不同型式丁坝推移质输沙率沿程变化分析

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【摘要】丁坝是航道整治工程中最常见的一种建筑物。在河道中水流受到丁坝的阻碍，紊动特性发生了很大的变化，推移质输沙率也随之改变，本文通过试验数据分析，研究不同坝体型式的丁坝推移质输沙率沿程变化规律。

【关键词】丁坝 推移质 输沙率 沿程变化

一、概述

在航道整治和维护的过程中，丁坝是一种最常用的整治建筑物，但是丁坝在使用过程中，由于坝体结构的影响，使水流结构发生变化，从而引起丁坝周围河床的冲刷，在以往的研究中，研究者大多从冲刷形式和冲刷坑变化的角度进行研究，对于受到不同型式丁坝影响后泥沙沿程的变化规律研究较少，为了能够准确的把握河床泥沙的变化规律，进行推移质输沙率沿程变化分析显得很有必要。

二、推移质输沙率计算公式的选择

山区推移质输沙率计算公式是山区河流进行科学研究的基础，也是航道工程应用的主要依据。长江上游河流泥沙运动复杂，目前推移质输沙率公式较多，但公认的精度较高的输沙率公式还未在国内得到推广。通过分析发现，国外的实测分析资料一般都来自中小河流，利用这些分析资料得出的推移质输沙计算公式，对于大江大河来说，计算精度就得不到保证。

适合我国河流的推移质输沙率公式有很多，经过对比检验，得出Engelund-Hansen公式精度相对最高。因此在众多计算推移质输沙率计算公式中，选择出Engelund-Hansen公式来计算推移质输沙率，公式形式为：

（1）

式中：u为断面平均流速；d50为中值粒径；τ0为床面平均水流切应力；γs为泥沙重度； γ为水体重度； g为重力加速度。

三、推移质输沙率沿程变化分析

在河道中设置不同型式的丁坝，选取工况M4和工况M5作对比研究，根据公式（1）进行计算，得出所选相应断面的推移质泥沙输沙率，根据计算数据绘出沿程变化图，最后进行对比分析。

表1 冲刷试验工况组合

推移质在床面层中以滚动、滑动及跳跃的形式运动。在局部冲刷初期，水流冲刷坝头附近床面，并往下游挟运泥沙形成淤积。随着坝头冲刷量逐渐增加，坝下游的淤积体也逐渐下延变宽，相应回流区也随之变小，如各工况地形图所示。坝头上游水流行进至丁坝时，在坝前分成两部分：一部分直接绕过坝头，另外一部分在坝前受阻变为螺旋水流冲刷床面，并直接绕过坝脚向下游扩散，二者的综合作用导致坝头部位的冲刷。一定的水流、泥沙条件下，水流只能输送一定数量的推移质。如果河流上游推移质来沙量超过本河段的输沙率就会发生淤积，反之则会冲刷。

图1 工况M4最终冲刷地形图

图2 工况M4推移质输沙率沿程分布图

从工况M4推移质输沙率沿程分布图（图2）可以看出，在丁坝上游（横坐标数值为正值）推移质输沙率的平均值为0.2kg/（s.m），只相当于坝头过水断面（横坐标数值为0值）推移质输沙率值的1/6，即单位时间内通过过水断面的推移质数量只有坝头过水断面的1/6。坝头过水断面（横坐标数值为0值）位置是一个转折点，在这个位置，由于丁坝束窄过水断面，来水流速增大，而且受丁坝的影响，河道流水产生了涡漩，紊动能增大，推移质泥沙在这两个因素的影响下，原来的床沙部分转化成推移质，随水流移动，加大了这一点的推移质输沙率。结合工况M4的地形图可以看出，输沙率陡增位置也正是冲刷坑的起冲点。即此时河床的床沙开始启动，随水流开始向下游移动，这种状态的出现与之前分析的坝后冲刷机理相吻合。

图2还显示出，转折点之后，推移质输沙率整体有减小趋势，原因是来水经过丁坝所在过水断面之后，水流的过水断面变宽，流速减小，推移质中较粗的部分转化成床沙，而且此时紊动强度也在减弱，推移质中的部分粗砂动力减小，最终停止运动。对比地形图来看，在相应的位置确实有淤积，这说明推移质输沙率沿程分布情况与所测地形图基本吻合，而且也符合相应的冲刷机理。

从工况M5推移质输沙率沿程分布可以看出，其大概走势与工况M4大致相同。不同的是在工况M5推移质输沙率沿程分布图中出现了两次大的波动：一次在丁坝所在的过水断面上，另一次是在坝后，第一次说明在来水水流过坝时，由于水流流速增大，使床沙中粗砂起动转化成了推移质，第二次则是由于水流过坝后出现卡门涡，紊动强度增大，此时输沙率的峰值高于第一个峰值。

四、结论

（1）由于丁坝对水流的扰动，使水流紊动特性增强，导致丁坝冲刷坑的起冲点位置输沙率陡增，从这个点开始河床的床沙开始启动，随水流开始向下游移动。

（2）在丁坝转折点之后，推移质输沙率整体有减小趋势，此时粗砂回归于河床，在实际工程中，可以采用粗砂护底，保证河床不被冲刷。

（3）对比二种工况，可以发现圆弧断面坝体优于梯形断面坝体，建议在实际工程中优先选用。