一種可調整與河岸夾角的透水丁壩設計

白靚如，楊曉霞

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450046）

丁壩是河道整治工程中常用的建筑物，其主要作用是：束窄河槽、提高流速、沖刷淺灘；制造環流、橫向導沙、增加航道水深；淤高河灘、保護河岸等[1]。但是傳統的實體丁壩施工進度慢、穩定性差，在突發洪水時易遭到破壞，防洪搶險的風險較大[2]。透水丁壩是基于傳統實體丁壩而創新的一種新型河工整治建筑物，有學者于1992 年首次提出水力插板技術，如圖1 所示，并將該技術應用于濱海油田的堤防工程[3]；1998 年李西平[4]等提出井柱網格透水丁壩新技術，并將該技術應用到淮河的最大支流-沙河上；劉國起[5]等針對新疆沙漠段多沙河流，首次提出將透水丁壩和水利插板這兩種技術相結合的水力插板透水丁壩新型護岸建筑物；高先剛[6]等對樁式透水丁壩進行動床模型試驗，分析河床形態及沖淤特性，結果表明挑角和透水率影響較大，最適挑角45°～90°，最適透水率20%～30%。一些發達國家對透水丁壩的形式及工程應用做了許多研究[7-9]。近些年，在長江航道治理工程中也開展了不少新型透水丁壩的研究及應用，劉煥芳[10]等基于物理模型試驗建立能量方程，推導出樁柱透水丁壩的壅水高度的計算公式；丁晶晶[11]等研究了混凝土四面透水框架在改進丁壩結構型式的應用，試驗表明透水丁壩頭局部沖刷坑深度得到有效控制；常留紅[12-13]等依托長江南京下游12.5 m 深水航道建設工程，提出了一種空心梯形塊結構型式的透水丁壩，研究了其適用條件及局部水力特性；許百強[14]等通過水槽概化模型試驗研究了長江上游透水丁壩水面線分布情況，結果表明透水丁壩對上游壅水的效果強于實體丁壩，而且還具有減輕丁壩水毀、延長丁壩使用壽命以及改善生態環境等優點；閆杰超[15]等結合物理水槽試驗和理論分析，研究淹沒齒型丁壩阻力與其壅水響應關系，結果表明其阻力系數大小主要與無量綱淹沒度和相對壩長有關。閆繼紅[16]等依托孟加拉國賈木納河右岸丁壩防護項目，探討丁壩壩頭處沖刷機理及其主要影響因素并提出防護改進措施。

圖1 水力插板技術

但是在實際工程中，現有透水丁壩一旦修建不能隨意拆除，且對于能夠適應多種水流條件的透水丁壩的研究較少。本文提出了一種新型矩形透水丁壩的設計思路，非汛期時，合理設置壩體與河岸角度及透水率，束窄河槽以滿足通航要求；汛期時，可根據來流特點改變壩體透水率，調整壩體使之與堤岸接近平行，有效降低水流與壩體的正面沖擊，適應多種水流條件。

1 新型透水丁壩結構設計

1.1 壩體的整體設計

壩體由主壩體和設置在主壩體前為迎水面的副壩體組成，均勻對應開有多個矩形過水孔洞，如圖2（a）所示，三維結構圖如圖3 所示。主壩體正面左右兩端豎向設有固定臺，固定臺上端開有對稱軸孔，其間設有螺紋絲桿，螺紋絲桿的兩端都通過軸承套裝在對應固定臺的軸孔內。螺紋絲桿的右端穿過軸承并固定有帶把手的轉盤，副壩體的上端面左右兩端對稱設有中部帶螺紋孔的連接臺，連接臺套裝在螺紋絲桿上，下端通過支撐臺連接在一起，支撐臺中部橫向開有滑槽。副壩體的底部兩端對稱固定安裝有2 個滑輪。滑輪套裝在支撐臺上的滑槽內，主壩體的正面與副壩體的背面接觸連接。

當通過把手順時針轉動轉盤時，轉盤帶動螺紋絲桿轉動，螺紋絲桿轉動的同時，套裝在螺紋絲桿上的連接臺會沿螺紋絲桿向左移動，連接桿移動的同時會帶動副壩體通過底部的滑輪沿支撐臺上的滑槽向左移動，此時由于副壩體的位置發生變化，主壩體與副壩體上原本重疊的過水孔洞發生錯位移動，使副壩體遮擋住了主壩體上的過水孔洞，所以減少了壩體的過水量，如圖2（b）所示。

圖2 壩體結構設計

圖3 透水丁壩3D 效果示意

1.2 壩體與堤岸的連接設計

透水丁壩豎向設置在河道一側的鋼板樁上，鋼板樁下段固定在河道地基中，上段的背面有兩個固定在河堤內的橫柱，鋼板樁的上段前側中部豎向開有凹槽，凹槽前側的河道內豎向設有矩形壩體，如圖4 所示。

圖4 壩體與堤岸的連接設計

鋼板樁上凹槽的長度等于壩體的高度，壩體臨近河岸的一側為近岸面，遠離河岸的一側為遠岸面，壩體遠岸面中部靠下的位置處橫向設有牽引環，近岸面與鋼板樁的凹槽通過鉸鏈鉸接固定在一起。

1.3 壩體與堤岸的傳動結構設計

河岸上設置牽引車，牽引車的移動軌跡與河岸邊平行，并且在河岸上沿著牽引車的移動軌跡線均勻設有多個固定樁槽，在牽引車前后兩端臨近的固定樁槽內安裝固定樁用來限制牽引車的位置，如圖5 所示。

圖5 壩體與堤岸牽引設計

在河岸的邊緣處沿河道平行鋪設固定軌道，固定軌道底部沿軌道方向均勻開有多個保險孔，如圖6 所示。固定軌道上設有導向臺，導向臺底部固定在固定軌道內，并可沿固定軌道前后移動，導向臺上端面后端豎向設有限位螺栓，擰緊限位螺栓可以固定導向臺在固定軌道上的位置，導向臺上端面前端豎向開有貫穿導向臺的銷孔，銷孔內套裝有保險銷，保險銷的下端穿過導向臺延伸至固定軌道內對應的保險孔內，當限位螺栓松動時保險銷也能限制導向臺在固定軌道上的位置。導向臺上端面中部固定設有導向輪，壩體上的鋼絞繩通過導向輪導向后固定在牽引車上，當牽引車向前移動時，通過鋼絞繩拉動壩體繞鋼板樁逆水流向河岸移動。

圖6 堤岸固定軌道

2 布置方案

枯水期來臨時，透水丁壩群要達到最大阻水效果，使水位壅高達到正常航運水深，防止在壩前發生挑流，可將丁壩群縱向排列布置，如圖7 所示。首先將牽引車前后兩端固定樁槽內的固定樁拆除，然后向后移動牽引車使壩體受水流沖擊沿水流方向繞鋼板樁旋轉移動，當壩體與水流方向的夾角呈90°時，停止移動牽引車，在牽引車前后兩端臨近的固定樁槽內安裝上固定樁，用來限制牽引車的位置，此時由于牽引車的位置被固定，所以壩體位置也被固定。此時，透水丁壩達到最大阻水效果。

圖7 透水丁壩群縱向排列布置

中水期時，可根據實際航道水深的需要靈活調整壩體與河岸的夾角。

汛期來臨時，為了拓寬河道，達到快速泄洪的目的，首先將導向臺上的保險銷從銷孔內拔出，之后將牽引車前后兩端固定樁槽內的固定樁拆除，接著向前移動牽引車通過鋼絞繩拉動壩體，使壩體繞鋼板樁逆水流向河岸旋轉移動。移動牽引車時，擰松導向臺上的限位螺栓，沿牽引車移動方向推動導向臺，當導向臺移動到固定軌道最前端時，擰緊限位螺栓，將導向臺固定在固定軌道上，并將保險銷插進銷孔內，此過程中牽引車繼續移動，當壩體貼近岸邊時，停止移動牽引車并在牽引車前后兩端臨近的固定樁槽內安裝固定樁，用來限制牽引車位置，由于固定臺和牽引車的位置都被固定，所以壩體位置也被固定，此時壩體貼近河岸，河道最寬。

汛期過后，來流量減少，接下來的布設方式按上述枯水期的方式進行設置。

3 結束語

（1）該設計能降低水流對壩體的沖擊，通過改變副壩體與主壩體的相對位置來控制壩體過水孔洞的大小，從而可使水流在通過透水丁壩群時逐級減緩水流流速，降低首壩所受到的水流沖擊力。

（2）該透水丁壩設計可改善枯水期航道通航能力，通過改變透水丁壩的挑角及透水率，束窄航道，壅高水位，以滿足枯水期通航要求；汛期拓寬河道，快速泄洪。與此同時，還能營造多種水流形態，有利于魚類索餌、產卵和避難，且該結構本身也能為其他眾多水生生物提供棲息場所。

（3）該透水丁壩設計可用于游蕩型河道的整治，塑造河道主槽，通過改變透水丁壩與河岸的角度，挑射水流，降低對堤岸的侵蝕。

（4）該設計在通過牽引車調整角度時，還需考慮牽引車最大承受力等問題；壩體長度、高度等設計參數的具體值，還需通過模型試驗驗證確定。