組合樁壩對(duì)河道控導(dǎo)護(hù)灘作用的模擬分析

翟得文

（山東省水利工程局有限公司，山東 濟(jì)南250014）

黃河是全世界輸沙量最大的河流，影響著包括青海、甘肅、山東在內(nèi)的9個(gè)省份，近年來隨著黃河治沙工程的進(jìn)行，來自黃河上游的輸沙量有一定減少，河道的通暢性明顯改善，中下游的水沙條件也有了很大變化，河道支流發(fā)育變得迅速、復(fù)雜，現(xiàn)有的河道維護(hù)和治理工程對(duì)適應(yīng)黃河河道變化呈現(xiàn)出滯后性和不適應(yīng)[1]。

建設(shè)具有良好透水性的混凝土樁壩是解決這一問題的有效途徑[2]。樁壩是通過在河床、邊坡上打入若干混凝土樁構(gòu)建而成的，混凝土樁之間留有間距，可以控制樁壩的透水率，而且預(yù)制的混凝土樁能夠縮短施工時(shí)間，提高工作效率。本文采用了將常規(guī)混凝土管樁和板樁組合成的組合樁壩結(jié)構(gòu)，如圖1所示，并對(duì)該組合樁壩對(duì)山東省某河道的控導(dǎo)護(hù)灘作用做出了探討。

圖1 組合樁壩示意圖

1 混凝土樁壩簡(jiǎn)介

組合樁壩結(jié)合了混凝土管樁和板樁特點(diǎn)，能起到控制水速、穩(wěn)定河道、減輕河水沖刷的作用，對(duì)土質(zhì)岸坡的防護(hù)效果尤其明顯。

1.1 混凝土管樁

混凝土管樁是按照一定間距在河床或河岸排列的，水流可以從管樁之間流過，水流流速在管樁的阻擋下會(huì)減緩，泥沙因此而沉積，當(dāng)泥沙達(dá)到一定沉積厚度時(shí)，會(huì)形成阻擋水流的屏障，進(jìn)一步引導(dǎo)水流流向，減輕岸坡的受沖刷程度[3]。

根據(jù)管樁的橫截面形狀可大致將其分為矩形樁和圓柱樁，由于各方向水流對(duì)圓柱樁的法向沖擊力都較小，預(yù)制圓柱樁的工藝流程較簡(jiǎn)單，所以圓柱樁具有更大的施工適用范圍，但實(shí)際應(yīng)用效果欠佳，經(jīng)常發(fā)生斷樁、倒樁現(xiàn)象，所以其設(shè)計(jì)施工技術(shù)還需進(jìn)一步改進(jìn)。

1.2 混凝土板樁

與圓柱樁相同，混凝土板樁也是一種預(yù)制構(gòu)件，其特點(diǎn)在于混凝土面板上留有若干過水孔，河水通過過水孔時(shí)仍然會(huì)攜帶泥沙，這些泥沙會(huì)慢慢推擠在板樁的近岸側(cè)，同時(shí)板樁的遠(yuǎn)岸側(cè)也會(huì)阻擋、堆積泥沙，兩側(cè)堆積的泥沙能起到穩(wěn)固板樁的作用?；炷涟鍢恫捎眠^水孔來調(diào)理水情，對(duì)河道的控導(dǎo)護(hù)灘能取得一定成效，也正是在過水孔的影響下，板樁極易因?yàn)閼?yīng)力集中而出現(xiàn)破損和斷裂，所以對(duì)板樁的材料、過水孔的孔徑和位置還需要進(jìn)一步優(yōu)化[4]。

1.3 組合樁壩

組合樁壩結(jié)合了混凝土管樁和板樁的特點(diǎn)，將錨固在河床的混凝土管樁和無過水孔的混凝土面板結(jié)合起來，既克服了管樁容易斷樁、倒樁的缺點(diǎn)，又解決了板樁的應(yīng)力集中問題，還提升了樁壩的穩(wěn)定性和控導(dǎo)能力。

組合樁壩在水流沖擊方向上形成了阻礙，在樁壩近岸側(cè)產(chǎn)生了渦流，降低河水流速，促進(jìn)泥沙的淤積，增加了樁壩基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。同時(shí)，堆積的泥沙層還能起到控導(dǎo)護(hù)灘的作用，進(jìn)一步增強(qiáng)渦流的影響效果，形成良性循環(huán)。

2 工程概況

黃河下游流域地勢(shì)高差較小，地形平坦，水面寬闊，河水流速緩慢，泥沙容易沉積，河道岸坡時(shí)常坍塌、變形，因此黃河下游的“S”型河道較多，水情也比較復(fù)雜。本文選取了黃河在山東省的某河道為對(duì)象來開展模擬研究。

如圖2所示，該河道全長(zhǎng)4.1 km，河道軸線彎曲且寬度變化較均勻，河道主河槽寬度較窄，兩側(cè)河灘所占面積較大，主河槽的糙率為0.020，河灘的糙率為0.025。本文在MIKE21軟件中建立河道平面模型，將模型劃分為若干矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格對(duì)應(yīng)最大實(shí)際面積為0.001 km2，選取該地區(qū)2003年的洪水資料輸入模型。

圖2 河道模型平面圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

為了解組合樁壩在不同影響因素下的控導(dǎo)護(hù)灘的效果，模型設(shè)置了以下3種工況來展開研究。

1）單一樁壩在入流角度為15°、30°、60°。

2）三個(gè)橫向排布的樁壩在入流角度為15°、30°、60°。

3）入流角度固定為30°，三個(gè)縱向樁壩分別取縱間距為15 m、30 m、45 m。

3.1 不同入流角度下的控導(dǎo)結(jié)果

為探究不同入流角度下組合樁壩對(duì)河流的控導(dǎo)效果，設(shè)置了3個(gè)工況來計(jì)算模型，3個(gè)工況的河流流量均為3 000 m3/s，全樁高均為15 m，埋深7 m，水中樁高8 m，工況1的入流角度分別為15°、30°、60°。河流流速及水位主要參數(shù)如表1所示，可以看出，樁壩影響下的水流流向有明顯的變化，但不同入流角度下的河流流速無明顯差別，對(duì)河流的導(dǎo)流距離較短，不足45 m，說明單個(gè)樁壩的控導(dǎo)作用有限。

表1 單個(gè)樁壩的上下游主要參數(shù)

3.2 三個(gè)橫向樁壩的控導(dǎo)結(jié)果

模型設(shè)置了3個(gè)橫向等間距排布的組合樁壩，同樣設(shè)置3個(gè)工況，工況入流角度依次為15°、30°、60°，除組合樁壩的橫間距為10 m外，其余條件與3.1節(jié)相同。由此得到的河流流速及水位等模擬主要參數(shù)如表2所示，與單個(gè)樁壩的模擬結(jié)果相比，3個(gè)橫向排布樁壩影響下的河流方向改變更顯著且導(dǎo)流距離增幅較大。工況15°、30°時(shí)導(dǎo)流距離約為50 m，工況60°時(shí)導(dǎo)流距離達(dá)到60 m，而且的上下游水位差也最大，說明60°入流角度下的3個(gè)橫向樁壩的控導(dǎo)效果較好。

表2 三個(gè)橫向樁壩的上下游主要參數(shù)

3.3 三個(gè)縱向樁壩的控導(dǎo)結(jié)果

為研究縱間距對(duì)模擬結(jié)果的影響，設(shè)置樁壩縱間距分別對(duì)應(yīng)15 m、30 m、45 m，入流角度均為30°，其余條件均與3.1節(jié)一致。結(jié)果如表3所示，可以看出河流導(dǎo)流距離分別達(dá)到了62 m、60 m、77 m左右，結(jié)果差距較小?？v間距為45 m時(shí)，樁壩上下游水位差最大，控導(dǎo)效果最好。

表3 三個(gè)縱向樁壩的上下游主要參數(shù)

4結(jié)語(yǔ)

本文模擬了組合樁壩對(duì)黃河在山東省某河道的控導(dǎo)護(hù)灘結(jié)果，重點(diǎn)研究了不同入流角度及縱樁間距對(duì)模擬結(jié)果的影響，得到以下結(jié)論：

1）河流入流角度越大，組合樁壩的防護(hù)效果越理想，60°角度時(shí)，單個(gè)樁壩和多個(gè)樁壩的上下游水位差均達(dá)到最大，導(dǎo)流距離最長(zhǎng)。

2）多個(gè)組合樁壩的防護(hù)效果較單個(gè)樁壩好得多，縱間距為45 m時(shí)，樁壩對(duì)水流的阻礙作用最明顯，導(dǎo)流距離最佳。