潜坝在内河航道整治中的应用研究_陈希

　　中国水运航道科技

　　DOI编码：

　　10.19412/http://www.wendangwang.comki.42-1395/u.2016.04.009

　　潜坝在内河航道整治中的应用研究

　　陈希

　　（长江重庆航运工程勘察设计院重庆401147）

　　【摘要】潜坝是一种常见的航道整治建筑物。本文概述了潜坝在航道整治工程中所起的作用及在内河航道整治中的应用。通过分析潜坝的壅水原理、水流特性及其损毁原因，为今后潜坝设计和损毁维修提供参考。

　　【关键词】航道整治建筑物；潜坝；损毁【中图分类号】U617

　　文献标识码：A

　　文章编号：1006-7973（2016）04-0044-04

　　1前言

　　内河航道整治工程常采用疏浚与整治相结合的措施进行治理，而整治所采取的建筑物按形式可分为：丁坝、顺坝、锁坝、平面护岸、导堤、鱼嘴、护底、溪口导石拦石建筑物等，丁坝是最常用的整治建筑物。但考虑与周围环境的协调、不碍航等因素，潜坝也是较常用的整治建筑物。在航道工程学中，潜坝是指在最枯水位时均潜没在水下而不碍航的建筑物，有潜丁坝、潜锁坝等。

　　潜坝的主要作用：

　　1）雍高上游水位，调整比降，增加水深；2）促淤赶沙，减小过水断面和消除不良流态。

　　流量分布，减弱横流，改善流态的目的。

　　铜鼓滩潜坝也是起到调整河道分流、增大新开航槽流量作用。

　　香炉滩上、下潜坝则主要起改善流态的作用。抬高了打鱼碛尾部水位，减弱横流，减小横流比降，改变了水流结构，调整流速分布。

　　风簸碛潜坝调整了两叉分流比，增大了右槽流量，流速也增大了。

　　小米滩上、下潜坝的主要功能是消泡改善流态。小米滩是川江有名的浅、险滩，水位越枯，滩势越汹。该滩的整治是在下深槽筑两道潜坝分散消能。筑坝后，泡水强度减弱，其位置下移120m在航道较宽处，无碍船舶航行。

　　瓦窑滩上潜坝用于封堵深槽主流，改变河床断面流速分布，调顺水流流向，减弱深槽的吸流；下潜坝用于调整上游潜坝的跌水作用，减少航道内水位落差，改变河床断面流速分布，调整水流流向，减弱深槽的吸流。

　　神背嘴滩的3座潜坝均用于调整分流比，增大右槽流量。

　　红花碛上、下潜坝减弱了深槽的吸流作用，使

　　2潜坝在内河航道整治中的应用

　　2.1潜坝在长江航道整治中的应用2.2.1潜坝在川江航道整治中的应用

　　在川江仍发挥作用的89处整治建筑物中，有19条潜坝，占了21.35%。发挥的整治功能主要有：调节汊道流量、雍高水位、改善流态等作用。

　　筲箕背滩的3条潜坝增大了航槽内水流流量，防止挖槽淤积，同时雍高下深槽水位，达到了调整

　　航道维护与管理

　　主流偏向江心，冲刷过渡浅区，水深增加，达到整治目的。

　　哑巴碛滩在整治前水流平缓，航槽窄浅，且还有暗礁。修筑哑巴碛潜坝后，调整了部分流量，流速增加，冲刷能力加强，冲刷北槽下浅区，使得水流平顺，达到整治目的。

　　鲤鱼碛潜坝集中水流冲深航槽，同时减弱潭底产生的环流，一定程度上避免深潭被继续淘深。

　　小南海的车亭子潜锁坝是一个调节汊道分流量的典型锁坝。将左、右槽的枯期分流比由43%调节到了57%左右，增加了右槽中段及下口水流的冲刷能力。

　　图1潜坝在川江航道整治中的应用

　　目前，这19处整治建筑物功能发挥稳定，航道条件得到极大改善。潜坝因其常年淹没于水下，故与周边环境的协调性优于其他整治建筑物；由于上个世纪抛筑的潜坝多为散抛石，水流坑冲能力较弱，加之其常年没于水下，在日常的维护中不能直

　　观的发现破坏现象。对于此，一是要寻求更加稳定的结构型式以提高潜坝的强度，在长江上游的航道整治建筑物维修工程中，大量采用预制扭王字块、四面体砼块等提高潜坝的整体稳定性；二是增加水文观测次数，

　　以通过滩段的水流流态判断潜坝功能

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　　的发挥情况，进而判断潜坝是否发生了较大的变形；三是寻求一种科学探测潜坝水毁的检测方法，这也是以后我们研究的重点。

　　2.1.2潜坝在长江中下游航道整治中的应用

　　除在川江航道整治工程中建设了大量潜坝，在长江中下游航道整治中也采用潜坝来达到调整分流比的目的，其中整治效果较好的和畅洲左汊潜坝，这是首次在长江主汊中才用全断面潜坝形式实施的汊道控制工程。和畅洲为双分汊河型，自1977年洲体东北部鹅头状凸嘴被洪水冲失后，左汊分流比由1995年的58.1%增长至2001年6月的71.5%，为遏制左汊分流比持续增长导致航道条件向不利方向发展，2003年在主汊中抛筑了潜坝，从实测资料来看，2003年至2009年，左汊分流比不再持续增长，而是在71.8%~73.5%间小幅变动。由此可见，潜坝抛筑后左汊的发展得到有效遏制，目前来看潜坝达到了预期的整治效果。

　　2.2潜坝在其他流域整治中的应用

　　黄河下游的河道整治，多以修建土石结构坝的方法来控导流势，达到安全行洪的目的。经多年探索后试修的马庄潜坝（目前该坝是黄河河南段唯一存在的潜坝），低水位时控导溜势，洪水期漫坝溢流。坝的结构由软体沉排和散石坝体两部分组成，采用管膜布防冲，管袋填土压重，从而满足抗浮、抗滑等技术要求。潜坝的试建，取得了较好的导溜防冲效果，为探讨坝体新结构积累了经验，给黄河下游小水整治提供了新的途径。其显著特点还在于一次性修做成功，避免了完工后反复抢护造成的诸多弊端。

　　且查图取值的人为误差又不可避免。

　　于广年等采用理论分析及水槽试验相结合的方法，围绕着整治建筑物壅水规律这一关键技术，优选整治建筑物结构形式，进行不同坝高、不同水面比降及不同来水量的壅水规律的水槽试验，并建立了水位壅高值、局部阻力系数与阻挡面积之间的经验关系式。利用下式计算不同坝高、不同流量壅高值与实测值比较，计算值与实测值吻合较好，最大误差不超过10%。

　　υ2Δh=26.069

　　1

　　2.8959

　　60%1?60%1

　　υ2Δh=148.531

　　6.1301

　　对于潜坝壅水机理以及潜坝对流速、流态、坝顶局部比降等方面的研究还不多见。川江河段中的19座潜坝，其高度、坝位、数量、型式都是通过河工模型试验、反复比选方案后确定的。以后的整治工程中，可用于广年等提出的公式初步拟定潜坝的设计参数，通过河工模型、数学模型试验比选后确定。

　　4潜坝的水毁研究

　　4.1抛石潜坝水毁研究

　　潜坝是河道整治与航道整治中最常见的建筑物，常用于支汊堵塞，窜沟封堵，控制流量分配，增加主汊流量，限制支汊发展，达到通航汊道增加流量和水深的目的。由于潜坝，尤其潜锁坝常年淹没在水下，主要的破坏力就是水流动力，在深水大流速情况下，对坝体的抵抗冲刷能力要求更高。否则潜坝在短时间内将会彻底被破坏。梁伟华等通过和畅洲左汊口门潜坝的损毁情况，对潜坝水流特性和潜坝坝后冲刷进行了物理模型实验，据此分析了坝体的水毁机理。

　　由于潜坝的存在，使过坝处的过水断面骤减，坝前水流受阻壅高，比降减小，流速降低，到坝顶处，流速大幅度增大。水流与坝顶产生分离，同时由于翻坝水流与坝后静止水流之间存在的流速梯度而产生的切应力，带动坝后静水开始形成副流，此

　　副流上层靠近运动水流的一部分在主流的携带下

　　3潜坝的壅水原理

　　潜坝的目的是雍高上游水位，调整局部河段水面比降、单宽流量及水流流速，改善原河道水流流态。计算壅水高度时，大多近似采用宽顶堰公式，其水力计算涉及超越方程求解问题，具体解算过程需反复试算，且其流量系数是通过曲线图给出，每次试算必须借助曲线图查取数值，不但过程繁复，而

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　　随主流一起流向水槽下游，按照流体的连续性，下层的静水必然向上补充，这样就在坝下形成一个很强的回流区。尤其是下边坡比较明显，在潜坝两端束窄段还容易产生“剪刀水”。

　　常见的潜坝水毁现象包括：一是坝体上下边坡的坡脚处被水流长时间淘刷致使坝体结构失去完整性或失稳而崩塌；二是坝体两端与河床连接部分衔接不好，水流乘虚而入冲刷衔接处，导致其崩塌冲成缺口毁坏坝体；三是潜坝尤其是潜锁坝，坝顶和上下边坡块石发生滑动滚走，渐成缺口，导致坝体破坏。

　　潜坝水毁机理分析：坝脚处的冲刷由于水流过坝后直冲河底形成冲刷坑，坝基被水流淘空，造成坝体失稳垮塌；潜坝的选位不当，布置在地质条件差的河床上，极容易对坝两端的河床形成冲刷，最终难以达到整治目的。

　　针对上述水毁现象，维修工程和新建工程中拟在坡脚增加四面体砼块阵脚增强其稳定性；坝体与河床的衔接部位采用扭王字块护滩进行守护；背水坡则采用扭王字块进行护面；坝顶则采用四面体砼块进行压顶处理。4.2管桩潜坝水毁研究

　　针对长期小水作用的黄河下游河道现状，急需在不影响滩槽水沙交换和保证大中洪水安全排泄的条件下，合理布设小水河弯控制工程。于是一种基于小水整治的管桩潜坝设计应运而生，这种新型工程措施是一种小水期运用的透水丁坝，布设在弯道段主槽凹岸。这种由管桩组合的透水丁坝（或护岸）的坝顶基本与800m3/s流量的嫩滩唇齐平，小水控导主流、中水以上漫坝过洪，可与现有河道中水整治工程配套使用，有效约束大、中、小洪水均能走主槽。它的布置形式、导流效果与局部冲刷状况目前还不甚清楚，需要进行研究。因此孙东坡等借助概化的管桩潜坝局部冲刷模型试验与现场原型观测成果，对管桩潜坝的局部冲刷机理进行研究。他以管桩潜坝为代表分析影响潜坝局部冲刷的主要

　　因素有以下几个方面：1）流体特征因素：流体密度、流体运动黏度、重力加速度；2）河床质特征因素：泥沙密度、泥沙粒径、粒径级配结构、土壤黏性；3）流动特征因素：行近水流深度、行近流速、丁坝上下游水位差；4）潜坝特征因素：潜坝总长度、管桩潜坝单桩直径、透水率。通过量纲分析与实测资料拟合，建立可靠度较高、可供设计使用的新型管桩潜坝局部冲刷计算公式。

　　5展望

　　由于大多数潜坝一直淹没于水下，其运行状态不如出露坝体那么直观，潜坝在其发挥整治工程的同时也承受着巨大的水流反作用力。本文对目前常见的潜坝使用环境和功能目标以及效果进行分析，总结不同滩险下潜坝的损毁特征和损毁原因，为今后航道整治工程设计和航道整治建筑物维修提供参考。【参考文献】

　　[1]程昌华,刘晓平,唐寿鑫.航道工程学[M].北京：人民交通出版社,2001.

　　[2]窦臻,张增发.长江和畅洲左汊潜坝工程对汊道演变的影响[J].长江科学院院报,2012,10.

　　[3]任端伍.黄河下游马庄潜坝试验及其应用效果[J].人民黄河,1996,6.

　　[4]孔祥柏,程年生.丁、潜坝局部水头损失的试验研究[J].水利水运工程学报,1992,4.

　　[5]于广年,王义安,章日红.潜坝壅水规律研究[J].水运工程,2011,8.

　　[6]梁伟华,杨兴旺,胡坤龙.潜坝坝体局部水流结构与水毁机理分析[J].中国水运,2010,10.

　　[7]孙东坡,等.新型管桩潜坝的局部冲刷研究[J].水力发电学报,2012,3.【收稿日期】2016-07-04

　　【作者简介】陈希（1987-），女，助理工程师，主要从

　　事航道整治工程设计工作。