维普资讯 http://www.cqvip.com 第２４卷第１１期 人民黄河 Ｖｏ１．２４．Ｎｏ．１１ ２００２年１１月 ＹＥＬＬＯＷ ＲＩＶＥＲ Ｎｏｖ．．２００２ 【防洪・治河】 黄河下游透水桩坝控导效果模型试验研究 姚文艺 ，王普庆 ，常温花 ，耿明全 （１．黄河水利科学研究院，河南郑州４５００００；２．郑州市黄河河务局，河南郑州４５０００３） 摘要：通过河工动床模型试验，对沿治导线布设形式的透水桩坝在黄河下游控导河势的效果进行了研究。结果表明： 在试验方案及水沙条件下，透水桩坝可以起到较明显的控导作用；坝后过流上滩的水势主要与透水率及坝后滩地落淤状 况有关，上滩水量也主要取决于透水率的大小。另外，因桩柱的绕流作用，靠桩根会形成沿坝走向的沟槽，对坝的稳定有 一定影响。 关键词：河道整治工程；新坝型；透水桩坝；河势；控导作用；黄河下游 中图分类号：Ｕ６１７．９；ＴＶ１３１．６１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１３７９（２００２）１１—０００８一ｏ３ 分析了透水桩坝的导流效果以及坝后透水漫滩状况。 １概述 透水桩坝是由数根混凝土桩柱或钢管桩柱按一定间隔布 ２试验方案 置的一种新型结构的河道整治工程。与黄河上通常的实体丁 ２．１工程布设方案 坝相比，透水桩坝的最大特点是具有透水性、基础埋深大、适宜 透水桩坝的布置类型采用单排桩柱护岸式，并按治导线进 于旱地施工等。从河道整治的角度出发，提出该结构型式工程 行排列。桩坝的试验透水率拟定为三种方案：①桩径为０．８ 的设想就是期望利用这些特点，通过透水缓流落淤控制河势， ｍ，净距为０．３ ｍ，透水率为２７％（简称方案１）；②桩径为１ ｍ， 并避免传统结构被动抢险的大量抛石的局面”ｊ。因而近些年 净桩距为０．５ ｍ，透水率为３３％（简称方案Ⅱ）；③桩径为１ ｍ， 在黄河河道整治中已引起关注。 净桩距为０．７５ ｍ，透水率为４３％（简称方案Ⅲ）。选择黄河下 作为现场试验，山东黄河河务局曾于１９７９年在鄄城县苏 游韦滩河段为模型试验河段，透水桩坝布设于韦滩。模型模拟 泗庄险工修建了两道钢筋混凝土透水桩丁坝。从运行情况看， 范围包括该弯段下游的整个弯段。该河段上游有三官庙工程， 这两道透水桩丁坝有一定的挑流和缓流落淤作用，但倒桩断桩 下游有大张庄工程，试验河段总长约１６ ｋｍ，韦滩工程长约６ 现象严重。河南黄河河务局在总结苏泗庄透水桩坝经验的基 ｋｍ。整治流量为５ ０００ ｍ３／ｓ，设计水位８６．８ ｍ（大沽标高），桩顶高 础上，对透水桩坝的平面布置和结构进行了改进，于１９８７年在 程与设计水位相同，治导线弯道半径３ ４５０ ｍ，弯道中心角为４９。， 郑州花园口东大坝下延工程处修建了透水桩坝一道。该透水 工程周围滩面高程为８４．６—８５．２ ｍ。工程平面布置见图１。 桩坝的坝轴线沿治导线方向布设，工程长度１０４ ｍ，布桩１００ 根。据统计，自１９８８年建成以来，靠河几率在５０％左右，经受 了６次洪峰流量超过５ ０００ ｍ ／ｓ的洪水考验，没有出现倒桩和 断桩现象，坝后缓流落淤效果明显。 屈盂浩、刘和清等人曾分别在１９８２、１９８４年列透水桩丁坝 问题开展过定床和动床的模型试验研究 Ｊ，主要探讨能否利 用透水桩坝缩窄宽河，达到控导中水河槽的目的。但是该研究 只考虑了中、枯水河道，未能考虑洪水情况，也没有将透水率作 图１透水桩坝模型试验平面布置 为一个试验因素予以考虑。 ２．２模型设计及验证 总的来讲，目前对透水桩坝的研究还不够系统和深入。另 模型设计主要考虑水流重力相似条件、水流阻力相似条 外，无论是现场试验还是室内试验，以往研究的多为透水桩丁 件、水流输沙能力相似条件、泥沙悬移相似条件、河床变形相似 坝，而对近年提出的以单排桩柱直接沿工程治导线布设联结而 成的呈弧线状的透水桩坝缺少研究。像黄河这类河床冲淤变 收稿日期：２００２—０８—１５ 化大、河势摆动剧烈的河流，若利用透水桩坝这种新坝型工程 基金项目：黄河水利委员会治黄专项（９９Ｚ０１）。 进行河道整治，必须对其控导河势的作用、缓流落淤效果等开 作者简介：姚文艺（１９５７一），男，河南西华人，高级工程师，黄 展深入、系统的研究。本文根据河工动床模型试验结果，重点 河水利科学研究院副总工程师。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１１期 姚文艺等：黄河下游透水桩坝控导效果模型试验研究 ・９・ 条件、泥沙起动及扬动相似条件和河型相似条件。取用的主要 比尺为，水平比尺Ａ．＝３６０，垂直比尺Ａ ＝６０，悬沙粒径比尺Ａ ｄ ＝０．９８，含沙量比尺Ａ ＝２．００，时间比尺Ａ．：４７．２０。 根据１９９４年汛期一场洪水过程验证，模型设计可以较好 地满足阻力相似和河道冲淤变形相似的要求，可以反映黄河下 游河道的游荡特性０ 。 ２．３试验地形、水沙条件及试验组次 试验所用河道边界条件为１９９８年汛后地形。由于现状流 路脱离三官庙和韦滩工程，因此在试验中采取挖槽措施将大河 引至韦滩工程。挖槽线路根据拟定的水流与韦滩工程之间的 入流夹角确定，入流角拟定为ｌ５。、３０。、６Ｏ。三个方案。 试验水沙条件采用如下三组试验系列：①流量为３ ０００ ｍ ／ｓ，含沙量取中常含沙量３７ ｋｇ／ｍ ，流量历时取为小浪底水 文站相应流量级出现天数的多年平均值９天。②流量为５ ０００ ｍ ／ｓ，含沙量取中常含沙量３７ ｋｇ／ｍ ，流量历时取为小浪底水 文站相应流量级出现天数的多年平均值５天。③按１ ０００— ５ ０００ ｍ ／ｓ共５个流量级设计的水沙系列。其中，按流量大小 相应选配含沙量范围为３０～５０ ｋｇ／ｍ 。相应流量级５ ０００～ １ ０００ ｍ ／ｓ的来沙系数为０，０１０～０，０３０ ｋｇ・ｓ／ｍ 。尾门水位 按１９９９年黄河下游推算的水位流量关系，取内插后的大张庄 水位进行控制。 按三个透水率方案、三种水沙条件、三种入流角进行组合， 共设计ｌ５个试验组次。 ３试验结果分析 试验设计的透水桩坝是由数根桩柱相互间隔一定距离按 工程治导线排列而成的一种控导工程。在平面上，呈一平滑的 透水桩排坝，与实体丁坝群整治工程相比，不具有明显的齿状 外形的挑流结构形式；同时，在垂向上具有竖向间隙，坝体为非 连续性的，主槽水流可以通过坝体间隙直接上滩。因此，对于 这类透水桩坝，人们最关心的问题之一就是其导流效果，这是 直接关系到该类工程在黄河上应用可行性的关键技术问题。 为此，在试验过程中，重点对工程段及其下游河段的河势进行 了观测，侧重分析了送流长度、出流河势、迎流位置、透水漫滩 状况等有关要素。 ３．１导流效果 试验研究表明，虽然受设计开挖河槽所限，透水桩坝的靠 河位置主要取决于工程的进口流路条件，与透水率关系不大， 但同实体丁坝群整治工程相比，仍具有一些相同的规律：如入 流角越大，顶冲段有所上移；在人流角一定条件下，随流量增 加，顶冲位置则随之有所下挫等。根据试验方案Ｉ的观测，在 三个入流角条件下，当流量由３ ０００ ｍ ／ｓ上涨到５ ０００ ｍ ／ｓ 时，６Ｏ。的主流线下挫长度约４５０ ｍ，３０。的下挫１００ ｍ左右，ｌ５。 的靠流段也有所下移。另如，在透水率为３３％、入流角为６０。 条件下，流量由３ ０００ ｍ ／ｓ涨至５ ０００ ｍ ／ｓ时，主流线下挫１００ —１８０ ｍ。 在同流量下，着流位置随历时增加而下挫的长短与透水率 有一定的趋势性关系，随着透水率的增大，下挫长度有不同程 度的减小。 从试验的总体情况看，工程的着流靠河情况是良好的，在 所有试验组次条件下，未出现脱河、撇湾、靠河不稳等现象。 ３．２送流效果 送流效果一般可用送流长度及工程出流河势反映。如果 送流长度较长，出流平顺，下游对岸工程迎流到位，则送流效果 就好。试验表明，不同透水率桩坝的送流效果均比较明显，基 本上可使主流平顺地送入下游对岸工程。在试验条件下工程 的送流长度基本上在２ ２００～３ ５００ ｍ之间，但随透水率增大， 同流量同入流角条件下的送流长度稍有缩短。如透水率４３％ 的送流长度范围为２ ３００～２ ８００ ｍ，而透水率２７％的则为２ ６００ ～３ ４００ ｍ。由此可以推断，桩坝的透水率不宜过大，否则，送流 效果会受到影响。不过，总的来说，试验方案下的透水率对桩 坝送流长度的影响并不是太大。 在同一入流角条件下，随流量增加，送流长度则相应增加， 这与实体丁坝所反映出的规律也是一致的。例如，在入流角 ６０。条件下，流量由３ ０００ ｍ ／ｓ增至５ ０００ ｍ ／ｓ时，三种透水率 桩坝的送流长度都有所增加，增加长度为３００～８００ ｍ。 试验还表明，随着过流历时延长和坝后滩地淤积不断发 展，桩坝的送流长度则随之有所增加，尤其在坝后滩地的落淤 心滩出露后，送流长度增加较为明显。如透水率为２７％时，在 ３ ０００ ｍ ／ｓ流量下，根据三个人流角的试验观测统计，待坝后 滩地心滩出露后，坝的送流长度都有增加，其增幅为１００～４００ ｍ。增幅大小与入流角有关，３０。的可增加４００ ｍ，６０。的增加 ２００ ｍ，１５。的增加１００ ｍ。这就是说，随坝后滩地淤高，透水量 不断减少，透水桩坝的导流作用将会不断加强。 如果按该河段的设计河宽 为１ ２００ ｍ考虑，根据整治河 湾的直河段长度ｌ应满足的设计条件ｌ＝（１～３）Ｂ估算 。当 工程的送流长度在１ ２００—３ ６００ ｍ时，主流即可望进入下游对 岸的河湾内。由试验过程观测，试验条件下的送流长度一般在 ２ ０００—３ ５００ ｍ，因而从这一点来说，透水桩坝的送流效果是基 本上可以满足整治设计要求的。 综上试验结果分析，在试验水沙条件下，透水桩坝的控导 作用并未因部分透水过流而明显减弱，迎流状况良好，送流稳 定，出流平顺，没有出现顺坝下滑或出流坐湾等河势，送流长度 可基本保证使主流达到对岸下游工程。但在工程下首仍有回 流淘刷现象，如在２７％透水率、３Ｏ。入流角、３ ０００ ｍ ／ｓ流量条 件下，坝下首滩岸的回流冲刷坑范围长２５０ ｍ、宽约３６ ｍ、深３ ｍ左右。这说明也并不会因为工程具有透水性而消除坝下游 的回流淘刷问题。 ３．３坝后透水漫滩情况 根据试验观测，透水桩坝坝后上滩过流是有一定规律可循 的，主要表现在以下几个方面： （１）过坝上滩水流存在一个“主过流区”。各组次的试验 观测表明，在透水过流段，过坝水流并非沿坝均匀分布，即各区 段的过坝流速、水深是不一样的，存在一个“主过流区”。在主 过流区段，过坝流速和水深相对最大。不论入流角和流量大 小，主过流区均位于透水桩坝的迎流坝段及其上下游的临近坝 段，即主要在顶冲段范围内。同流量下主过流区的上滩流速随 透水率的增大而具有增加的趋势。如在入流角３０。条件下，透 维普资讯 http://www.cqvip.com ・１０・ 人民黄河 ２００２正 水率２７％的主过流区上滩流速为０．７～１．３ ｍ／ｓ，透水率至 而４３％透水率的达到１３％左右 ４３％时，流速增至１．４～２．０ ｍ／ｓ。 （２）坝后滩地过流水深与透水率有关。从总的趋势看，在 ４结语 流量一定条件下，透水率越大，坝后滩地过流水深就越大。另 通过模型试验，对透水桩坝在黄河下游游荡性河段的控导 外，在远离桩坝的滩面上，由于受上游滩地来流影响，情况复 作用及透水漫滩规律进行了初步分析。试验表明： 杂，因此其水深变化的规律性不甚明显。然而，透水率对坝后 （１）在试验水沙条件下，弯道半径、中心角、藏头段及送流 滩地水深的影响总是存在的，尤其在主过流区段的近坝滩地范 段长度等参数均按现行河道整治工程设计原则确定。２７％、 围内，其水深相差较大。如人流角ｌ５。、流量３ ０００ ｍ ／ｓ条件 ３３％和４３％三个透水率方案的透水桩坝具有良好的导流效果， 下，在主过流区同一断面，４３％透水率的坝后水深较３３％的可 送流稳定，出流平顺，控导效果基本可满足现行河道整治设计 以大１．２ ｍ。但是，由于高透水率桩坝的过流流速较大，可将泥 的要求。 沙携带至更远，即泥沙更易于淤积至远离桩坝的滩地上，因此 （２）同流量同人流角条件 ，随透水率增大，送流长度有所 在较远的滩面上，高透水率桩坝的过流水深并不一定比透水率 减小，但在试验透水率方案下，中水流量时的送流长度均可达 低的为大 到２ ２００～３ ５００ ｍ，基本上均可使主流人至下游对岸工程。 （３）由于人流角越大，水流顶冲能力强，其过流相对更集 中，因而在同透水率同流量条件下，随人流角增大，坝后滩地平 （３）随坝后滩地淤积发展，各透水率桩坝的送流长度均有 所增加。 均过流水深相对越大。另外，在距桩坝２００ ｍ左右以内的范围 （４）过坝上滩水流存在一个“主过流区”。近坝段的过流 内，各人流角的滩地水深相差较多。而在此范围以外的滩地， 上滩水深及流速与透水率有关，透水率越大，坝后滩地过流水 其水深相差已相对较小。 深及流速越大。坝后Ｅ滩水量也随透水率的增大而增加。 （４）随过流历时增加，滩面不断淤积抬高，滩地水深则随 （５）坝后过流的流向接近垂直于联坝切线。在坝后滩地淤 之减小，而且以靠近桩坝一定范围内的水深减小最明显，因为 积体出露后，过流逐渐停止，垂直流带消失。另外，在过流段的 该范围内的滩面淤积往往最快最多。远距桩坝范围内的滩地 坝后，顺坝根会形成…深槽，槽宽一般在ｌ８～４０ ｍ之间，槽中 水深减小幅度一般不大，而且滩面淤积越快，水深减小也越快。 流速较上滩流速为大。 （５）在同一人流角条件下，上滩流速随透水率增大而增 （６）根据试验的总体效果并考虑工程投资问题，２７％的透 加，如４３％透水率的上滩流速较２７％的大２２％一７０％，较３３％ 水率偏低 的可大ｌ６％～６７％。 由于黄河河势演变复杂，加上本研究所取用透水桩坝的透 （６）坝后过流的流向接近垂直于联坝切线。根据试验观 水率范围及试验水沙组次还都有限，因此所得成果仅是初步 测，水流通过透水桩坝上滩后，在坝后存在一个流向近于垂直 的，对于透水桩坝的控导机理及在更为复杂人流条件下的控导 联坝切线的流带，无论人流角如何，只要滩地淤积体未出露，这 作用等，还有待进一步研究 一流带总是比较明显的，只是随流量大小变化其宽窄不同而 已。但并不是全坝段都是如此，垂直流带主要分布在工程的迎 参考文献： 流段及其上游部分坝段。另外，人流角较小时，这种流带分布 长度相对要短些。垂直过流带宽度一般在３００～４００ ｍ，流量较 胡一三，张红武，刘贵芝，等．黄河下游游荡性河段河道 大时，可达４００ ｍ以上。如前所述，主流带内的过流流速往往 整治［Ｍ］、郑州：黄河水利出版社，１９９８． 比较大，最大时可达２．０ ｍ／ｓ左右。 ［２］ 刘和清．利用透水桩坝整治山东河道动床模型试验阶段 在坝后滩地淤积体出露后，过流逐渐停止，垂直流带消失， 报告［Ｒ］．郑州：黄河水利委员会水利科学研究所，１９８２． 但在近坝外侧范围内，会随之形成一平行于桩坝联线的深槽， ［３］ 刘和清．利用透水桩坝整治山东黄河河道动床模型试验 槽宽一般在ｌ８～４０ ｍ之间，槽中水流平行于坝轴线流向下游， 的补充试验报告［Ｒ］．郑州：黄河水利委员会水利科学 其中的水流流速较大河中的为小，但较滩地的为大。 研究所，１９８４． （７）坝后上滩水量与透水率关系较大，透水率越大，坝后 ［４］ 田治宗，王普庆．透水桩坝整体物理模型设计及验证试 上滩水量也越大。如根据主过流区过水宽度及测验的流速、滩 验报告［Ｒ］．郑州：黄河水利科学研究院，２０００． 地平均水深估算，并考虑到工程其他坝段过水量和工程上游大 【责任编辑翟戌亮】 河向坝后漫滩的过水量，当人流角为６ｏ。、流量为３ ０００ ｍ ／ｓ 时，２７％透水率的上滩水量约占５％，３３％透水率的约占７％，