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基于水工与EXNER模型试验的围堰冲刷安全分析

文档作者：汤梅张久军文档来源：江苏省东台市水利建设有限公司		点击数：	更新时间： 2021年05月07日
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2017年第8期水利规划与设计科研管理
DOI：10．3969／j．issn．1672—2469．2017．08．031
基于水工与EXNER模型试验的围堰冲刷安全分析
汤梅，张久军
(江苏省东台市水利建设有限公司，江苏东台224200)
摘要：围堰设计方案与施3-．组织方案的实际制定大多是以现状水文水力条件为基础，因此提出水工与EXNER模
型试验相结合的围堰冲刷安全分析方法，以充分考虑围堰填筑完成后水流特性的改变及其对围堰工程安全的影
响。首先通过水工模型试验对EXNER模型进行验证，再采用EXNER模型对丁溪河围堰工程进行研究，从而判
断出不同特征水位与围堰布置工况条件下的冲刷安全性能。预期情况符合工程实际结果，证明该方法可广泛应用
于围堰工程的方案优选及安全评价工作中。
关键词：围堰；冲刷安全；水工试验；模型模拟
中图分类号：TV551．3 文献标识码：A 文章编号：1672·2469(2017)08-0098—03
1 概述
目前许多围堰设计方案与施工组织方案的制定
都是基于现状水文水力条件，而没有充分考虑围堰
填筑完成后水流特性的改变及其对围堰工程安全的
影响。围堰工程可减小河道横截面积并改变水流形
态，且可因之而增加局部流速、切变应力、涡流、
和紊流特性⋯。这些改变可增强水流对河床及围
堰的侵蚀与冲刷作用、严重影响围堰的冲刷安全，
因此，若在设计过程中只考虑围堰填筑完成之前的
水流特性，则将低估潜在的围堰冲刷危险而使工程
安全不能得到充分保证。鉴于此，本文提出水工模
型试验与EXNER模型试验相结合的围堰冲刷安全
分析法，并基于该方法对川东港工程丁溪河老河道
拓疏工程中的围堰工程进行分析。结果表明，该方
法可准确判断不同工况条件下围堰填筑后的实际冲
刷情况，从而对围堰工程方案优选及安全评价¨1
提供参考。
2 方法
2．1工程实例
本文研究工程实例为川东港工程丁溪河老河道
拓疏工程中的围堰工程。川东港工程由江苏省省级
以上和地方财政配套投资，拓浚总长度90．6km。
其中丁溪河标段桩号为45+934～50+659，共
4．725km。疏浚河道断面设计标准中河底高程为
一3．0m，河底宽为50m，边坡为1：3。在工程中需
．98·
设置围堰，围堰工程可采取不同的布置工况，而不
同的布置工况可有不同的安全性能¨。，是控制整
体施工安全与进度的重要因素”1。
2．2水文地质条件
围堰工程区内以兴化、东台2个水文站水位作
为施工期水位。根据兴化站数据可知，该标段非汛
期5年一遇最高水位为1．54m，冬春最高水位为
1．81m，汛期10年一遇最高水位2．78m。根据东台
站数据可知，以上3组特征水位分别为1．58、1．76
和2．78m。丁溪河段位于苏北滨海平原区，地貌类
型为滨海平原，地势较平坦，地面高程一般在
3．5～4．5m，河道狭窄弯曲，河道两侧多为农田、
民房。
2．3水工模型试验
水工模型试验在长10m，宽0．25m，深0．5m
的人造水槽中进行。水槽上游人口采用直径为
0．15m的水泵产生水流，水泵设有控制阀门以调
节流量；水槽下游尾端设置闸门以控制水位，上
部安装针形水位计，内部设置树脂玻璃以代表围
堰，底部铺设0．1 rn、粒径为0．3mm的细沙。分
别采用ADV仪器、针形水位计和TLS仪器对水流
流速、水位和冲刷深度进行测量。共试验5组流
量，分别为0．015、0．018、0．020、0．025和
0．030m3／s；共试验3组围堰伸出率(围堰长度与
收稿日期：2016．11-23
作者简介：汤梅(1983年一)，女。工程师。
万方数据
科研管理水利规划与设计2017年第8期
水槽宽度之比)，分别为0．1、0．2和0．3；因此，
根据流量与围堰伸出率的不同组合共进行了15组
工况试验。
2．4 EXNER模型试验
EXNER模型试验主要分为2部分：①复制水
工模型试验，从而确定其适用性与精确性；②对丁
溪河围堰工程进行分析。该模型主要包含水动力学
模块和河床形态学模块，其中前者主要为N—S
方程¨。：
业+业：0 ⋯1
a石a Y
“篝+移筹一去(詈)+惫(20 0一矽r笔)+㈩“——十移——=一——I——I+——I 矽。——I+
％ a V a踅＼o} ％＼。l a蔸} f，＼
南[1．PT(筹+篝)】+[生0 Zf＼三p 11}圳+F
配￡+'一／3筹一+南—(詈)+—南(2Y =一——l——I+——I 一∥∥。—r—嚣l+)+㈩
a石a a y＼D， a y＼
’1
a v， r气、
惫H筹+笔)卜[乏(詈)】Ⅲ+Fy
式中，^一水深，in；u一戈方向(顺流方向)平均流
速，m／s；秽一y方向(横向)平均流速，m／s；彳一竖
直方向坐标；P～平均压力，N；p一水的密度，
kg／m3；PT一湍流粘度，m2／s；r。一菇方向湍流切变
应力，Pa；r。一y方向湍流切变应力，Pa ；F。一戈
方向重力分量，N；F，一y方向重力分量，N。
河床形态学模块主要包括泥沙连续方程和输运
方程：
(1一忍)丝+垫+蝗：0 (4)
a t a菇a Y
”0．053[(鲁一1)g]d：j5矿甲1(5)
式中，n一孔隙系数；z一河床高程，m；f一时间，
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。～单位宽度
推移质量，kg；P。一泥沙密度，kg／m3；g一重力加
速度，m／s2；dso一50％泥沙直径，In；D+一标准
化颗粒直径，In；卜输运参数。
EXNER模型的建模主要在Delft3D开源模式中
进行，并可通过改变地形(几何)数据、边界条件、
流量与水位来对不同的工况进行试验¨1，其中第
一部分试验采用水工模型试验的布置型式与流量参
数；而第二部分试验则采用丁溪河围堰工程区的实
际水文地质条件。所采用的时间步长为100s、长度
为5d，网格误差标准为2％。
3 结果
3．1水工模型试验结果
水工模型试验最重要的目的为判断不同工况
条件下围堰迎水面远岸处(最危险处)的水深、流
速以及冲刷深度，具体实验结果见表1。该表显
示，在固定流量条件下，围堰迎水面远岸处水深、
流速、以及冲刷深度皆随伸出率的变化而变化，
说明围堰可改变水流特性，因此传统的不考虑围
堰对水流特性影响的评价方法结果误差较大。在
固定伸出率条件下，各参数皆随流量的变化而变
化，即在实际工程中也应充分考虑流量(或特征
水位)的变化情况。
表1不同工况下的水工模型试验结果
流量(Q)／ 伸出率水深(日) 流速(V) 冲刷深度(D)
工况
(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模型验证
采用EXNER模型对水工模型试验的设置与工
况进行模拟，所得数据见表2。初步定性分析可
知，工况条件对围堰冲刷安全性能具有明显的影
响，这与水工模型试验的结论相一致。
·99·
万方数据
2017年第8期水利规划与设计科研管理
表2不同工况下的EXNER模型试验结果
流量(Q)／ 伸出率水深(Ⅳ) 流速(矿) 冲刷深度(D)
工况
(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
为进一步验证EXNER模型在围堰冲刷安全分
析中的适用性，将其结果与水工试验模型数据进行
比较，从而计算其误差范围。主要采用2组数据间
的平均比值(E6)、平均差值(Ec)、均方根差(巧)，
和平均误差率(觑)来进行分析，计算公式分别为：
_lv r E6=Σ攀Ⅳ (6) 』J f
、’
‘ J术3-一‘
Ⅳ
Ec=Σ(五⋯一一厶T-i)／N (7)
厂面—————————————————一
巧=√Σ(五～一一厶“)2／Ⅳ (8)
N
Ef=Σ(I厶。一；一厶¨I饥¨)／N (9)
i型
承
堪
副
辎
董虽
【工)
1．4
12
O．2
0
。H(Eb-1．009；Ec=0．00lm；l沪O·003m；E仁l-661)l
口V(Eb。1．074皿卸．045rn／s河=0．066m／s；E／=8．793)J号
一t3 D等(E值b线=I’012妒n00响删m叭m胪3。015’l∥ 一等值线l∥
0．01 0．1 1
水工模型试验值
图l EXNER模型的误差分析
·100·
数据对比及其误差分析情况如图1所示。由初
步定性分析可知，各散点基本都坐落于等值线附
近，这说明EXNER模型的精确度很高。冲刷深度
D的E6值为1．012，说明EXNER模型结果略偏
高；Ec值为0m，说明EXNER模型的累积结果与
水工试验模型完全一致；Ej值为0．001111，该值表
示了EXNER模型的平均误差量级；而剧值为
3．015％，小于10％，即其精确性满足工程要求。
同理可知，EXNER模型在水深日和流速y的预测
中也完全满足工程要求，因此可以认为该模型在围
堰冲刷安全分析中具有较高的适用性与精确性。
3．3冲刷安全分析
EXNER模型试验法成本较低、耗时较短、且
其适用性与精确性已被验证，因此采用该方法对丁
溪河围堰工程进行分析。不同特征水位及围堰布置
(围堰外围边坡坡比)工况下的冲刷安全分析结果
(以最大冲刷深度表征)如图2所示。
gX
g
刨
送
毒
是
_K
略
0．8
0．7
图2不同工况下的围堰冲刷安全分析
该图显示围堰工程最大冲刷深度明显随特征水
位重现期的增加而增大，其差别可达3．5倍之多，
因此特征水位的准确判断对围堰冲刷安全评价结果
准确定的影响较大；基于不同站点资料所得到的结
果差别不大，因此可选择两者中的较大值(保守
值)作为最终结果；在各特征水位条件下，坡比为
1：3的围堰布置方案皆具有最小的冲刷深度，即安
全性能较高，因此被选为最终的设计方案。
3．4应用效果
根据以上分析方法，确定丁溪河围堰工程中围
堰顶宽为2．0m，围堰填筑高度按4．5m控制，内侧
边坡坡比1：2，外侧边坡坡比为1：3。围堰填筑主要
用推土机、挖掘机配合完成⋯，整体工程于2014年
10月31日完工，实际效果与预期基本一致，证明了
本文所采用方法的合理性。(下转第118页)
万方数据
2017年第8期水利规划与设计科研管理
上基本没有难度，成本增加很少，无论对传统沉沙
池的改造还是新沉沙池的建设，都较容易实现。本
新型冲沙方式的沉沙池虽是在水电站沉沙池的基础
上提出的，但是也可以推广运用到其他相关领域的
沉沙池或者引水系统中，可行性分析如下。
(1)但凡沉沙池，其沉降原理都是大致相同，
即通过增大过流面积、减小流速，达到沉积泥沙的
目的。
(2)由于泥沙淤积的时间不久，而且浸泡在水
中，泥沙颗粒之间的抗剪强度较小，在压力流的作
用下容易发生渗透破坏。
(3)泥沙一旦发生渗透破坏，由于其颗粒较
小，自重较轻，在较小流速的水流下很难再次沉
积，从而容易被带走。
3．2应用范围
我国是水利大国，涉水、取水工程数目甚多，
本技术成本低，对传统沉沙池改造不大，易于施
工、安装，具有有广阔的应用前景。
(1)河流取水工程的沉沙冲沙。水电站取发电
用水、火电站取冷却用水、自来水厂取饮用水源等
等，均有水质含沙量的标准，采用本技术，可以连
续、高效地获得达标水源，节约水资源的同时，也
获得相应的经济和环境效益。
(2)河道港口、灌溉渠系的清淤。在特定清淤
部位埋设该装置，需要清淤时启动，可以高效快捷
完成任务，设施一次投入，永久使用。
(3)污水厂等环境相关设施的清理。污水厂
等环境设施中的沉淀池，运行到一定标准就需
要清理。运用本装置可以提高清理的效率和
效果。
4 结语
逆向思维利用渗透破坏原理，新型沉沙池以压
力管道中的高压流体自下而上冲入沉淀(淤积)物
中，使其发生渗透破坏，然后仅使用少量的水，在
较小的流速下、在极短的时间内即可把沉淀(淤
积)物冲洗干净，方法简单易行，对传统沉沙池改
造不大，易于施工和推广。该技术节约水资源，冲
淤效果好，提高沉沙池运作连续性，具有广阔的应
用前景。
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祭祭牙塔笞§祭零零零祭牙峪蔷§牙弛器各黜琴嗡鞋岔她薄祭笞鹭莽茸譬零培氧雾弛孓笞她器苦氧；薄笞№莽葛譬雾培黜零茜乳紧边薄牙的簿笞啦器誉沁莽苍皂g氧
(上接第100页)
4 结语
采用水工与EXNER模型进行了围堰冲刷试验，
结果表明EXNER模型在围堰冲刷安全分析中预测较
为精确，可广泛应用于围堰冲刷安全评价中，并可
对围堰布置方案的优选提供指导。采用EXNER模型
对丁溪河围堰工程进行研究，得到了不同特征水位
与围堰布置工况条件下的冲刷安全性能，最终选定
边坡为1：3的围堰布置方案，工程结果与预期基本
一致，证明了该方法的合理性。但本文只考虑了水
流特性与河道水文地质条件的影响，在以后的研究
中，还可对围堰本身的结构型式⋯与材料进行分
析，从而确定出更为经济高效的工程方案。
参考文献
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万方数据

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