長江口南槽航道透水梯形結構整治建筑物水動力特性研究

朱 治，張學軍，沈雨生

(1.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002；3.南京水利科學研究院 河流海岸研究所，南京 210024)

長江口南槽航道治理工程作為我國“十三五”水運重點建設項目，是支持長江經濟帶建設和“一帶一路”國家戰路實施的需要，工程的實施可有效改善長江口通航環境及航道條件、促進江海聯運發展、充分發揮長江黃金水道功能[1]。為貫徹落實長江經濟帶“生態優先、綠色發展”的理念，在長江口南槽航道建設中進行了生態航道技術的研究與應用。

傳統的航道整治大量采用硬化覆蓋的方式，由于水下建筑物的形成，增加了河床不透水面積，導致水生生境發生變化或局部區域生境消失，對水生生物的生存環境和生存空間造成破壞。生態航道建設是在傳統航道建設基礎上，綜合考慮航運開發與水沙條件、水生生物、生態環境等的關系，在航道建設各領域各環節采取新的生態技術、工程管理等措施，實現航道建設與生態系統的協調[2]。生態航道必須從設計階段開始科學制定生態環保目標，注入生態環保理念[3]。我國生態航道建設已在長江干線航道的治理工程中得到了較大的發展，長江干線航道整治主要包括守護工程(護灘、護岸、護坡、護底)、筑壩工程、疏浚吹填工程、航道爆破工程等，目前已在航道整治的多個環節考慮了生態環境保護措施與管理辦法[4-5]。生態航道建設與整治建筑物的水動力特性和泥沙因子密切相關，為有利于水生生物棲息并達到生態效果，整治建筑物一方面需具有透水減流的性能，從而為水生生物棲息提供適宜的水生生境；另一方面整治建筑物內及周圍需具有一定的泥沙淤積效果，以達到河床底質回補的目的，為水生生物棲息提供場所。整治建筑物是生態航道建設的關鍵，長江干線航道整治工程中提出并應用了多種生態型透水護坡、護灘、護底和壩體等整治建筑物結構[6-10]。與長江干線航道所受水動力條件不同，長江口區域同時受強勁的風浪和潮汐動力作用，而專門針對長江口區域的生態型航道整治建筑物很少，有必要對此開展研究。

本文依托長江口南槽航道治理工程，對一種透水梯形結構整治建筑物進行物理模型試驗，研究其水動力特性和泥沙淤積效果，并根據試驗結果對結構進行了優化，可為類似工程的設計提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

長江口南槽治理一期工程是在長江口現有12.5 m深水主航道的基礎上，按照長江口“一主、兩輔、一支”航道體系的總體規劃實施的又一重大航道整治工程。工程建成后，長江口將新增一條長86 km、水深6.0 m、寬600～1 000 m的優質輔助航道(工程平面布置見圖1)，該航道可滿足5 000 t級船舶滿載乘潮雙向通航，1萬～2萬t級船舶減載乘潮通航和大型空載船舶下行乘潮通航。長江口南槽航道治理一期工程主要由整治建筑物工程和疏浚工程組成，其中整治建筑物為江亞南沙護灘堤，堤線總長約16 km。本工程施工水域是長江流域生物資源最豐富的區域之一，為了踐行“生態優先、綠色發展”的理念，本工程進行了生態航道建設。整治建筑物是生態航道建設的關鍵，因此有必要對整治建筑物水動力特性進行專項研究。本文選取江亞南沙護灘堤淺水段典型結構作為研究段。

圖1 工程平面布置圖Fig.1 General layout of the project

1.2 水動力條件

研究段整治建筑物斷面位于淺水段，灘面高程為0.0 m，工程區極端高水位為5.94 m，設計高水位為4.32 m，平均水位為2.20 m，設計低水位為0.39 m。

研究段整治建筑物50 a一遇設計波浪要素見表1。工程區水流條件見表2。工程區泥沙(底質和懸沙)特征見表3～表4。

表1 研究段整治建筑物50 a一遇設計波浪要素Tab.1 Design wave parameters of 50 year return period for the regulation structure

表2 工程區水流條件Tab.2 Current conditions for the project area

表3 工程區底質泥沙特征Tab.3 Seabed sediment characteristics for the project area

表4 工程區懸沙泥沙特征Tab.4 Suspended sediment characteristics for the project area

1.3 整治建筑物原方案設計

研究段整治建筑物斷面見圖2，灘面高程0.0 m，堤身高度2 m(頂高+2.0 m)，基床采用袋裝碎石，護腳采用100～300 kg塊石，上部主體采用透水梯形結構構件，構件由頂板、側板和底部框架構成，結構高1.6 m、頂寬4 m、底寬5.5 m、長5 m，頂板厚0.3 m，側板厚0.3 m，頂板均布9個圓孔(直徑皆為500 mm)，前后側板不開孔，底部無底板，結構表面整體開孔率為5.2%(圖3)。

圖2 研究段整治建筑物斷面Fig.2 Cross section of the regulation structure

圖3 透水梯形結構圖(單位：mm)Fig.3 Structure figure of the permeable trapezoid structure

2 研究方法

本項研究通過斷面物理模型試驗進行，通過斷面物理模型試驗研究透水梯形結構整治建筑物在水流、波浪作用下的結構水流流速和泥沙淤積效果，并對結構進行優化。

2.1 試驗儀器設備

本項物理模型試驗在波浪水槽中進行，該水槽可同時產生波浪、水流和風。水槽長170 m、寬1.2 m、深1.8 m。水槽的一端配有消浪緩坡，另一端配有推板式不規則波造波機。波高測量采用電阻式波高儀，利用DS30多功能自動采集系統采集，最終由計算機形成波高數據文件。結構內外側水流流速采用多普勒流速儀(ADV)測量。

2.2 模型設計

試驗采用正態模型，根據Froude數相似律設計。考慮到結構物尺度、模型范圍、水深、水流和波浪條件以及試驗場地設備等，本次試驗模型幾何比尺λl為1:25。

2.3 試驗方法

為研究透水梯形結構的水動力環境，在斷面物理模型試驗中波浪共同作用下測量透水梯形結構內外側的水流流速，水流流速測點布置見圖4。

圖4 結構內外側流速測點布置Fig.4 Arrangement of the velocity measuring points in and outside the structure

為研究透水梯形結構的泥沙淤積效果，需要進行兩部分波流作用下結構周圍及內側沖淤試驗，包括：(1)平常條件水流作用下結構周圍及內側泥沙淤積試驗；(2)惡劣天氣波流共同作用下結構內側泥沙沖淤試驗。

對于平常條件水流作用下結構周圍及內側泥沙淤積試驗，主要考慮平常條件水流作用下，含沙水流使結構內發生淤積。本項試驗的模型沙選擇主要考慮泥沙輸移和泥沙沉降相似。經過比較選擇，采用一定中值粒徑的木粉作為該項試驗的模型沙，試驗采用中值粒徑d50=0.05～0.06 mm、γs=1.16 t/m3的木粉。

對于惡劣天氣波流共同作用下結構內側泥沙沖淤試驗，本項試驗主要考慮重現期波浪和水流共同作用下，結構物周圍及內側泥沙掀起，在波浪、水流作用下的泥沙輸移使結構物內側平常條件下已淤積的泥沙發生沖淤變化。本項試驗的模型沙選擇主要考慮泥沙起動相似。經過比較選擇，采用一定中值粒徑的煤粉作為該項試驗的模型沙，試驗采用中值粒徑d50=0.18 mm、γs=1.33 t/m3的煤粉。

3 原方案試驗結果

3.1 透水梯形結構水流流速結果

對于原方案透水梯形結構，分別在惡劣天氣和平常條件下測量了結構內外側的流速，試驗工況為：(1)工況1。設計高水位為+4.32 m，50 a一遇波浪+漲急流(流速v=0.87 m/s)；(2)工況2。設計高水位為+4.32 m，漲急流(流速v=0.87 m/s)，無波浪。結構內外側流速結果見表5～表6。需要說明的是表5～表6中流速結果為平均流速，表中各分量流速的方向見圖4，且表中“--”代表該分量流速非常小、可忽略。

表5 工況1條件下結構內外側流速結果Tab.5 Current velocity in and outside the structure under case 1 m/s

表6 工況2條件下結構內外側流速結果Tab.6 Current velocity in and outside the structure under case 2 m/s

由表5～表6可見：

(1)對于原方案透水梯形結構，在波流或者水流作用下，結構內側均存在一定的流速，但明顯小于結構外側流速。

(2)對于惡劣天氣條件(工況1)，在波流共同作用下結構內側流場呈三維特征(X、Y和Z三個方向均有流速)，結構內側流速相對于外側流速平均減小了75%(相對于潮流流速和波浪底質平均流速之和)。

(3)對于平常條件(工況2)，在單純水流作用下，結構內側流速相比惡劣天氣條件(工況1)的波流共同作用時較小，且主要在水平X方向和豎直Z方向有流速，結構內側流速相對于外側流速平均減小了84%。

3.2 透水梯形結構周圍及內側泥沙沖淤結果

透水梯形結構要發揮生態效益，結構內需要提供可供生物棲息的場所，所以結構內需有部分泥沙淤積。對于原方案透水梯形結構，主要進行了平常條件水流作用下結構周圍及內側泥沙淤積試驗，試驗條件為：設計高水位為+4.32 m，漲急流(流速取平均流速v=0.87m/s)，無波浪。當平常條件水流作用相當于原型1個月后，結構周圍及內側泥沙淤積情況見圖5。

圖5 水流作用后結構周圍及內側泥沙淤積情況Fig.5 Sediment siltation condition in and around the structure after current action

由試驗結果可見，平常條件水流作用下，結構后部(背流面)及結構內部發生泥沙淤積，結構內部泥沙淤積較為平坦，當水流作用相當于原型1個月后，結構內部泥沙淤積最大厚度為0.52 m，平均淤積厚度為0.16 m，平均相對淤積厚度為12%，單個構件內的淤積量約為3.2 m3。

4 優化方案結果

由原方案透水梯形結構試驗結果可見，波流作用下，該透水梯形結構內側流速明顯小于結構外側流速，且結構后部及內側發生泥沙淤積，可為生物提供棲息和避難場所。但是原方案結構比較單一，為適應不同水生生物對象的個體尺寸，并利于生物進出結構，優化方案一方面將頂板開孔直徑優化為350～500 mm不等，另一方面考慮對結構側板開孔。原方案結構基床為袋裝碎石，考慮到袋裝碎石的施工難度以及拋石墊層更接近自然條件，且拋石孔隙利于生物棲息，優化方案同時將袋裝碎石基床改為拋石。

4.1 結構開孔研究

對于優化方案透水梯形結構開孔方式，頂板開孔直徑優化為350～500 mm(2列為350 mm，中間一列為500 mm)，前后側板開孔考慮多種位置、數量及孔徑，共5個比選方案，詳見表7和圖6。對于前后側板開孔比選方案，考慮便于不同生物(浮游生物、游泳生物和底棲生物)進出結構且在結構內泥沙淤積的不同階段生物均可以進出結構，比選方案二～選方案五在結構前后側面板的不同高度進行開孔。比選試驗在純流條件下進行，比較不同比選方案結構內的流速，試驗條件為：設計高水位為+4.32 m，漲急流(流速v=0.87 m/s)，無波浪。

表7 透水梯形結構開孔比選方案匯總Tab.7 Plans of different hole types of the permeable trapezoid structure

6-a 方案一 6-b 方案二 6-c 方案三 6-d 方案四 6-e 方案五圖6 透水梯形結構俯視示意圖Fig.6 Top view of permeable trapezoid structure

除了測量結構內側的水流流速外，還對結構進行了流速示蹤試驗，對比其擴散情況，示蹤試驗見圖7。各開孔比選方案結構內側的流速結果對比見表8和圖8。

圖7 示蹤試驗 圖8 各開孔比選方案結構內側的流速對比Fig.7 Tracer testing Fig.8 Comparison of current velocity in the structure for different plans

表8 各比選方案結構內側的流速測量結果對比(1#代表點)Tab.8 Comparison results of the current velocity in the structure for different plans

由表8和圖7可見：

(1)考慮利于生物進出結構，對結構前后側板開孔后，各比選方案結構內側的水流流速相同條件下均明顯大于原方案結構內側的流速。流速示蹤試驗表明，水流作用下介質可進出結構，說明比選方案結構具有一定的透水性和水交換能力，可保持結構內良好的水環境。

(2)結構前后側板開孔后，結構內水流流速相比原方案明顯變大，但是為有利于結構內側的泥沙落淤，結構內流速不宜較大。對于比選方案一，由于其前后側板開孔孔徑較大，且前后孔對齊，比選方案結構內側的水流流速明顯較大。比選方案二～比選方案五結構內側的水流流速與比選方案一相比較小，可見減小結構前后側的開孔孔徑、減少開孔個數并將前后側孔錯開布置可減小結構內的水流流速。經過綜合比較不同比選方案的試驗結果，推薦比選方案五(350 mm孔徑、前二后一交錯開孔)作為透水梯形結構的開孔方案。

4.2 底板結構形式研究

不同的底板結構形式會影響平常條件下淤積在結構內的泥沙在惡劣天氣條件下的沖刷情況，影響透水梯形結構發揮生態效益。在結構開孔推薦方案的基礎上，對于底板結構形式進行研究，分別進行了無底板、開孔底板(圖9)和格柵底板(圖10)三種方案的對比試驗(墊層均采用10～100 kg拋石)。對于開孔底板方案，結構底板厚度為350 mm，在單個構件底板上開了16個350 mm孔徑的孔。對于格柵底板，在結構底部設置高350 mm的格柵結構，包括1條縱向格柵和5條橫向格柵，格柵結構將構件底部隔成了12個矩形空間，格柵與下部墊層間有150 mm的間隙。

圖9 開孔底板方案結構圖 圖10 格柵底板方案圖Fig.9 Structure of holes in the bottom panel Fig.10 Structure of slits in the bottom panel

對各底板方案進行惡劣天氣條件下的結構內側泥沙沖刷試驗，對比各底板方案平常條件下淤積在結構內的泥沙在惡劣天氣條件下的沖刷情況。試驗前在結構內預先填模型沙。試驗條件為：設計高水位為+4.32 m，50 a一遇波浪+漲急流(流速v=0.87 m/s)。

各底板方案在惡劣天氣條件下的結構內側泥沙沖刷試驗如下：

(1)對于無底板方案，當惡劣天氣條件波流共同作用相當于原型6 h后，結構內仍有泥沙存在，但是由于結構內的大部分泥沙在波流共同作用下落至墊層塊石孔隙中，墊層塊石表面剩余的泥沙較少(見圖11-a)。

11-a 無底板方案 11-b 開孔底板方案 11-c 格柵底板方案圖11 各底板方案結構內側泥沙沖刷試驗結果對比情況Fig.11 Comparison of sediment siltation condition in the structure for different bottom panel plans

(2)對于開孔底板方案，當惡劣天氣條件波流共同作用相當于原型6 h后，結構內預填泥沙基本被全部沖走(見圖11-b)。從試驗現象觀察，這是由于底板存在使得結構內預先淤積的泥沙高度較無底板時更高，受波流作用明顯增大，泥沙起動明顯，且呈現明顯垂直向上運動，進而被沖出構件。

(3)對于格柵底板方案，當惡劣天氣條件波流共同作用相當于原型6 h后，由于格柵可在結構底部創造多個緩流區，格柵底板方案結構內仍有泥沙存在，不過格柵表面預填的泥沙基本被全部沖走，結構內的泥沙主要存在于隔槽內和格柵下部(見圖11-c)，且結構內迎浪(迎流)側的泥沙沖刷程度相比后側較大迎浪(迎流)側隔槽內平均約剩余18%的泥沙，后側隔槽內平均約剩余35%的泥沙。綜合比較不同底板方案的結構內泥沙沖刷試驗結果底板結構推薦格柵方案。

4.3 推薦方案試驗

基于優化方案試驗結果，結構開孔方案采用比選方案五(頂板包括350 mm和500 mm兩種孔徑、側板350 mm孔徑、前二后一交錯開孔)，底板采用格柵方案，組成透水梯形結構的推薦方案。

為進一步研究推薦方案透水梯形結構的泥沙落淤效果，對其進行了平常條件下結構內側的泥沙淤積試驗。試驗條件為：設計高水位為+4.32 m、漲急流v=0.87 m/s、平常波浪(H1/3=0.80 m)。當平常條件波流作用相當于原型1個月后，推薦結構內側泥沙淤積情況見圖12。

12-a 格柵表面和隔槽內泥沙狀況 12-b 格柵下部泥沙狀況圖12 平常波流作用后結構內側泥沙淤積情況Fig.12 Sediment siltation condition in the structure after wave and current action of the ordinary condition

由試驗結果可見，對于推薦方案透水梯形結構，在平常條件波流共同作用下，結構內部發生泥沙淤積，淤積主要發生在隔槽內和格柵下部，格柵表面也有淤積；結構內后側的泥沙淤積程度相比迎浪(迎流)側較大。當平常條件波流累積作用相當于原型約1個月后，結構內部泥沙淤積最大厚度為0.48 m，平均淤積厚度為0.14 m，平均相對淤積厚度為11%，單個構件內的淤積量約為2.8 m3。可見，推薦方案透水梯形結構在平常條件波流共同作用下的泥沙淤積效果較好。

5 結語

(1)原方案透水梯形結構試驗結果表明，波流作用下，該透水梯形結構內側流速明顯小于結構外側流速，且結構后部及內側發生泥沙淤積，可為生物提供棲息和避難場所。但是為適應不同水生生物對象的個體尺寸，并利于生物進出結構，對透水梯形結構進行了優化。

(2)優化方案對不同開孔結構和底板方案進行了比選。考慮利于生物進出結構，對結構前后側板開孔后，結構內水流流速相比原方案明顯變大，但是為有利于結構內側的泥沙落淤，結構內流速不宜較大。對開孔結構的比選研究表明，減小結構前后側的開孔孔徑、減少開孔個數并將前后側孔錯開布置可減小結構內的水流流速；對底板方案的比選研究表明，格柵方案平常條件下淤積在結構內的泥沙在惡劣天氣條件下的沖刷程度好于無底板方案和開孔底板方案。

(3)推薦方案透水梯形結構開孔方案采用比選方案五(頂板包括350 mm和500 mm兩種孔徑、側板350 mm孔徑、前二后一交錯開孔)，底板采用格柵方案，推薦方案內側泥沙淤積效果較好，可為類似工程提供參考。