基于減小壩頭局部沖刷的非淹沒式水力插板透水丁壩群優化試驗

張 凱，侍克斌，李玉建

（新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊830052）

基于減小壩頭局部沖刷的非淹沒式水力插板透水丁壩群優化試驗

張 凱，侍克斌，李玉建

（新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊830052）

為了尋找水力插板透水丁壩群減小壩頭局部沖刷的最佳設計參數和布置方案。文章在雙丁壩布置的情況下，通過改變第二、三個丁壩的間距，第三個丁壩的挑角、透水率、長度進行單因素試驗，得出各單因素與第三個丁壩壩頭沖刷坑深度的回歸方程。再從每組單因素試驗結果中選擇最佳試驗水平，利用L9（34）正交試驗設計表設計4因素3水平的正交試驗。正交試驗結果表明：4個單因素對第三個丁壩壩頭沖刷坑深度的影響為：丁壩長度＞丁壩間距＞丁壩透水率＞丁壩挑角。水力插板透水丁壩群減小壩頭局部沖刷的最佳設計參數和布置方案：第一個丁壩長度，第二個丁壩長度，第三個丁壩長度與河寬的比值分別為0.25、0.21、0.21；第一個、第二個丁壩透水率為30%，第三個丁壩透水率為20%；第一、二個丁壩間距與第一個丁壩長度的比值為3，第二、三個丁壩間距與第二個丁壩長度的比值為2；第一個、第二個和第三個丁壩挑角為60°。

水力插板透水丁壩；丁壩群；壩頭沖刷；丁壩間距；挑角；透水率；丁壩長度；正交試驗

水力插板技術誕生于1992年，是一個具有多種工程技術優勢的一門全新技術［1］。由于水力插板技術具有預置化程度高，工程造價低，施工周期短等優點。經過20多年的發展，水力插板技術在橋梁基礎工程［2］、河道整治工程［3］、海港工程等多種工程技術領域中廣泛應用［4］。有學者將透水丁壩與水力插板技術相結合，提出水力插板透水丁壩新型水工建筑物，水力插板透水丁壩整體輪廓見圖1。并對水力插板透水丁壩進行數值模擬和動床模型試驗，發現水力插板透水丁壩緩流促淤和防護堤岸的效果比其他類型丁壩顯著［5-6］。任何類型丁壩都無法避免局部沖刷和沿程沖刷，而壩頭局部沖刷嚴重威脅丁壩的穩定性和安全性［7］。有學者通過研究提出合理的單丁壩及雙丁壩設計參數和布置方案［8-12］。而實際工程中往往是由丁壩群產生的累積效應來充分發揮丁壩的作用［13］。所謂累積效應是指由河流中多個水工建筑物共同作用影響下的連鎖反應產生的疊加效應，表現為河流中多個水工建筑物的共同影響下時間、空間、多元耦合等方面累積起來的差異性或非線性變化［14］。因此，合理的布置和設計丁壩群對于其累積效應作用的發揮至關重要，還沒有學者進行深入的研究。筆者在已有的研究基礎上，通過單因素試驗，正交試驗尋找減小局部沖刷的水力插板透水丁壩群最佳設計參數和布置方案，為實際工程中水力插板透水丁壩的應用提供參考。

圖1 水力插板透水丁壩整體輪廓Fig.1 Hydraulic flashboard permeable spur dike outline

1 單因素試驗

1.1 試驗總概況

模型試驗是在長10 m，寬1.2 m，高0.4 m，底坡i=1/4 000的磚砌式混凝土水槽中進行。水槽進水口設置有消能欄柵進行消能，在離進水口6 m處放置丁壩群進行試驗。試驗的平面布置圖見圖2，丁壩所在水槽橫斷面布置見圖3。每次試驗流量均為16.03 L/s，所用模型沙為均勻河沙，粒徑范圍為0.3～0.6 mm。為了更好的反映沖刷特性，采用清水進行試驗。Garde［15］通過試驗研究表明經過3～5 h，丁壩壩頭的局部沖刷趨于穩定且壩頭沖刷坑深度達到最大值，結合自身試驗條件保證在試驗沖刷效果明顯的前提下，放水時間定為3 h。

1.2 單因素試驗分組設計

如表1所示，參考資料［10-12］，在雙丁壩布置的情況下（第一個丁壩長度與河寬的比值為0.25，第二個丁壩長度與河寬的比值為0.21，第一、二個丁壩透水率30%，第一、二個丁壩挑角60°，第一、二個丁壩間距與第一個丁壩長度的比值為3）。分別改變第二、三個丁壩的間距，第三個丁壩的挑角、透水率、長度進行4組單因素試驗。每組單因素試驗在其他試驗參數不變的前提下，依次改變所研究的試驗參數進行若干次試驗，每次試驗用測針測量第三個丁壩壩頭沖刷坑深度。每次試驗結束后，壩頭沖刷坑填平，河床恢復平整。

圖2 試驗平面布置圖（單位：mm）Fig.2 Plan layout of test

圖3 水力插板所在水槽橫斷面布置圖（單位：mm）Fig.3 Cross section layout of hydraulic flashboard permeable spur dike

2 單因素試驗結果與分析

2.1 丁壩間距對于壩頭沖刷坑深度的影響

由圖4可見，第三個丁壩壩頭沖刷坑深度與丁壩間距的回歸方程為：Y=0.001 2 x2-0.116 4x+5.984 6，相關性R2=0.943 2。

2.2 丁壩挑角對于壩頭沖刷坑深度的影響

由圖5可見，第三個丁壩壩頭沖刷坑深度與丁壩挑角的回歸方程為Y=-0.000 5 x2+0.088 1 x+ 0.643 8，相關性R2=0.871 4。

2.3 丁壩透水率對于壩頭沖刷坑深度的影響

由圖6可見，第3個丁壩壩頭沖刷坑深度與丁壩透水率的回歸方程為：Y=0.000 4 x2-0.060 4 x+4.546 3，相關性R2=0.928 7。

表1 單因素試驗分組設計Tab.1 Single factor test grouping design

圖4 壩頭沖刷坑深度與丁壩間距的關系Fig.4 Relationship between scour depth and spur dike spacing

圖5 壩頭沖刷坑深度與丁壩挑角的關系Fig.5 Relationship between scour depth and layout angle

2.4 丁壩長度對于壩頭沖刷坑深度的影響

由圖7可見，第3個丁壩壩頭沖刷坑深度與丁壩長度的回歸方程：Y=1.628 8e0.028 8x，相關性R2=0.943 9。

圖6 壩頭沖刷坑深度與丁壩透水率的關系Fig.6 Relationship between scour depth and permeable rate

圖7 壩頭沖刷坑深度與丁壩長度的關系Fig.7 Relationship between scour depth and spur dike length

3 正交試驗

3.1 正交試驗表的選擇

根據單因素試驗的結果，選取各因素中最佳試驗水平設計正交試驗。試驗選擇L9（34）正交表，即丁壩間距、丁壩挑角、丁壩透水率、丁壩長度4個因素。每個因素選取3個最佳試驗水平進行正交試驗。

3.2 最佳試驗水平的選擇

3.2.1 丁壩間距水平的選擇

丁壩間距對于水力插板透水丁壩群的布置至關重要，合理的丁壩間距可以在充分發揮丁壩作用的前提下降低工程造價，有學者認為合理的丁壩間距為前一個丁壩長度的1.5～3倍［16］。因此選擇第二、三個丁壩的間距為45 cm，50 cm，55 cm，分別為第二個丁壩長度的1.8倍，2倍，2.2倍。且圖4中這三個點的關系符合用優選法從單因素試驗中選擇最佳試驗水平的基本要求［17-19］，最終選擇丁壩間距45 cm，50 cm，55 cm做為正交試驗的三個水平。

3.2.2 丁壩挑角水平的選擇

下挑布置丁壩和上挑布置丁壩對于主槽水流流線的改變和影響沒有正挑布置丁壩大。關于采用上挑布置丁壩還是下挑布置丁壩的問題上，有學者提出丁壩布置應該采取下挑式，小挑角布置。下挑布置丁壩更加順應水流的流動方向［8］，但挑角不應該過小。否則在相同壩長的情況下，挑角越小，丁壩的有效壩長越小，丁壩護岸的范圍也就越小，護岸效果越不明顯。選擇丁壩挑角為45°，60°，75°，且圖5中這三個點的關系符合用優選法從單因素試驗中選擇最佳試驗水平的基本要求，最終選擇丁壩挑角45°，60°，75°做為正交試驗的三個水平。

3.2.3 丁壩透水率水平的選擇

丁壩的透水率越小，丁壩對水的阻擋作用越明顯，壩頭水流的擾動作用更加強烈，壩頭沖刷坑深度也會變大。丁壩透水率過大會減弱丁壩對堤岸的保護作用，緩流促淤的效果也不顯著。有學者提出合理的丁壩透水率為20%～40%［9］，因此選擇水力插板透水率分別為20%，30%，40%。且圖6中這三個點的關系符合用優選法從單因素試驗中選擇最佳試驗水平的基本要求，最終選擇水力插板透水率20%，30%，40%做為正交試驗的三個水平。

3.2.4 丁壩長度水平的選擇

有學者認為丁壩在垂直于水流方向的投影長度與河寬之比大于0.33是長丁壩，小于0.33是短丁壩［20］。長丁壩的作用除了護岸之外，主要的作用在于挑流，改變主槽水流的方向。短丁壩對于主槽水流方向的改變沒有長丁壩顯著，主要是改變局部水流方向，短丁壩的護岸效果也比長丁壩好。結合其滿水庫河道的實際情況和防護目的，決定選用短丁壩進行研究。選擇長度為20 cm，25 cm，30 cm的水力插板，水力插板在垂直于水流方向的投影長度與水槽長度之比分別為0.17，0.21，0.25。且圖7中這三個點的關系符合用優選法從單因素試驗中選擇最佳試驗水平的基本要求，最終選擇水力插板長度20 cm，25 cm，30 cm做為正交試驗的三個水平。

3.3 正交試驗因素水平表概況

正交試驗因素水平如表2所示。

3.4 正交試驗結果及分析

3.4.1 正交試驗設計及結果

由表3可以看出，極差D＞極差A＞極差C＞極差B，4個因素對水力插板透水丁壩壩頭沖刷坑深度的影響為：丁壩長度（D）＞丁壩間距（A）＞丁壩透水率（C）＞丁壩挑角（B）。4個影響因素中，丁壩長度對于壩頭沖刷坑深度的影響最為明顯。

3.4.2 驗證試驗

按方案為A2B2C1D2進行3次平行試驗，第三個丁壩壩頭沖刷坑深度的平均值為1.9 cm，均低于表3中每一項的試驗結果，所以水力插板透水丁壩群減小壩頭局部沖刷的最佳設計參數和布置方案是為A2B2C1D2，即第一個丁壩長度，第二個丁壩長度，第三個丁壩長度與河寬的比值分別為0.25、0.21、0.21；第一個、第二個丁壩透水率為30%，第三個丁壩透水率為20%；第一、二個丁壩間距與第一個丁壩長度的比值為3，第二、三個丁壩間距與第二個丁壩長度的比值為2；第一個、第二個和第三個丁壩挑角為60°。

表2 壩頭沖刷坑深度L9（34）正交試驗因素水平表Tab.2 Orthogonal experiment factor level of scour depth of spur dike

表3 壩頭沖刷坑深度L9（34）正交試驗設計及結果Tab.3 Orthogonal experiment design and result of scour depth of spur dike

4 結論

（1）得出了第三個丁壩壩頭沖刷坑深度與丁壩間距、丁壩挑角、丁壩透水率、丁壩長度的回歸方程。（2）4個因素對第三個丁壩壩頭沖刷坑深度的影響為：丁壩長度（D）＞丁壩間距（A）＞丁壩透水率（C）＞丁壩挑角（B）。（3）水力插板透水丁壩群減小壩頭局部沖刷的最佳設計參數和布置方案：第一個丁壩長度，第二個丁壩長度，第三個丁壩長度與河寬的比值分別為0.25、0.21、0.21；第一個、第二個丁壩透水率為30%，第三個丁壩透水率為20%；第一、二個丁壩間距與第一個丁壩長度的比值為3，第二、三個丁壩間距與第二個丁壩長度的比值為2；第一個、第二個和第三個丁壩挑角為60°。

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Optimization test of hydraulic flashboard permeable spur dike group based on reducing jetty head scour depth

ZHANG Kai，SHI Ke?bin，LI Yu?jian
（College of Civil and Hydraulic Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China）

In order to explore the optimal design parameter and layout scheme of hydraulic flashboard perme?able spur dike group,the single factor experiment was carried out on the basis of the changes of the layout angle,permeable rate of hydraulic flashboard and spur dike length of the third spur dike and the variation of space be?tween the second and the third spur dike.The regression equation between single factor and the scour depth of the third jetty head was concluded.The best test level in each group of single factor test result was chosen,and the L9（34）orthogonal experiment design table was used to design the orthogonal experiment of 4 factors and 3 levels.The results of orthogonal experiment show that the influences of 4 factors on the third jetty head scour depth are in the order of the spur dike length＞spur dike spacing＞the permeable rate of spur dike＞layout angle.In order to reduce the jetty head flush,the optimal design parameter and layout scheme of hydraulic flashboard permeable spur dike group could be listed as follows:the ratio of the first spur dike length,the second spur dike length and the third spur dike length to river width is 0.25,0.21 and 0.21 respectively.Both the first and the second spur dike permeable rates are 30%,while the third spur dike permeable rate is 20%.The ratio of the spacing between the first spur dike and the second spur dike to the length of the first spur dike is 3,and the ratio of the spacing between the second spur dike and the third spur dike to the length of the second spur dike is 2.The layout angle of the first,the second and the third spur dike is 60°.

hydraulic flashboard permeable spur dike;spur dike group;local scour of jetty head;spur dike spacing;layout angle;permeable rate;spur dike length;orthogonal test

TV 83

A

1005-8443（2016）06-0599-05

2016-07-11；

：2016-10-10

國家自然科學基金項目（51469032）；新疆水利水電工程重點學科基金資助項目（xjzdxk-2010-02-12）；新疆高校科研計劃項目（XJEDU2013I12）

張凱（1990-），男，新疆烏魯木齊人，碩士研究生，主要從事水利水電工程研究。

Biography：ZHANG Kai（1990-），male，master student.