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基于水工與EXNER模型試驗的圍堰沖刷安全分析

文檔作者：湯梅張久軍文檔來源：江蘇省東臺市水利建設(shè)有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月07日
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2017年第8期水利規(guī)劃與設(shè)計科研管理
DOI：10．3969／j．issn．1672—2469．2017．08．031
基于水工與EXNER模型試驗的圍堰沖刷安全分析
湯梅，張久軍
(江蘇省東臺市水利建設(shè)有限公司，江蘇東臺224200)
摘要：圍堰設(shè)計方案與施3-．組織方案的實際制定大多是以現(xiàn)狀水文水力條件為基礎(chǔ)，因此提出水工與EXNER模
型試驗相結(jié)合的圍堰沖刷安全分析方法，以充分考慮圍堰填筑完成后水流特性的改變及其對圍堰工程安全的影
響。首先通過水工模型試驗對EXNER模型進(jìn)行驗證，再采用EXNER模型對丁溪河圍堰工程進(jìn)行研究，從而判
斷出不同特征水位與圍堰布置工況條件下的沖刷安全性能。預(yù)期情況符合工程實際結(jié)果，證明該方法可廣泛應(yīng)用
于圍堰工程的方案優(yōu)選及安全評價工作中。
關(guān)鍵詞：圍堰；沖刷安全；水工試驗；模型模擬
中圖分類號：TV551．3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672·2469(2017)08-0098—03
1 概述
目前許多圍堰設(shè)計方案與施工組織方案的制定
都是基于現(xiàn)狀水文水力條件，而沒有充分考慮圍堰
填筑完成后水流特性的改變及其對圍堰工程安全的
影響。圍堰工程可減小河道橫截面積并改變水流形
態(tài)，且可因之而增加局部流速、切變應(yīng)力、渦流、
和紊流特性?。這些改變可增強(qiáng)水流對河床及圍
堰的侵蝕與沖刷作用、嚴(yán)重影響圍堰的沖刷安全，
因此，若在設(shè)計過程中只考慮圍堰填筑完成之前的
水流特性，則將低估潛在的圍堰沖刷危險而使工程
安全不能得到充分保證。鑒于此，本文提出水工模
型試驗與EXNER模型試驗相結(jié)合的圍堰沖刷安全
分析法，并基于該方法對川東港工程丁溪河老河道
拓疏工程中的圍堰工程進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該方
法可準(zhǔn)確判斷不同工況條件下圍堰填筑后的實際沖
刷情況，從而對圍堰工程方案優(yōu)選及安全評價¨1
提供參考。
2 方法
2．1工程實例
本文研究工程實例為川東港工程丁溪河老河道
拓疏工程中的圍堰工程。川東港工程由江蘇省省級
以上和地方財政配套投資，拓?？傞L度90．6km。
其中丁溪河標(biāo)段樁號為45+934～50+659，共
4．725km。疏浚河道斷面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中河底高程為
一3．0m，河底寬為50m，邊坡為1：3。在工程中需
．98·
設(shè)置圍堰，圍堰工程可采取不同的布置工況，而不
同的布置工況可有不同的安全性能¨。，是控制整
體施工安全與進(jìn)度的重要因素”1。
2．2水文地質(zhì)條件
圍堰工程區(qū)內(nèi)以興化、東臺2個水文站水位作
為施工期水位。根據(jù)興化站數(shù)據(jù)可知，該標(biāo)段非汛
期5年一遇最高水位為1．54m，冬春最高水位為
1．81m，汛期10年一遇最高水位2．78m。根據(jù)東臺
站數(shù)據(jù)可知，以上3組特征水位分別為1．58、1．76
和2．78m。丁溪河段位于蘇北濱海平原區(qū)，地貌類
型為濱海平原，地勢較平坦，地面高程一般在
3．5～4．5m，河道狹窄彎曲，河道兩側(cè)多為農(nóng)田、
民房。
2．3水工模型試驗
水工模型試驗在長10m，寬0．25m，深0．5m
的人造水槽中進(jìn)行。水槽上游人口采用直徑為
0．15m的水泵產(chǎn)生水流，水泵設(shè)有控制閥門以調(diào)
節(jié)流量；水槽下游尾端設(shè)置閘門以控制水位，上
部安裝針形水位計，內(nèi)部設(shè)置樹脂玻璃以代表圍
堰，底部鋪設(shè)0．1 rn、粒徑為0．3mm的細(xì)沙。分
別采用ADV儀器、針形水位計和TLS儀器對水流
流速、水位和沖刷深度進(jìn)行測量。共試驗5組流
量，分別為0．015、0．018、0．020、0．025和
0．030m3／s；共試驗3組圍堰伸出率(圍堰長度與
收稿日期：2016．11-23
作者簡介：湯梅(1983年一)，女。工程師。
萬方數(shù)據(jù)
科研管理水利規(guī)劃與設(shè)計2017年第8期
水槽寬度之比)，分別為0．1、0．2和0．3；因此，
根據(jù)流量與圍堰伸出率的不同組合共進(jìn)行了15組
工況試驗。
2．4 EXNER模型試驗
EXNER模型試驗主要分為2部分：①復(fù)制水
工模型試驗，從而確定其適用性與精確性；②對丁
溪河圍堰工程進(jìn)行分析。該模型主要包含水動力學(xué)
模塊和河床形態(tài)學(xué)模塊，其中前者主要為N—S
方程¨。：
業(yè)+業(yè)：0 ?1
a石a Y
“篝+移籌一去(詈)+憊(20 0一矽r筆)+㈩“——十移——=一——I——I+——I 矽?！狪+
％ a V a踅＼o} ％＼。l a蔸} f，＼
南[1．PT(籌+篝)】+[生0 Zf＼三p 11}圳+F
配￡+'一／3籌一+南—(詈)+—南(2Y =一——l——I+——I 一∥∥?！猺—囂l+)+㈩
a石a a y＼D， a y＼
’1
a v， r氣、
憊H籌+筆)卜[乏(詈)】Ⅲ+Fy
式中，^一水深，in；u一戈方向(順流方向)平均流
速，m／s；穢一y方向(橫向)平均流速，m／s；彳一豎
直方向坐標(biāo)；P～平均壓力，N；p一水的密度，
kg／m3；PT一湍流粘度，m2／s；r。一菇方向湍流切變
應(yīng)力，Pa；r。一y方向湍流切變應(yīng)力，Pa ；F。一戈
方向重力分量，N；F，一y方向重力分量，N。
河床形態(tài)學(xué)模塊主要包括泥沙連續(xù)方程和輸運(yùn)
方程：
(1一忍)絲+墊+蝗：0 (4)
a t a菇a Y
”0．053[(魯一1)g]d：j5礦甲1(5)
式中，n一孔隙系數(shù)；z一河床高程，m；f一時間，
s；q,x一茗方向水流所引起的底沙量，kg／m3；g，，一
Y方向水流所引起的底沙量，kg／m3；g。～單位寬度
推移質(zhì)量，kg；P。一泥沙密度，kg／m3；g一重力加
速度，m／s2；dso一50％泥沙直徑，In；D+一標(biāo)準(zhǔn)
化顆粒直徑，In；卜輸運(yùn)參數(shù)。
EXNER模型的建模主要在Delft3D開源模式中
進(jìn)行，并可通過改變地形(幾何)數(shù)據(jù)、邊界條件、
流量與水位來對不同的工況進(jìn)行試驗¨1，其中第
一部分試驗采用水工模型試驗的布置型式與流量參
數(shù)；而第二部分試驗則采用丁溪河圍堰工程區(qū)的實
際水文地質(zhì)條件。所采用的時間步長為100s、長度
為5d，網(wǎng)格誤差標(biāo)準(zhǔn)為2％。
3 結(jié)果
3．1水工模型試驗結(jié)果
水工模型試驗最重要的目的為判斷不同工況
條件下圍堰迎水面遠(yuǎn)岸處(最危險處)的水深、流
速以及沖刷深度，具體實驗結(jié)果見表1。該表顯
示，在固定流量條件下，圍堰迎水面遠(yuǎn)岸處水深、
流速、以及沖刷深度皆隨伸出率的變化而變化，
說明圍堰可改變水流特性，因此傳統(tǒng)的不考慮圍
堰對水流特性影響的評價方法結(jié)果誤差較大。在
固定伸出率條件下，各參數(shù)皆隨流量的變化而變
化，即在實際工程中也應(yīng)充分考慮流量(或特征
水位)的變化情況。
表1不同工況下的水工模型試驗結(jié)果
流量(Q)／ 伸出率水深(日) 流速(V) 沖刷深度(D)
工況
(m3·s一1) (L) ／(m·5。1) ／m
1 0．015 0．1 O．151 0．418 0．023
2 O．015 0．2 O．162 0．440 0．02l
3 0．015 0．3 0．164 0．493 O．021
4 O．018 O．1 0．148 O．512 0．028
5 0．018 O．2 0．151 0．572 0．027
6 0．018 O．3 O．153 0．645 0．027
7 0．020 0．1 0．142 0．605 0．032
8 0．020 O．2 0．143 0．678 0．032
9 0．020 0．3 0．146 0．762 0．031
lO 0．025 O．1 0．143 0．742 0．041
11 0．025 0．2 0．146 0．834 0．040
12 0．025 O．3 O．151 0．917 0．039
13 0．030 0．I O．135 0．961 0．05l
14 0．030 O．2 0．141 1．013 0．050
15 0．030 O．3 0．152 1．086 0．045
3．2 EXNER模型驗證
采用EXNER模型對水工模型試驗的設(shè)置與工
況進(jìn)行模擬，所得數(shù)據(jù)見表2。初步定性分析可
知，工況條件對圍堰沖刷安全性能具有明顯的影
響，這與水工模型試驗的結(jié)論相一致。
·99·
萬方數(shù)據(jù)
2017年第8期水利規(guī)劃與設(shè)計科研管理
表2不同工況下的EXNER模型試驗結(jié)果
流量(Q)／ 伸出率水深(Ⅳ) 流速(礦) 沖刷深度(D)
工況
(m3·s一1) (工) ／m ／(m·s“) ／m
1 0．015 0．1 0．154 0．453 0．024
2 0．015 O．2 0．166 0．512 0．021
3 O．015 0．3 0．164 0．527 0．022
4 0．018 O．1 0．146 0．583 0．029
5 O．018 O．2 0．147 0．675 0．028
6 0．018 0．3 0．157 0．602 0．027
7 O．02 O．1 0．144 0．677 O．03l
8 0．02 O．2 0．142 0．773 0．033
9 0．02 0．3 0．15 0．757 O．031
10 0．025 0．1 0．145 0．841 0．041
ll 0．025 0．2 0．15 0．886 0．04l
12 0．025 O．3 0．153 0．921 0．042
13 O．03 O．1 0．138 0．969 0．052
14 0．03 0．2 0．141 1．128 0．047
15 O．03 O．3 0．15 1．054 0．043
為進(jìn)一步驗證EXNER模型在圍堰沖刷安全分
析中的適用性，將其結(jié)果與水工試驗?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)進(jìn)行
比較，從而計算其誤差范圍。主要采用2組數(shù)據(jù)間
的平均比值(E6)、平均差值(Ec)、均方根差(巧)，
和平均誤差率(覷)來進(jìn)行分析，計算公式分別為：
_lv r E6=Σ攀Ⅳ (6) 』J f
、’
‘ J術(shù)3-一‘
Ⅳ
Ec=Σ(五?一一厶T-i)／N (7)
廠面—————————————————一
巧=√Σ(五～一一厶“)2／Ⅳ (8)
N
Ef=Σ(I厶。一；一厶¨I饑¨)／N (9)
i型
承
堪
副
輜
董雖
【工)
1．4
12
O．2
0
。H(Eb-1．009；Ec=0．00lm；l滬O·003m；E仁l-661)l
口V(Eb。1．074皿卸．045rn／s河=0．066m／s；E／=8．793)J號
一t3 D等(E值b線=I’012妒n00響刪m叭m臚3。015’l∥ 一等值線l∥
0．01 0．1 1
水工模型試驗值
圖l EXNER模型的誤差分析
·100·
數(shù)據(jù)對比及其誤差分析情況如圖1所示。由初
步定性分析可知，各散點基本都坐落于等值線附
近，這說明EXNER模型的精確度很高。沖刷深度
D的E6值為1．012，說明EXNER模型結(jié)果略偏
高；Ec值為0m，說明EXNER模型的累積結(jié)果與
水工試驗?zāi)Ｐ屯耆恢拢籈j值為0．001111，該值表
示了EXNER模型的平均誤差量級；而劇值為
3．015％，小于10％，即其精確性滿足工程要求。
同理可知，EXNER模型在水深日和流速y的預(yù)測
中也完全滿足工程要求，因此可以認(rèn)為該模型在圍
堰沖刷安全分析中具有較高的適用性與精確性。
3．3沖刷安全分析
EXNER模型試驗法成本較低、耗時較短、且
其適用性與精確性已被驗證，因此采用該方法對丁
溪河圍堰工程進(jìn)行分析。不同特征水位及圍堰布置
(圍堰外圍邊坡坡比)工況下的沖刷安全分析結(jié)果
(以最大沖刷深度表征)如圖2所示。
gX
g
刨
送
毒
是
_K
略
0．8
0．7
圖2不同工況下的圍堰沖刷安全分析
該圖顯示圍堰工程最大沖刷深度明顯隨特征水
位重現(xiàn)期的增加而增大，其差別可達(dá)3．5倍之多，
因此特征水位的準(zhǔn)確判斷對圍堰沖刷安全評價結(jié)果
準(zhǔn)確定的影響較大；基于不同站點資料所得到的結(jié)
果差別不大，因此可選擇兩者中的較大值(保守
值)作為最終結(jié)果；在各特征水位條件下，坡比為
1：3的圍堰布置方案皆具有最小的沖刷深度，即安
全性能較高，因此被選為最終的設(shè)計方案。
3．4應(yīng)用效果
根據(jù)以上分析方法，確定丁溪河圍堰工程中圍
堰頂寬為2．0m，圍堰填筑高度按4．5m控制，內(nèi)側(cè)
邊坡坡比1：2，外側(cè)邊坡坡比為1：3。圍堰填筑主要
用推土機(jī)、挖掘機(jī)配合完成?，整體工程于2014年
10月31日完工，實際效果與預(yù)期基本一致，證明了
本文所采用方法的合理性。(下轉(zhuǎn)第118頁)
萬方數(shù)據(jù)
2017年第8期水利規(guī)劃與設(shè)計科研管理
上基本沒有難度，成本增加很少，無論對傳統(tǒng)沉沙
池的改造還是新沉沙池的建設(shè)，都較容易實現(xiàn)。本
新型沖沙方式的沉沙池雖是在水電站沉沙池的基礎(chǔ)
上提出的，但是也可以推廣運(yùn)用到其他相關(guān)領(lǐng)域的
沉沙池或者引水系統(tǒng)中，可行性分析如下。
(1)但凡沉沙池，其沉降原理都是大致相同，
即通過增大過流面積、減小流速，達(dá)到沉積泥沙的
目的。
(2)由于泥沙淤積的時間不久，而且浸泡在水
中，泥沙顆粒之間的抗剪強(qiáng)度較小，在壓力流的作
用下容易發(fā)生滲透破壞。
(3)泥沙一旦發(fā)生滲透破壞，由于其顆粒較
小，自重較輕，在較小流速的水流下很難再次沉
積，從而容易被帶走。
3．2應(yīng)用范圍
我國是水利大國，涉水、取水工程數(shù)目甚多，
本技術(shù)成本低，對傳統(tǒng)沉沙池改造不大，易于施
工、安裝，具有有廣闊的應(yīng)用前景。
(1)河流取水工程的沉沙沖沙。水電站取發(fā)電
用水、火電站取冷卻用水、自來水廠取飲用水源等
等，均有水質(zhì)含沙量的標(biāo)準(zhǔn)，采用本技術(shù)，可以連
續(xù)、高效地獲得達(dá)標(biāo)水源，節(jié)約水資源的同時，也
獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
(2)河道港口、灌溉渠系的清淤。在特定清淤
部位埋設(shè)該裝置，需要清淤時啟動，可以高效快捷
完成任務(wù)，設(shè)施一次投入，永久使用。
(3)污水廠等環(huán)境相關(guān)設(shè)施的清理。污水廠
等環(huán)境設(shè)施中的沉淀池，運(yùn)行到一定標(biāo)準(zhǔn)就需
要清理。運(yùn)用本裝置可以提高清理的效率和
效果。
4 結(jié)語
逆向思維利用滲透破壞原理，新型沉沙池以壓
力管道中的高壓流體自下而上沖入沉淀(淤積)物
中，使其發(fā)生滲透破壞，然后僅使用少量的水，在
較小的流速下、在極短的時間內(nèi)即可把沉淀(淤
積)物沖洗干凈，方法簡單易行，對傳統(tǒng)沉沙池改
造不大，易于施工和推廣。該技術(shù)節(jié)約水資源，沖
淤效果好，提高沉沙池運(yùn)作連續(xù)性，具有廣闊的應(yīng)
用前景。
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祭祭牙塔笞§祭零零零祭牙峪薔§牙弛器各黜琴嗡鞋岔她薄祭笞鷺莽茸譬零培氧霧弛孓笞她器苦氧；薄笞№莽葛譬霧培黜零茜乳緊邊薄牙的簿笞啦器譽(yù)沁莽蒼皂g氧
(上接第100頁)
4 結(jié)語
采用水工與EXNER模型進(jìn)行了圍堰沖刷試驗，
結(jié)果表明EXNER模型在圍堰沖刷安全分析中預(yù)測較
為精確，可廣泛應(yīng)用于圍堰沖刷安全評價中，并可
對圍堰布置方案的優(yōu)選提供指導(dǎo)。采用EXNER模型
對丁溪河圍堰工程進(jìn)行研究，得到了不同特征水位
與圍堰布置工況條件下的沖刷安全性能，最終選定
邊坡為1：3的圍堰布置方案，工程結(jié)果與預(yù)期基本
一致，證明了該方法的合理性。但本文只考慮了水
流特性與河道水文地質(zhì)條件的影響，在以后的研究
中，還可對圍堰本身的結(jié)構(gòu)型式?與材料進(jìn)行分
析，從而確定出更為經(jīng)濟(jì)高效的工程方案。
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萬方數(shù)據(jù)

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