丁坝局部冲刷深度的计算

=================================================================

第2卷第2期2004年6月

水利与建筑工程学报

JournalofWaterResourcesandArchitecturalEngineering

Vol.2No.2Jun. 2004

丁坝局部冲刷深度的计算

黄志才1 吴国雄1 程尊兰2

(1.重庆交通学院道路工程系 重庆400074;2.中国科学院~水利部成都山地灾害与环境研究所 四川成都610041)

摘

要:局部冲刷深度是丁坝工程设计中的一个关键参数 本文在对丁坝局部冲刷的过程和影响因素

分析的基础上 根据国内外公开发表的试验资料 采用量纲分析和多元线性回归的方法 建立了清水冲刷条件下丁坝的局部冲刷深度的计算公式 并分析了丁坝与水流夹角~丁坝边坡和非均匀沙对局部冲深的影响系数 得出的公式可供在确定丁坝基础埋深时参考 关键词:丁坝;局部冲刷;冲刷深度中图分类号:TV863

文献标识码:A

文章编号:1672*1144(2004)02*0013*03

FormulaofLocalScourDeptharoundSpurDikes

112

HUANGZhi-cai WUGuo-xiong CHENGZun-lan

(1.HzghZCyEngznee7zngDePC7t?ent Chonggzng zCotongUnzZe7szty Chonggzng400074 ChznC;2.Chengc/1nstzt/teof

o/ntCznHC C7csCncEnZz7on?ent ChzneseA6Cce?yofs6zen6es Chengc/ sz6h/Cn610041 ChznC)

Abstract:Thelocalscourdepthisakeyparameterinthedesignofspurdikes.Basedonexperimentdata adimensionalanalysisfortheestimationoflocalscourdepthispresented.ThescourdepthisrelatedtotheapproachfloWFroudenumber thespurdikelengthisrelatiVetotheapproachfloWdepth floWangle slopeofspurdikeandtheparticlesiZedistributionofthebedsediment.Thetestexperienceformulafores-timationofthelocalscourdepthisalsogiVen itcanbeemployedforengineersinthedeterminationofthespurdikefoundations.

Ke ords:spurdike;localscour;scourdepth

丁坝作为一种调治构造物已广泛应用于航道整治~河道护岸和沿河公路~铁路路基~桥台的防护工程 丁坝按其在平面上的布置形式可分为正挑~上挑~下挑三种形式;按其立面高度可分为不漫水和漫水两种形式

为了适应工程建设的需要 国内外进行了大量关于丁坝冲刷的理论和试验研究 如BoldacoV1956 MatVeeV1957 Garde1961 LiuH.K1961 1971 Gill1972 MelVille1992 [1~2]

;国内的黄科院~长科院~交通部公Roger2002

路科研所等单位也进行了这方面的研究 目前有关MukhamedoV

丁坝局部冲刷的原因 主要认为是由坝头附近的旋涡和下潜水流造成的 而对于丁坝工程设计中的一

个关键参数*坝头的局部最大冲刷深度 许多学者也都提出了各自的计算公式 这些方法可以分为三类:第一类是机理方法 把冲刷深度与坝头水流强度的增加联系起来 如Ahmad1953;第二类是量纲分析方法 将冲深和冲刷相关的一些无量纲参数联系起来 现有的研究大都是属于这种 如Garde1961 MelVille1992;第三类是基于分析的或半经验方法 建立在坝头行近水流和剪应力增加的泥沙输移关系之上 如Laursen1963 Gill1972等 目前我国采用的是前苏联的马特维也夫(MatVeeV)公式 它未考虑行进水深的影响 在工程应用中存在一定的不足 笔者在前人的研究基础之上 通过对丁坝局部冲刷的影响因素分析 根据国

收稿日期:2003-12-29

基金项目:交通部西部交通建设科技项目([1**********]7)

作者简介:黄志才(1980*) 男(汉族) 湖北襄樊人 硕士研究生 主要从事路基路面及防护工程研究

14

水利与建筑工程学报

第2卷

内外公开发表的试验资料,由量纲分析和多元线性回归的方法,建立了清水冲刷条件下丁坝的局部冲刷深度的计算公式,并对丁坝与水流夹角~丁坝边坡和非均匀沙对局部冲深的影响进行了分析O

坝,不考虑粘性,其局部最大冲刷深度可以表示为如下的无量纲关系式2

sD

(1)=kFlo()bKoKmKOg

hh

式中2hs为冲刷稳定深度(m),从平均床面高程计;h为坝头行近水深(m);LD为丁坝在水流垂直方向上的投影长度(m);Fl为行近水流的佛汝德数,Fl=V/(gh)O.5;V为坝头行近流速(m/s);K0为丁坝与水流的夹角对冲深的影响系数,o=9O 时为基数1;Km为坝头边坡对冲深的影响系数,为垂直墙即m=O时为基数1;KOg为河床泥沙不均匀性对冲深的影响系数,认为Ogg1.3时,为均匀沙,修正系数为基数1;k~a~b为待定系数~指数O2.1确定待定系数和指数

要将公式(1)付诸应用,首先必须确定待定系数和指数k~a~b,将式(1)两边取对数得2

lg(

sD

)=lgk+algFl+blg()+hh

1

丁坝的局部冲刷过程

由于丁坝的阻水作用,当上游水流行近丁坝时,

在坝前分为两部分2一部分水流直接绕过坝头,另一部分在坝前受阻力变为螺旋水流并绕过坝脚向下游扩散,形成对床面的冲刷O坝头局部冲刷坑的发展过程可分为三个阶段2初始阶段~发展阶段~稳定阶段O

在初始阶段,旋涡的尺寸和数量较少,但冲刷能力最强,随着冲刷坑范围扩大,旋涡尺寸也不断扩大O在发展阶段,冲坑深度继续增大,但增大速率变

缓,冲坑内泥沙运动大概分为两个区域,即推移区和滑落区,推移区的泥沙被带走,滑落区给予补充;随着冲坑水深增加,底部流速降低,冲刷能力减弱,冲坑的形状基本保持不变,冲刷逐渐稳定O在稳定阶段,垂向旋涡水流对冲坑的冲刷作用明显减弱,冲刷主要由脉动水流引起,发展极其缓慢,直至冲坑的深度和边坡趋于稳定,不再有明显的变化,称之为达到局部冲刷的平衡状态 3,13]O

lgKo+lgKm+lgKOg(2)

所引用的试验资料情况如表1所示 5~6]O由于丁坝挑角为9O ,坝头为垂直边坡,且为均匀沙,故K0=1,Km=1,KOg=1,即式(2)右边后3项等于O,对式(2)作二元线性回归分析,得出未知数k=14.96~a=1.743~b=O.488,代入式(1)得2

ds

=14.96Fl1.743()O.488KoKmKOg(3)hh

用于回归分析的数据共39组,试验实测值与计算值得相关图如图1O

2

丁坝局部冲刷深度的计算

丁坝的局部冲刷是水流~泥沙~丁坝相互作用的

结果,影响局部最大冲刷深度的因素很多,根据物理成因分析,主要有以下几个方面2

(1)水流条件2坝前行近水深h,行近流速U;(2)床沙条件2泥沙的粒径

根据量纲分析原理,取主要因素,对不漫水丁

表1泥沙特征

研究者

Liuetal(1961)Rajaratnam(1963)Dongel(1994)Siow~YongLim(1994)

蒋焕章(2OOO)

O.56O.641.4OO.9OO.94O.84

Og1.171.171.3O1.3O1.251.3O

FlO.15~O.29

O.21O.17~O.31O.17~O.3OO.15~O.27O.18~O.24

图1试验实测局部冲刷比值hs/h与计算值相关图

试验数据分析的条件和参数

参数范围LD/h2.OO~2.172.5O~3.75O.99~1.43O.25~1.15O.33~1.OOO.42~1.53

hs/h1.32~2.941.93~2.3OO.54~1.71O.51~1.83O.24~1.67O.31~1.84

冲刷时间

/h93~14138~155166~6OO15O~18572~193

7

试验组数2269119

第2期黄志才等:丁坝局部冲刷深度的计算

15

2.2

丁坝与水流的夹角对冲深的影响

丁坝与水流的不同夹角9会对水流结构产生不

足这一条件9因此这一界限条件意义不大G蒋焕章[11]在对桥墩局部冲刷自然观测料(d5O=O.17~7Omm)的单因素分析中9得到了冲深随d5O增大而减小的规律G应该说粒径对冲深的影响是存在的9其影响规律还有待进一步研究9在这里先假定其为常数9即无影响G

由于天然河流中的泥沙都为不均匀沙9因此考虑泥沙的不均匀性对丁坝局部冲深的影响尤为必要G泥沙的不均匀性9我们用几何均方差Og来描述G关于非均匀沙的标准9现在尚未取得统一9有学者提同的影响9进而影响到冲刷深度G对于这一影响9用的冲深h 和正挑丁坝的影响系数K 9即不同挑角

冲深h 9O的比值来表示G对于漫水丁坝9工程中以上挑为好9因为水流漫过丁坝后9形成沿坝身方向指向河岸的平轴螺旋流9将泥沙带向河岸一侧9有利于坝后的淤积;而对于不漫水丁坝9一般以下挑为好9此时水流较平顺9环流引起的冲刷较弱9而上挑丁坝会造成坝头水流紊乱9局部冲刷强烈G我们根据重庆交通学院赵世强[7]的16组不漫水丁坝资料9得到了

K 随挑角

变化的数据点群关系9如图2所示G经回归分析后9得到以下关系式:

K =(

O.246

9O

)(4)

图2

丁坝挑角对冲深的影响

2.3

丁坝边坡对冲深的影响

国内外现有的研究表明9丁坝坝头边坡的增大

可以有效的降低冲坑深度和冲坑范围9因此应考虑边坡的影响系数KmG高冬光[8]根据西安公路交通大学的试验资料及1953~1991年间国内外8家试验资料9经过回归分析得到式(5)9该式所依据的试验资料较多9作者推荐用其来表示坝头边坡对冲深的影响GKm=e-O.O7m

(5)

2.4

泥沙的粒径和不均匀性对冲深的影响

关于泥沙粒径对冲刷深度的影响9国内外的研究者进行了一系列研究9Laursen[9](1963)用中值粒径d5O=O.46~2.2mm的床沙对桥墩局部冲刷进行了动床试验9结果表明泥沙粒径对冲刷深度无明显影响;Ettema(198O)和Chiew(1984)指出:对桥墩9泥沙粒径小于1/5O桥墩宽度时9泥沙粒径大小对冲刷深度无影响9Meville[1O]将这一见解用于桥台(丁坝)局部冲刷计算中9即d5Og1/5OLD时9粒径对冲深无影响9但实际上试验模型和工程中的丁坝均满

出粒径的几何均方差Og>1.O时9几乎所有的沙均为非均匀沙9即使试验用沙也很难取得均匀沙的级配9目前采用较多的条件是Og>1.39笔者也采用这一标准G

关于泥沙不均匀性对冲刷的影响9国内外现有的冲刷计算公式中考虑的很少9文中用影响系数KOg来表示9Og=1.3时9KOg=1GForehlich[12]提出的桥台清水冲刷公式中有Og-1.87这一项9作为对非均匀沙的考虑9但他的结论仅用了6个非均匀沙的数据GRaudkivi[13]在桥墩的清水冲刷试验中发现9不均匀性对冲刷深度有明显影响9在水流条件和d5O不变的条件下9Og越大9冲刷深度越大9通过4组不同的d5O(O.559O.8591.9O94.1Omm)9均得到这一趋势G李诚[14]根据Raudkivi的资料进行分析9得出了Og的影响关系9并将其用于桥台的冲刷计算中9而将桥墩的资料用于桥台是否合适9还需进一步考虑G

本文根据搜集的非均匀沙的冲刷试验资料:重庆交通学院的赵世强[5]19组(d5O=O.21mm9Og=1.4398组;d5O=1.35mm9Og=1.61911组)9西安公路交通大学的张义青[15]8组(d5O=O.6Omm9Og=1.9O)进行了分析9如图3所示G图中纵坐标为试验实测值h /h9横坐标为在Ogg1.3的假定下按公式(1)计算的h /hGKOg的定义为其它条件保持不变时9一定Og值(>1.3)的冲刷深与Ogg1.3的冲刷深的比值9由于缺少这些试验情况下Ogg1.3的均匀沙的冲刷试验资料9在这里近似假定按公式(1)计算的冲刷值即为同样工况下Ogg1.3的均匀沙的冲刷值9则图3中直线的斜率K就等于KOg9即K=KOgG从图中可以看出9Og越大9KOg越小9即冲刷深度越小9这个结果与目前对于河床泥沙冲刷时会形成粗化保护层(armouringlayer)9减缓冲刷的程度9并随着不均匀性增大这种作用越明显的认识[5916]相吻合G

(下转第23页)

第2期裴向军等 土石坝稳定渗流量的数值模拟及预测

23

于4个即可建模 对数据选用的方式有 全数据 部分数据 新信息 新陈代谢信息 因而深度挖掘外在信息量对模拟预测更有积极意义 参考文献

[l]

李珍照.大坝安全监测[M].北京 中国电力出版社~

[2][3][4]

l997~4l.

吴媚玲.水工建筑物[M].北京 清华大学出版社~l99l~228

刘思峰~等.灰色系统理论及应用[M].北京 科学出版社~l999~lO5-lO8.

星花水库除险加固整治工程初设报告[R].2OOl~53.

(上接第l5页D

bridgeabutements[J].InternationalJournalofSedi-图3

Og对冲刷深度的影响

根据Og=l.3O~l.43~l.6l~l.9O时~对应KOg

分别为l.OO~O.8l~O.78~O.75进行拟和~得出非均匀沙对冲深的影响系数表达式

KOg=e-O.59Og(6D

将式(4D(5D(6D代入式(3D得到不漫水丁坝的局部冲刷深度计算公式如下

s=l4.96Frl.743(dDO.488(DO.246e-O.O7me-O.59Oghh9O

(7D

3

结语

本文以量纲理论为基础~通过对国内外试验资料的分析~建立了不漫水丁坝清水冲刷的局部最大冲刷深度的计算公式(7D~考虑了水深 流速 坝长 丁坝与水流夹角 坝头边坡 泥沙不均匀性等对冲深有影响的因素 其中~对于泥沙的非均匀性~传统方法很少考虑~一般是将均匀沙 非均匀沙的资料一起来分析~本文对其进行了定量的讨论 由于所用试验资料有限~文中的公式和有关参数还有待其它试验条件和现场实测资料的验证 参考文献

[l]姚乐人.江河防洪工程[M].武汉 武汉水利电力出版社~l999.

[2]

Er.ShriRamCHAURASIA.Localscouraround

mentResearch~2OO2~l7(lD.[3]

GijsJ.C.M.Hoffmans.LocalscourdoWnstreamofhydraulicstructures[J].JournalofHydraulicEngi-neering~l995~l2l(4D.[4]

Ansari~S.A.Influenceofcohesiononscouraroundbridgepiers[J].JournalofHydraulicResearch~2OO2~4O(6D.[5]

SioW-YongLim.

Eguilibriumclear-Waterscour

aroundanabutment[J].JournalofHydraulicEngi-neering~l994~l2O(3D.

[6]蒋焕章.川藏公路(西藏境内D水毁防治物理模型试验研究报告[R].2OOO.

[7]赵世强.丁坝的冲刷机理和局部冲刷计算[J].重庆交通学院学报~l989~(lD

[8]高冬光.公路与桥梁水毁防治[M].北京 人民交通出版社~2OO2.

[9]Laursen~E.M.Analysisofreliefbridgescour[J].JournalofHydraulicdivision~l963~89(3D.

[lO]Melville~B.W.Localscouratbridgeabutments[J].JournalofHydraulicEngineering~l992~ll8(4D.[ll]

蒋焕章.对桥墩局部冲刷影响因素的分析.桥渡冲刷学术讨论会论文集[C].北京 交通部科学研究院~l964~l5-27.

[l2]

TerryWSturm.Clear-Waterscouraroundabut-mentsinfloodplain[J].JournalofHydraulicEngi-neering~l994~l2O(8D.

[l3]

ArvedJ.Raudkivi~RobertEttema~Clea-Waterscouratcylindricalpiers[J].JournalofHydraulicEngi-neering~l983~lO9(3D.

[l4]李诚~李梦成~蒋焕章.桥台局部冲刷的计算方法[J].长沙铁道学院学报~2OOl~l9(lD.

[l5]

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~l997~l7(4D.

[l6]

Melville~B.W.Pileandabutmentscour integratedapproach[J].JournalofHydraulicEngineering~l997~l23(2D.