图6.3-14台阶式丁坝模型结构图表6.3-5台阶式丁坝稳定性试验方案6.3.3.2 结果及分析图6.3-15～图6.3-18给出了不同规格的台阶式坝头的丁坝冲刷后地形等值线图。台阶式坝头主要作用是在逐级阻挡下潜流的同时，分级向外挑出每级坝头的集中绕流。图6.3-17台阶式丁坝试验冲淤情况方案A3和A4均为3级台阶，且宽度均为5cm，其中方案A4坝身下游侧设置与坝头同宽的台阶。图6.3-18台阶式丁坝试验冲淤情况......
2023-06-21
透水坝头稳定性试验与参数确定
【摘要】：图11.21螺纹退刀槽和砂轮越程槽图6.3-3透水坝头试验冲淤情况图6.3-4（彩图9）和图6.3-5分别给出了在非淹没和淹没条件下，设置不同参数的透水坝头丁坝周围冲刷平衡后的床面形态。不同长度透水坝头均能有效减小其坝头局部冲刷坑深度。由图6.3-10可见，冲刷坑深度减小的百分比，先是随着透水坝头的增长而增加，然后趋于一个稳定值，此后，继续增加透水坝头长度，冲刷坑深度减小的百分比不再有明显变化。
从消减水毁动力出发，本研究提出实体坝身加透水坝头的新型结构型式，实体坝身保证了整治效果，透水坝头可有效消散坝头水流动力，减小局部冲刷坑深度，从而增强坝体的稳定。
6.3.2.1 试验设计
试验在平坡宽水槽中进行。实体坝身坝长b=1m，其他参数根据长江中游原型丁坝概化而得。透水坝头模型采用铰接式透水框架层叠而成，高度与实体坝身一致，可通过嵌套堆叠的方式得到不同的透空率；坝头及上下游面做成一定的边坡，如图6.3-2所示。
图6.3-2 透水坝头示意图
6.3.2.2 试验组次
试验考虑两级水流条件，分别为Q=26.1L/s、H=6cm和Q=81.0L/s、H=10.2cm，主要对比研究透水坝头不同透空率、不同长度及宽度对局部冲刷坑深度的影响，试验组次见表6.3-1。
表6.3-1 透水坝头稳定性试验组次
注 透水坝头相对长度=透水坝头长度l/丁坝长度b；相对宽度=透水坝头宽度c/实体丁坝宽度a。
6.3.2.3 试验结果及分析
1.冲淤形态
图6.3-3（彩图8）给出了在整治流量（非淹没）和洪水流量（淹没）作用下，具有实体坝头丁坝冲刷完成后的地形等值线图。由图可见，在淹没或非淹没条件下，实体丁坝坝头都形成了冲刷坑，最大冲深处均紧贴坝头，偏丁坝轴线下游。整治流量下冲刷坑最大深度为15.5cm，洪水流量下冲刷坑最大深度为24.3cm。
图6.3-3 透水坝头试验冲淤情况（ε=0.94）
图6.3-4（彩图9）和图6.3-5（彩图10）分别给出了在非淹没和淹没条件下，设置不同参数的透水坝头丁坝周围冲刷平衡后的床面形态。由图可见，由于透水坝头对坝头水流动力有很大的消弱作用，图中几种参数的透水坝头局部冲刷坑深度的发展均得到有效控制。设置透水坝头后，丁坝处于非淹没状态，透水坝头挑流作用显著，坝头冲刷坑最大深度的位置远离坝头，有利于坝头的稳定；洪水流量下，丁坝处于淹没状态，挑流作用减弱，冲刷坑趋近坝头；值得注意的是，水流穿过透水坝头后，流速减弱，这样在透水坝头下游这块小区域内形成相对静水区，从上游或冲刷坑内冲起的泥沙在此得以淤积；这样的静水区阻隔了越过实体坝顶的高速水流和坝头绕流的直接作用，虽然越过坝顶的高速水流与静水区之间也因发生剪切作用而在剪切面上（透水坝头与实体坝身连接处的下游）发生冲刷，但与实体丁坝相比其坝头与坝身连接处的冲刷坑深度有很大程度的减小。
图6.3-4 透水坝头试验冲淤情况（ε=0.88）
图6.3-5 透水坝头试验冲淤情况（ε=0.64）
2.透空率对坝头局部冲刷的影响
透水坝头的透空率直接影响其透水性能，图6.3-3～图6.3-5分别给出了透水坝头透空率为0.94、0.88和0.64的冲淤地形图。由图可见，不同透空率的透水坝头都产生了局部冲刷，但与常规丁坝相比，最大冲刷坑深度得到了有效控制，最大冲刷坑深度见表6.3-2。冲刷坑的减小程度随透空率的变化如图6.3-6所示，图中x轴为透空率ε，y轴为最大冲刷坑深度减小百分比P。由图可见，透水坝头能够有效减小坝头局部冲刷坑深度，减小达20%以上，甚至达到50%。最大冲刷坑深度减小百分比随透空率的变化曲线呈上凸型，透空率过大或过小时，透水坝头对局部冲刷坑深度的控制有限；存在一个合适的透空率（或区间），使透水坝头减小局部冲刷的效果最好。试验中，透空率ε=0.94时，透水坝头透水能力较强，不能很好地分散因实体坝身产生的绕流，对坝头局部冲刷坑的控制有限，此外，其内部杆件绕流产生较大的紊动，使内部床面冲刷，可以观察到透水坝头自身发生整体下沉；ε=0.88时，透水坝头能充分发挥其透水和阻水的双重特性，能分散水流动力，自身内部又不致产生较大紊动，从而能够很好地控制坝头的局部冲刷；ε=0.64时，透水坝头阻水作用起主导作用，坝头绕流逐渐增强，冲刷坑也逐渐增大。
图6.3-6 冲刷坑深度减小百分比与透空率的关系
表6.3-2 不同透空率坝头试验冲刷坑深度
3.透水坝头长度对坝头局部冲刷的影响
图6.3-7～图6.3-9（彩图11～彩图13）分别给出了不同长度透水坝头丁坝周围冲刷平衡后的床面形态。不同长度透水坝头均能有效减小其坝头局部冲刷坑深度。坝头最大冲刷坑深度统计见表6.3-3，冲刷坑深度减小百分比随透水坝头长度的变化如图6.3-10所示。
丁坝在坝头一定范围内的局部区域水流动力较强，当透水坝头较短，小于这一范围时，对水流的分散效果有限，防护效果也有限；随着透水坝头的增长，透水坝头长度等于或略大于此范围时，对水流的分散效果最好，防护效果也应是最好的；此后继续增加透水坝头长度，则防护效果不再明显增大。由图6.3-10可见，冲刷坑深度减小的百分比，先是随着透水坝头的增长而增加，然后趋于一个稳定值，此后，继续增加透水坝头长度，冲刷坑深度减小的百分比不再有明显变化。
图6.3-7 透水坝头试验冲淤情况（l/b=0.11）
图6.3-8 透水坝头试验冲淤情况（l/b=0.23）
图6.3-9 透水坝头试验冲淤情况（l/b=0.37）
表6.3-3 不同长度坝头试验冲刷坑深度
图6.3-10 冲刷坑深度减小百分比与透水坝头相对长度的关系
4.透水坝头宽度对坝头局部冲刷的影响
不同宽度透水坝头对水流的作用主要是通过其对水流的阻力大小不同而影响其透水能力。透水坝头在水流方向上越宽，其对水流的阻力也越大，透水能力也相应变小。透水坝宽度较小时，如c/a=0.6，由于透水性较强，穿过的水流流速及紊动都较大，防护效果有限；宽度较大时，如c/a=1.5，由于对水流阻力较大，透水性较差，坝头易形成集中绕流。说明透水坝头过宽或过窄对抑制坝头局部冲刷坑深度的发展都是不利的。图6.3-11（彩图14）和图6.3-12（彩图15）给出了不同宽度的透水坝头的冲淤形态。坝头最大冲刷坑深度见表6.3-4，冲刷坑深度减小百分比随透水坝头相对宽度的变化如图6.3-13所示。从图可见，设置透水坝头后，最大冲刷坑深度有很明显的减小；随着透水坝头宽度的增大，最大冲刷坑趋近坝头，最大冲刷坑深度减小百分比先增大，后减小，呈上凸型曲线，因此存在一个最适宜的宽度使其对冲刷坑深度的限制最大。对于试验中透空率为0.88的透水坝头，取相对宽度c/a=1是较合适的，即透水坝头宽度与实体丁坝宽度一致。
图6.3-11 透水坝头试验冲淤情况
（c/a=0.6，Q=81.01L/s，h=10.2cm）
图6.3-12 透水坝头试验冲淤情况
（c/a=1.5，Q=81.01L/s，h=10.2cm）
表6.3-4 不同宽度透水坝头试验冲刷坑深度
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