新型方形薄壁生態護岸流速分布規律

譚順欽，陳 迪

(1.重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2. 長江勘測規劃設計研究院，湖北 武漢 430010)

1 概述

三峽水庫蓄水后，長江中下游河道受清水下泄影響岸線發生普遍崩塌，對河道河勢穩定產生明顯不利影響，河道岸線的守護愈發重要。傳統的河流護岸工程在設計上以水力學最佳水力半徑的理論為基礎，注重防洪固岸的功能性，以安全性、耐久性為優先[1]，多采用干砌塊石、漿砌塊石、現澆混凝土等材料修筑硬質護岸，阻隔了水—陸生態系統之間的聯系，不利于內河生態環境的保護和水土保持，且外觀單調生硬，多數情況下與周邊的景觀不協調，與目前生態友好型航道的發展趨勢相違背[2-3]。隨著綠色發展、可持續發展理念日漸深入人心，社會開始尋求既具有護坡基礎功能，又具有自然、生態、景觀功能并兼顧航道水質改善的護岸結構，生態護岸技術受到廣泛關注。生態護岸在保證防洪能力、安全性、耐久性的前提下, 通過綠化護面層, 坡面多孔化、粗糙化, 近岸流態多樣化等加強水域與陸域的物質能量交換，兼顧傳統守護功能與生物效應，盡可能恢復和重建因航道開發導致的河岸帶生態系統的退化，保證和提高沿岸帶生物多樣性。

發達國家早在20世紀30年代就提出了生態護岸理念并將其應用于實際。1938年，德國人Seifert率先提出“親河川整治”概念，指出治理工程在滿足傳統功能外，應盡量接近自然。20世紀50年代，“近自然河道治理工程學”作為一項學科在德國被創立，提出河道的整治要符合植物化和生命化的原理[4]。隨后的半個多世紀里生態護岸逐漸從理論走向實踐，國內外許多學者通過現場觀測、物理模型試驗與數值模擬3種方式對生態護岸進行了不同層面的研究，并應用于實際工程。Kouwen N等通過一系列的水流試驗，總結出了水生植物與水流彼此的影響，并根據水位高低將有水生植物的河岸分為3個水流區域[5]；Marco Ghisalberti等通過水槽試驗模擬了海灘柔性水草水流過程[6]；李仟等通過仿真草皮與三棱柱磚塊模擬生態護岸，采用水槽試驗與數值模擬的方法研究了護岸糙率對河道行洪能力的影響[7]；周悅針對水位變幅大的河流進行了剛柔組合型植被消浪特性的模型試驗，發現組合型防浪林在消浪效果與經濟效益上都較單一型防浪林更合理[8]；廣州市河涌治理工程采用三維土工網墊等與水生植物結合以增強護岸強度[9]；武夷山市將生態混凝土應用于防洪工程中；遼寧興城通過大量種植鹽生植物對河口海岸等進行生態整治，構建海岸生態防護帶[10]。

現階段關于生態護岸的成果主要是針對護岸結構的形式以及材料的選取，對護岸塊體周圍水流結構的研究較少。本文通過模型試驗與理論分析相結合，重點研究分析護岸塊體周圍流速在流量、開孔率等因素影響下的變化規律，為該塊體在實際工程中的應用提供一定參考。

2 模型試驗

模型試驗在重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心航道整治試驗大廳進行，試驗水槽尺寸為30 m×2.0 m×1.0 m(長×寬×高)，其中試驗段為6.0 m，進口設9 m過渡段，出口設6 m過渡段，保證試驗段水流平順。試驗采用旋漿流速采集系統測量水流平均流速，頻率為30 Hz，采樣時間為30 s，流速測點及斷面布置見圖1。

圖1 流速測試斷面及測點布置示意(單位：cm)

本次實驗采用的是一種預制混凝土連鎖塊體結構，塊體形式采用了一種新型方形薄壁開孔的鏤空結構，該結構采用細砂混凝土預制，由上下兩部分組成，通過正方矩形連接，同時護塊上下面也為正方矩形，頂部開孔，上下兩部分側壁均由曲面構成，四面均有開孔，相比其他連鎖塊體結構能提供更多孔隙，與傳統護岸的“隔斷式”防護相比，該結構能將水—陸生態系統連接起來，同時具有較強的抗沖刷能力，塊體中空部分可供植被生長或魚類活動，增加了物種多樣性(見圖2)。

圖2 護岸塊體模型及試驗布置示意

收集長江中游荊江河段典型岸坡破壞前的坡度范圍，概化選取岸坡破壞的典型坡度，本次試驗岸坡坡度選取為1：3，根據河段平面尺寸以及護岸結構尺寸，考慮試驗水槽及供水系統實際情況，水槽概化模型僅模擬部分河岸，概化模型設計為正態，平面比尺λL=3，考慮重力相似與水流運動相似。長江中下游河道流速在0.5～3.0 m/s之間，據此本次實驗共選取8組流量、3組水深、3種開孔率(頂部開孔平面尺寸占頂部平面投影尺寸的百分比)，通過組合有無護岸塊體、不同開孔率(P=36%，P=53.8%，P=75.1%)和不同水流條件共進行了32組工況的試驗(見表1)。

表1 水深流量組合

3 斷面流速分析

流速作為描述河流水動力學特征最基本的參數，是河道水流特性的研究基礎，而護岸塊體對岸坡的守護效果主要體現在阻滯水流、減小岸坡附近的流速，流速分布的變化可以反映出護岸塊體在空間上對水流結構的影響，分析岸坡附近流速的變化規律十分必要。

3.1 護岸上游流速變化

圖3為部分工況下護坡上游1#橫斷面流速分布情況示意，由圖3可得： 1#橫斷面尚未進入防護區，未護坡與護坡后斷面流速變化趨勢基本一致，從右岸開始逐漸增大，受岸坡的影響，在距右岸30 cm(3斷面)附近達到最大值后逐步減小至右岸初始流速，3種塊體沒有明顯的區別。

圖3 不同工況下橫斷面1#流速分布示意

當控制水深較低(H=10 cm)時，受到護岸結構上游壅水的影響，護坡后斷面整體流速略小于護坡前。隨著控制水深與流量的增大，護坡前后斷面流速差異減小，說明水深越大斷面流速所受上游壅水的影響越小；受護岸塊體的擾流作用，岸坡附近靠近左岸的幾個測點流速變化幅度隨水深增加而增大。

3.2 護岸中游流速變化

圖4為部分工況下護坡中游8#橫斷面流速分布情況示意。由圖4可得：與護坡上游相比，各工況下護坡中游橫斷面流速分布出現較大變化，整體趨勢依然是先增大后減小，但8#橫斷面受上游壅水影響較小且已進入防護區，護岸塊體明顯改變了水流結構，影響了斷面流速的分布。

圖4 不同工況下橫斷面8#流速分布示意

護坡前斷面流速變化幅度較小，從右岸至左岸整體較為平穩。鋪設護岸塊體后斷面流速分布明顯改變，斷面流速變化幅度顯著增大，主流區流速增大，流速最大值出現在距右岸40 cm(坡腳)附近；當水流繼續向左流過岸坡時，受到護岸塊體的擾流作用，被阻滯的水流從塊體縫隙間穿過，水流動量被大量消耗，水流流速在岸坡與主槽交界附近急劇減小，并沿程持續減小；最終形成以縱4#斷面為分界線，向左為岸坡，護坡后流速顯著減小，向右為主槽，護坡后流速明顯增大。護岸塊體對水流結構的影響不僅體現在對邊坡上水流的減速效果，同時還能夠影響主流區的流速。

當水深、流量較小時，水流紊動較弱，岸坡上幾個測點流速變化幅度較小，但隨著水深、流量的增加，水流紊動更加劇烈，岸坡附近流速波動明顯變大。比較3種塊體對岸坡上水流的減速效果，從圖中可以看出開孔率P=75.1%塊體的減速效果較好。

3.3 護岸下游流速變化

圖5為部分工況下護坡下游14#橫斷面流速分布情況示意。由圖5可得：雖然14#橫斷面處于防護區下游，但其各工況下斷面流速變化趨勢與護坡中游8#橫斷面流速變化趨勢基本一致，綜合分析說明護岸塊體不只影響防護區內部的水流結構，還會對防護區下游一定范圍內的水域產生影響。比較3種塊體對岸坡上水流的減速效果，從圖中可以看出開孔率P=75.1%塊體的減速效果較好。

分析以上流速變化的原因：生態護岸塊體同時具有透水性與阻水性兩種特性，透水性是使水—陸生態系統平穩過渡、實現“親水防護”生態效果的關鍵；阻水性則是保護岸坡免遭水流強力沖刷的根本[11]。鋪設護岸塊體實質上是在岸坡近底形成了大量的孔隙，加大了岸坡近底糙率并加強了阻水性，當水體流過時能夠充分的分散水流，形成無數細小的渦流，產生繞流阻力阻礙水流的運動，從而使水體能量更多的耗散，進而形成了近底低流速帶[12]；近底低流速帶形成的同時會對高流速帶進行頂沖，引發劇烈的紊流運動，導致紊流切應力重分布，改變了局部水流結構，使得主流線向右岸偏移，從而大大減少了高速水流對河床的直接沖刷，達到護岸塊體防沖促淤、守護岸坡的目的。

圖5 不同工況下橫斷面14#流速分布示意

4 結語

通過水槽概化模型試驗，分析研究了有無護岸塊體及不同開孔率條件下岸坡周圍流速的分布規律，主要結論如下：

1)相對于沒有鋪設護岸塊體的天然岸坡，護岸塊體形成的眾多孔隙能夠顯著增大水流阻力，改變斷面流速分布，使主流線向右岸偏移，具有較好的守護效果；

2)護岸塊體不僅影響防護區內部的水流結構，還會對防護區下游一定范圍內的水域產生影響。在同一流量、相同水深條件下，大開孔率(P=75.1%)相對于中等開孔率(P=53.8%)與小開孔率(P=36%)減速效果最佳，其余兩種塊體無明顯差別。

新型方形薄壁生態護岸對岸坡附近水流結構有顯著影響，本文只對流速分布進行了研究分析，護岸塊體對水流流態、紊動特性的影響還有待進一步研究。