1. 重庆交通大学 河海学院 重庆 400074
摘要：丁坝是河道整治及护岸工程中常用的重要工程措施，在国内外航道整治工程中应用较多，普遍应用于护岸、航道和公路路基以及桥位调治构造物等的防护工程。在河道上修建丁坝后，局部河道的水流特性将发生一定的变化，开展相关的研究有助于了解丁坝附近的冲刷机理。除此之外，由于存在时间的增长，结构老化，还受到动力，结构，人类活动和维护等因素的影响，丁坝会出现老化导致损坏。近年来相关学者也关注到了这个现象，对丁坝损坏问题进行了定量性的研究并取得了一定的成果。
关键词：丁坝局部冲刷；冲刷机理；防护措施
1 丁坝附近的水流结构
多位学者先后对工程中被广泛应用的非淹没丁坝附近的水流结构进行了细致研究，认为丁坝的阻水作用使得上游侧水位壅高，在丁坝上游形成局部的水面横比降，使流线向对岸偏转。偏转后的流线 一部分绕过坝头，另一部分顶冲在丁坝上游面上。顶冲水流以 垂向最大流速面为界，上部水流边上升边向坝头方向偏转，从水面处绕过坝头，下部水流下潜至河底，在横向水压力作用下向坝头偏转，紧贴河底绕过坝头。上游坝脚处相对静水区在绕 坝主流的剪切作用下形成一个不大的回流区。表层水流绕过 坝头后受惯性作用继续向对岸偏转，与坝头发生边界层分离，在丁坝下游不远处形成收缩断面。在收缩断面处，水位低于原河道水位，形成始于收缩断面延伸至回流区末端的逆坡，水面线呈 V形。坝前水面线纵向比降的局部增大，使得在收缩断面处形成冲向河底的下降水流。过坝后高速主流区与坝后相对 静水区之间产生强烈的剪切作用。在纵向剪切力和横向水压 力的共同作用下，坝后形成一个较大的回流区。底层水流绕过 坝头后是以马蹄形状的旋涡的方式扇形流动。
2 丁坝坝头的冲刷机理
由于在丁坝附近的水流结构异常复杂，所以学术界一直没有对丁坝坝头局部冲刷的机理形成统一的认识。当前学术界对丁坝坝头水流结构主要存在4种学说：马蹄形旋涡学说、单宽流量增大学说、下潜水流学说和综合学说。
（1）马蹄形旋涡学说。该学说认为，往坝面方向流动的水在丁坝的附近形成绕丁坝坝头靠近河底流向下游的马蹄形旋涡，将泥沙冲起并带走，形成冲刷坑。
（2）单宽流量增大学说。该学说认为，被丁坝拦截的水流 被迫从坝头绕流，使丁坝坝头附近的单宽流量增大，水流冲刷 能力增强，造成坝头局部冲刷。
（3）下潜水流学说。该学说认为，冲向坝面的水流受到阻 碍以后，在压力差的作用下，一部分水流折转向下运动形成下 潜水流，使得坝头附近底部流速增大，造成局部冲刷。
（4）综合学说。该学说认为，局部冲刷是单宽流量及近底 纵向流速在坝头附近沿程增大，以及坝头附近流带弯曲，面流 与底流流向偏角差异形成的螺旋流有助于冲刷坑内泥沙横向 输移造成的 [ 1，4]。
弄清楚影响丁坝坝头局部冲刷的诸多因素中哪一个或哪几个是主要影响因素对坝头冲深计算和坝头局部冲刷的防护有非常重要的意义。丁坝的局部冲刷是许多因素共同产生的结果，坝头附近单宽流量的增大是形成局部冲刷的主要因素，马蹄形旋涡和下潜 水流对底部流速增大也对水流冲刷能力的增强起着重要作用。除此之外，坝头周围水流的三维紊动增强了水流输沙能力，对局部冲刷有加剧作用。
3 丁坝坝头局部冲刷的影响因素分析
水流、河床和丁坝三者相互作用使丁坝坝头局部产生冲刷，局部冲刷的影响因素必须同时充分反映这三者的特征。水流特征因素通常选取丁坝上游行近流速、行近水深、体积比含沙量；河床的特征因素通常选取河宽、床沙中值粒径、床沙水下容重、床沙粒径几何标准偏差及床 沙黏性；丁坝的特征因素通常选取坝长、坝宽、边坡和端坡系数及丁坝挑角。
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3.1 水流因素
关于丁坝坝头局部最大冲刷深度与行近流速的关系，研究结果基本一致，认为在行近流速超过丁坝上游河床泥沙起动流速之前，最大冲深随行近流速的加快而加深，超过之后冲深与行近流速大小无关。
3.2 河床因素
研究发现，最大冲深受土壤黏性的影响，当冲深发展到较厚的黏土层时，便不再向下发展。最大冲深与床沙粒径和不均匀性的关系，存在不同的认识。粒径关系尚有不少争论，各种认识相互矛盾，对于细沙多沙河流尚无参考价值。
3.3 丁坝因素
挑角对最大冲深点位置和冲深大小都有重要影响，在保持丁坝在垂直水流方向投影长度不变的情况下，随着挑角由 0°变 为 180°，最大冲深点位置逼近坝前，冲深随挑角的增大一直 增大。但更多人认为在 120°左右时局部冲刷达到最不利情况，冲深达到最大。坝长对最大冲深的影响还存在争论。Ne i l和蒋焕章认为 冲深只与坝长的绝对长度有关，而与河宽无关；Grade，Gill等把缩窄度 η=（B-b）/B当成冲刷深度相关分析中的主要参数；Kwan对丁坝附近流态的研究表明，受丁坝影响的水流范围是很小的，仅延伸到丁坝前缘以外大约 0. 1～ 0. 5倍坝长距离 的水流范围内，这一范围之外的邻近水流实际没有受到丁坝影 响，对冲刷过程似乎不起重要作用，因此应选取丁坝长宽比作 为当前分析的一个特征冲刷参数。实际上，这类研究在工程上 意义不大，因为在天然宽河道上河宽、丁坝长宽比等对坝头冲 深没有直接影响，而在窄河道，按目前的通行做法，则又不允许 设置丁坝。
张义青等研究发现，边坡系数 m越大，最大冲深越小，且减小的速率变小，但金仁义认为边坡坡度不宜太缓，否则会 减小丁坝上游回流区尺度，导致水流直接顶冲丁坝，造成丁坝 上游坡脚冲刷。端坡系数小些有利，可以减缓坝前水流下 降作用，使冲坑范围减小，最深点远离坝脚；金仁义研究发现，坝头形状设计成圆头型虽然可改善坝前水流流态，缓和局部冲 刷，但也使回流区尺度减小，对水深的缩窄作用减弱，对于护岸 和航运效益的发挥都是不利的，因此坝头形状宜设计成矩形。丁坝在河床上所处的位置对冲刷也有重要影响，万艳春等研究发现，在相同条件下，弯道凹岸处首丁坝比直段处冲深约 大 1. 3倍，首丁坝比其他丁坝冲深大 1. 3倍。尽管这些研究成果尚难有普遍性，但对于工程设计是颇有意义的。
4 丁坝的防护措施
根据张俊华等人的整流桩防护试验研究实验，丁坝坝头的失稳不是水流对根石的直接冲刷造成的，而是由于冲刷坑的发展引起根石坍塌所致。减轻水流对坝头局部 河床的冲刷强度，或使冲刷坑偏离坝头，这正是整流桩通过改善水流结构而达到的目的。所以得到结论，整流桩防护对丁坝的防护效果较好。
5 结论
（1）水流结构是开展后续研究的基础。丁坝局部冲刷的三 维性极强，冲刷机理十分复杂，受测试技术所限，目前还未能确切、精细描述和定量。
（2）由于对水流结构认知水平所限，诸如相对回流区长度 与断面缩窄比是否存在相关关系、相对回流区长度野外观测值 与概化公式为何差距甚远、对坝头局部冲刷有重要影响的各因 素中哪一个或哪几个占主导等问题尚无定论。
（3）对于坝头局部最大冲深影响因素的研究甚多，有些因素对冲深的影响已经基本明确，比如行近流速、边坡系数和坝头形状等；但有些因素的研究结果不一，比如行近水深、泥沙粒 径和不均匀性、挑角、坝长、河宽；还有一些对冲深有重要影响 的因素研究很少，比如丁坝在河床上所处的位置、群坝中丁坝 之间的相互掩护作用等。
参考文献：
[1]周哲宇，等.丁坝局部冲刷研究现状与展望［J］.人民黄河，2010（6）：18-21.
[2]磊，苗润泽，钟德钰，细沙河床丁坝局部冲刷深度计算公式的验证［J］. 水力发电学报，2014（2）：122-130.
[3]Gill M A. Erosin of sand beds around Spur-dikes. ASCE J of hydraulic Division，1972，Sep 3 4 5 6 7
论文作者:李鸿儒1
论文发表刊物:《防护工程》2019年16期
论文发表时间:2019/12/17
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