基于要素影響的丁壩根石形態(tài)功能特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)分析探究

李 明

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110003)

對根石形態(tài)功能的認(rèn)識和把握，對于建設(shè)優(yōu)質(zhì)安全的丁壩工程具有基礎(chǔ)性技術(shù)意義。對根石形態(tài)特點(diǎn)的充分認(rèn)識，是設(shè)計(jì)和建設(shè)優(yōu)質(zhì)丁壩根石結(jié)構(gòu)必不可少的基本技術(shù)認(rèn)識前提。本文參考丁壩工程案例，以實(shí)驗(yàn)室水槽模擬分析方式，對基于要素影響的丁壩根石形態(tài)功能特點(diǎn)開展專題分析探究，以為同類丁壩工程應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考，助力建設(shè)優(yōu)質(zhì)安全的丁壩工程。

1 實(shí)驗(yàn)水槽構(gòu)造狀態(tài)

參考案例為葫蘆島一處丁壩工程。研究旨在精準(zhǔn)模擬、客觀反映丁壩軸線與水流方向在60°工況下的沖刷效果，在本實(shí)驗(yàn)中，筆者根據(jù)實(shí)際情況對水槽(見圖1)做出了一定調(diào)整，以最大限度地保證水流方向能滿足實(shí)驗(yàn)需求。

圖1 丁壩正態(tài)水工模型來流角度值60°實(shí)驗(yàn)水槽布設(shè)

在丁壩上游3.5m處測驗(yàn)水槽橫截面(見圖2)可看到，模型進(jìn)口流動速率沿橫截面均勻分布，能滿足本實(shí)驗(yàn)需要。

圖2 丁壩正態(tài)水工模型來流角度值60°實(shí)驗(yàn)水槽上游截面流動速率驗(yàn)證

2 有關(guān)參數(shù)和試驗(yàn)組次設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)根石構(gòu)造厚度均為4.2m，根石構(gòu)造備塌體寬為6m，丁壩軸線與水流方向的夾角分別取為30°和60°，鉛絲籠∶散拋石分別取 7∶3、8∶2 和 6∶4 三種工況。參考原型相應(yīng)過流量設(shè)計(jì)模型控制單寬過流量(見表1)。為體現(xiàn)和揭示洪水后小水對根石造成的影響，在開展的實(shí)驗(yàn)中，以現(xiàn)場地形和丁壩根石為重點(diǎn)參考依據(jù)，基于60°的工況下進(jìn)行作業(yè)，施放相應(yīng)500m3/s的單寬過流量4.94m3/(s·m)。主要試驗(yàn)組次安排和參數(shù)見表1。

表1 丁壩水工實(shí)驗(yàn)主要試驗(yàn)組次安排

3 基于要素影響的根石形態(tài)特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)分析

3.1 不同來流角度壩群根石特點(diǎn)

不同夾角的來流對丁壩根石的影響亦有所不同，基于不同來流夾角的根石坡度穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)成果(表2)揭示，60°來流工況的穩(wěn)定根石坡度比30°來流工況的穩(wěn)定根石坡度相對緩很多。就不同來流夾角所需相對穩(wěn)定的護(hù)根頂寬度而言，夾角60°的水流對根石的影響相對較小，實(shí)驗(yàn)中僅1號壩的上跨角根石出現(xiàn)了滑落坍塌問題，不像夾角30°的水流在實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)致了多壩多毀點(diǎn)滑落坍塌。

表2 壩群上跨角根石平均深度、頂寬度、坡度

比對洪水及洪水后小過流量對丁壩根石形態(tài)造成的各種影響(見表3)，可見實(shí)驗(yàn)中在小水長期侵蝕下，根石形態(tài)并未發(fā)生明顯改變，這表明小水不會對根石造成太大影響。根據(jù)現(xiàn)實(shí)具體情況，許多丁壩出險發(fā)生在洪水回落和小水低水位工況下，其原因是水位的急劇變化導(dǎo)致丁壩內(nèi)土體滲流壓力變化，使壩身內(nèi)部出現(xiàn)失穩(wěn)，呈現(xiàn)為外部根石的墩蟄。并不是水流沖刷導(dǎo)致根石失穩(wěn)。此外，小水來流條件相對比較復(fù)雜，頻繁變化的來流條件是導(dǎo)致根石小水失穩(wěn)的重點(diǎn)原因。而這些要素，在本次實(shí)驗(yàn)中并不能夠充分模擬及展現(xiàn)出來，所以實(shí)驗(yàn)中連續(xù)小水，并未導(dǎo)致根石形態(tài)出現(xiàn)明顯演變。

表3 連續(xù)小過流量后壩群上跨角根石平均坡度、頂寬度、深度

3.2 不同根石材料比率

為獲取到可靠、公正的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在本研究中，筆者專門針對不同材料比率的根石進(jìn)行了三度(見表4～表6)測驗(yàn)，隨著根石鉛絲籠構(gòu)成量的增加，丁壩不同位置的根石的深度擁有不太顯著的提升態(tài)勢。而且上跨角及迎水面前部的根石深度達(dá)到了最大值；坡度常數(shù)隨著鉛絲籠構(gòu)成量的加增有一定降低態(tài)勢(趨陡)，上跨角及迎水面前部的坡度相對比較緩和，滑落、坍塌的隱患也就非常小。

表4 1號壩不同位置根石平均深度 單位：m

表5 1號壩不同位置根石平均坡度常數(shù)

表6 1號壩不同位置根石平均護(hù)根頂寬度 單位：m

護(hù)根頂寬度已成為業(yè)界人士評估根石穩(wěn)定狀態(tài)的一個重點(diǎn)指標(biāo)，因?yàn)楦_寬度2m，一旦護(hù)根頂寬度趨向或小于2m，護(hù)根就存在較大的滑塌風(fēng)險。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，在鉛絲籠構(gòu)成量不斷增多的情況下，護(hù)根頂寬度也會隨之增大，因此上跨角及迎水面前部的護(hù)根頂寬度相對比較小。在鉛絲籠與散石保持6∶4的工況下，上跨角無論是在來流夾角30°還是60°的條件下都出現(xiàn)了根石臺格賓降沉，而在根石比率為7∶3時，基于60°來流工況下，雖然上跨角很窄小，但沒有發(fā)生根石局部滑塌。這是因?yàn)楦U絲籠構(gòu)成量越高，根石構(gòu)造的基礎(chǔ)越堅(jiān)實(shí)，根石流失的可能性就越小，就能避免滑塌問題出現(xiàn)，對應(yīng)護(hù)根頂寬度越大，護(hù)根構(gòu)造越穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖3～圖4可以看到，基于單寬過流量16.24m3/(s·m)、來流夾角60°條件，當(dāng)根石中鉛絲籠構(gòu)成量升高后，護(hù)根頂寬度也隨之加增，根石的穩(wěn)定狀態(tài)顯著增強(qiáng)。

圖4 1號壩根石比率為7∶3時根石損壞情況

3.3 根石臺頂高度

當(dāng)根石比率為6∶4時，根石容易出現(xiàn)滑塌問題，而且這種問題常發(fā)于上跨角及迎水面。不僅如此，在比率為7∶3、8∶2這兩種工況下，根石也存在部分下沉，但比6∶4比率根石穩(wěn)定狀態(tài)要好?？梢?，當(dāng)根石中鉛絲籠構(gòu)成量升高，對應(yīng)根石下沉量有一定降低，表明根石臺高度趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，根石的穩(wěn)定狀態(tài)顯著增強(qiáng)(見圖5)。

圖5 不同根石比率根石臺頂高度比對

3.4 根石穩(wěn)定性坡度

在對不同條件下的1號壩(根石比率7∶3)的根石坡度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析后發(fā)現(xiàn)，模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，相應(yīng)整治過流量及施工過流量的根石坡度與相應(yīng)部位的坡度很相近，但洪水沖刷后卻使原坡度常數(shù)發(fā)生了明顯改變，即坡度愈發(fā)平緩。

從測驗(yàn)統(tǒng)計(jì)來看(見表7)，水流與壩軸線夾角為30°時，壩前單寬過流量6.91m3/(s·m)丁壩根石穩(wěn)定性坡度為1∶1.03～1∶1.32；壩前單寬過流量10.12m3/(s·m)丁壩根石穩(wěn)定性坡度為1∶1.28～1∶1.52；壩前單寬過流量16.24m3/(s·m)丁壩根石穩(wěn)定性坡度為1∶1.46～1∶1.55。水流與壩軸線夾角為60°時，壩前單寬過流量6.91m3/(s·m)丁壩根石穩(wěn)定性坡度為1∶1.01～1∶1.46；壩前單寬過流量10.12m3/(s·m)丁壩根石穩(wěn)定性坡度為1∶1.25～1∶1.53；壩前單寬過流量16.24m3/(s·m)丁壩根石穩(wěn)定性坡度為1∶1.51～1∶1.77。在水流強(qiáng)度持續(xù)增大的情況下，根石穩(wěn)定性坡度愈加平緩，表明壩前水流強(qiáng)度增加使根石充分塌落，根石構(gòu)造坡度趨緩，利于狀態(tài)穩(wěn)定；因?yàn)?0°來流條件導(dǎo)致丁壩前水流強(qiáng)度加大，所以其穩(wěn)定性坡度大于30°工況；水流強(qiáng)度在丁壩迎流段及上跨角達(dá)到了最高值，根石穩(wěn)定性坡度較緩，而在下跨角及臨近丁壩根部的迎流段，根石穩(wěn)定性坡度較陡。

表7 1號壩不同位置根石穩(wěn)定性坡度統(tǒng)計(jì)(根石截面平均坡度)

3.5 根石走失

為全面了解并掌握丁壩護(hù)根走失量，筆者基于同一過流量級下對不同根石材料比率展開了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果查明，鉛絲籠比率與散拋石走失量呈顯著反關(guān)聯(lián)，即鉛絲籠越高，散拋石的走失率就越低。其原因是較大比率的鉛絲籠能夠起到保護(hù)散拋石的作用(見表8)，對不同來流方向，在來流角度不斷增大的情況下，壩前水流強(qiáng)度也會隨之增大，根石走失量就會增多。相比30°工況，60°來流方向的根石走失量增加20%～23%。

表8 不 同 材 料 比 率 根 石 走 失 量[單寬過流量16.24m3/(s·m)]

由表8數(shù)據(jù)，根石總量達(dá)到了6950t。在正常施工的情況下，基于60°的來流方向、單寬過流量16.2m3/(s·m)、根石比率6∶4，1號壩根石上跨角和迎水面前段出現(xiàn)明顯降沉(見圖3)。在此情況下，根石走失總量達(dá)到了750t，其占比超過了10%。

3.6 根石滑塌及根石走失比率關(guān)系

參考實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的根石滑塌組次，通過數(shù)據(jù)歸納與統(tǒng)計(jì)得到表9所列數(shù)據(jù)。

表9 根石滑塌組次根石滑塌與根石走失比率的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)滑塌組次1，在計(jì)算根石走失量時，需全面考慮滑落后的鉛絲籠，由于鉛絲籠約是240t，則經(jīng)一系列計(jì)算后得知根石走失總量約是307t，占比高達(dá)9%。實(shí)驗(yàn)滑塌組次2，也要將滑落的鉛絲籠考慮其中，因?yàn)楦螺^大，鉛絲籠出現(xiàn)較為嚴(yán)重的滾落，根石走失總量也就隨之增多，達(dá)到了750t，占比為10.79%。通常丁壩發(fā)生根石滑塌的位置在上跨角壩前頭及部分迎水面，其他位置的根石走失較少。參考實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，根石走失量占比在10%左右，護(hù)根構(gòu)造將出現(xiàn)滑塌或者明顯形變。

4 結(jié) 語

本研究以實(shí)驗(yàn)室水槽模擬分析的方式，對基于要素影響的丁壩根石形態(tài)功能特點(diǎn)開展專題分析探究。主要成果：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證小水不會對根石造成太大影響，頻繁變化的來流條件是導(dǎo)致根石小水失穩(wěn)的重要原因，當(dāng)根石比率中鉛絲籠構(gòu)成量升高后，護(hù)根頂寬度也隨之加增，根石的穩(wěn)定狀態(tài)顯著增強(qiáng)；當(dāng)根石中鉛絲籠構(gòu)成量升高時，對應(yīng)根石下沉量有一定降低，表明根石臺高度趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，根石的穩(wěn)定狀態(tài)顯著增強(qiáng)；來流60°條件導(dǎo)致丁壩前水流強(qiáng)度加大，所以其穩(wěn)定性坡度大于30°工況，水流強(qiáng)度在丁壩迎流段及上跨角達(dá)到了最高值，根石穩(wěn)定性坡度較緩，而在下跨角及臨近丁壩根部的迎流段，根石穩(wěn)定性坡度較陡；正常施工情況下，基于60°來流方向、單寬過流量16.2m3/(s·m)、根石比率6∶4，1號壩根石上跨角和迎水面前段出現(xiàn)明顯沉降，在此情況下，根石走失總量達(dá)到了750t，其占比超過了10%；根石走失量占比在10%左右，護(hù)根構(gòu)造將出現(xiàn)滑塌或者明顯形變。