计问题和预计水毁程度都有很大的帮助。
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论文作者:徐晓菲
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/13
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