单向水流下非淹没垂直丁坝冲刷深度预测模型构建与验证

针对丁坝周围冲刷深度预测难题，研究人员通过41组水槽实验，系统研究了非淹没垂直丁坝在单向水流作用下的冲刷起始流速(V0c)与平衡冲刷深度(ds)的关系。创新性提出基于冲刷起始流速和过量墩弗劳德数(Fre)的预测公式，决定系数达0.93，98%数据误差控制在±25%以内。该研究为河口航道治理工程提供了更精准的设计依据。

　　

在河流治理工程中，丁坝作为关键的水力结构，既能增强航道通航能力，又可防止河岸侵蚀。然而，这些突出河床的建筑物会显著改变水流形态，产生复杂的马蹄形涡和尾涡系统，导致基础冲刷问题。据统计，全球约60%的丁坝损坏事故都与局部冲刷有关。尽管前人提出了多种冲刷深度预测公式，但由于冲刷起始条件不明确、泥沙参数考虑不足等问题，现有模型的适用性和准确性仍存在显著局限。

为突破这一技术瓶颈，HtayHtay Aung团队在《Water Science and Engineering》发表的最新研究中，通过系统的实验分析和理论建模，建立了更精确的冲刷深度预测体系。研究创新性地将冲刷起始流速(V_0c)与过量墩弗劳德数(Fr_e)相关联，并引入无量纲泥沙粒径(D_*)参数，解决了传统模型中泥沙粗度比(b/d₅₀)难以在实验室准确模拟的难题。

研究采用了两套循环水槽系统（长20m×宽0.58-1.3m×深1-1.5m），设置7种不同长度（0.05-0.24m）的垂直丁坝，选用中值粒径d₅₀=0.16mm和0.30mm的两种非均匀沙床。通过超声波多普勒测速仪(UDV)精确测量流速，采用四级标准判定冲刷起始状态，最终获取41组有效实验数据。

【冲刷起始流速规律】

研究发现V_0c/V_c（V_c为泥沙临界起动流速）并非固定值0.5，而是与相对水深(h₀/b)、收缩比(B/b)和D呈正相关。当h₀/b≤7.14时，该比值普遍低于传统认知的0.5阈值。通过多元拟合建立的预测公式V_0c/V_c=0.42(B/b)^0.15(h₀/b)^0.12(D)^0.08，决定系数R²达0.95，成功解决了前人公式中27%-53%案例出现负值的缺陷。

【平衡冲刷深度模型】

基于248组数据（含历史文献数据）构建的预测模型d_s/b=2.15Fr_e^0.78(h₀/b)^0.25(D)^0.12展现出显著优势：在0.02≤Fr_e≤0.27、4≤D≤82的参数范围内，预测精度较Dey and Barbhuiya(2005)和Pandey et al.(2016)模型分别提高33%和14%，均方根误差(RMSE)降至0.19。敏感性分析显示，Fr_e对冲刷深度影响最大，其次是h₀/b，D_*影响相对较小。

该研究的核心价值在于：首次通过实验证实冲刷起始条件具有多参数依赖性，打破了"V_0c/V_c=0.5"的传统假设；提出的D_*参数体系为实验室与现场尺度转换提供了新思路；所建模型被验证适用于更广的参数范围，特别在低Fr_e工况下预测精度提升显著。这些成果为河口整治工程中丁坝的稳定性设计和防护措施优化提供了重要理论工具，对保障水利基础设施安全具有重要实践意义。