空心塊體水沙動力及泥沙淤積特性研究

侯仲荃 ，石進，王憲業，郭磊城，謝衛明，徐凡，黃明毅，何青*

(1.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室,上海 200241；2.中交上海航道勘察設計研究院有限公司,上海 200120；3.交通運輸部長江口航道管理局,上海 200003；4.中交第三航務工程勘察設計院有限公司,上海 200032)

1 引言

海堤是沿海地區最為常見的整治建筑物，海堤結構主要由鋼筋混凝土、塊石等“硬質”材料組成。隨著時代發展，海堤工程的安全性已達到較高水平，但限制了自然海岸帶生態系統的發展，也對周邊生態環境造成一定程度破壞。針對這些問題，諸多學者提出了兼具海岸防護與生態修復等多功能的生態海堤概念[1]。現階段傳統海堤存在的問題體現在混凝土結構功能性單一、缺乏水體交換、不利于泥沙淤積，使得海岸帶水生生物、底棲生物、植被等缺乏流場穩定、泥沙微淤的生長環境[2]。目前，國內外學者給出的解決方案集中在采用空心塊體結構[3]、應用生態混凝土材料[4]、引進植被[5]等幾個方面，從而達到海堤生態修復的效果。

空心塊體與傳統的拋石、混凝土結構不同，其內部的透水結構增強了內外界水體的交換，降低水流流速，促進泥沙淤積，為底棲生物、魚類提供相對穩定的棲息環境，在海堤生態修復中廣泛應用[6]。現如今，對于空心透水結構的研究主要集中在水動力特性及泥沙淤積兩個方面，諸多學者認為，結構體的形態特征、布置方式是影響其減速、促淤效果的關鍵因素，例如張為等[7]通過開展室內水槽試驗，研究不同孔徑的透水三角形促淤結構對泥沙淤積的影響，結果表明8 目三角架網起到的促淤效果最佳；吳龍華等[8]基于水槽試驗研究架空率、長寬比對透水框架群減速促淤影響，得到了最佳減速率對應的架空率和桿件長寬比的取值范圍；崔勇等[9]通過水槽試驗、風洞試驗結果與數值模擬結合分析，得到礁體之間的最佳布設間距應為礁體尺寸的1～1.5 倍。隨著近年來生態保護理念的日益加深，部分學者開始著眼于工程結構體產生的生態效應。綜合考慮水工學和生態學理論，Harris[10]通過分析生態礁球，發現礁體不僅可以防浪促淤，還發現大量藻類附著在礁體表面；日本及歐盟等國家采用混有植物纖維的混凝土應用于海堤、河堤建設，不僅提高應對極端天氣的能力，還能促進海岸帶、流域的生態修復[11-12]。然而，空心塊體的減速、促淤與生態修復之間關系的研究尚有不足，缺乏合適的評價體系。

綜上所述，國內外相關研究多著眼于空心塊體結構型式和周圍流場特性，然而空心塊體內部的水沙動力環境及泥沙淤積是水生生物是否適宜棲息、繁衍的關鍵要素。本文將結合室內水槽試驗及數值模擬，研究兩種不同空心塊體的水沙動力及淤積形態，分析兩種空心塊體的水沙動力結構對泥沙淤積的影響及水沙環境對生態修復的影響，探究空心塊體水沙特性及泥沙淤積特性，為生態海堤工程的建設提供科學依據。

2 研究方法

2.1 室內水槽試驗

2.1.1 試驗概況及量測儀器

試驗采用華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室的可變坡-雙向-波流水槽。試驗水槽長32 m，寬0.5 m，高0.7 m，坡度為0.16%。兩邊及底面均為有機玻璃壁，槽首和槽尾設有消能裝置和尾門，通過調節槽尾尾門得到試驗水深。水槽供水通過控制室內控制面板變頻調節驅動水泵，根據試驗所需調節進口處流量。試驗水槽配備泥沙攪拌池，加入適量泥沙攪拌均勻，改變懸沙濃度。流速測量采用三維超聲波多普勒測速儀（ADV），儀器最大采樣頻率為100 Hz，采樣時間為120 s。懸沙濃度測量采用光學后向散射濁度儀（OBS 3+），測量范圍為0～4 000 NTU，最大數據傳輸率為10 Hz。

2.1.2 空心塊體

本文采用的空心塊體結構整體輪廓為20 cm×20 cm× 20 cm 的正方體，模型尺寸及結構體型式如圖1所示。空心塊體型式一為開敞型結構，四面開10 cm方孔，中間區域自上而下透空形成大體積空腔結構；空心塊體型式二為半封閉型結構，僅在四周開圓孔，塊體頂部開80 mm 小方孔，底部開140 mm 大方孔，前后兩側各有直徑為5 cm 的孔洞，左右兩側分別有兩個直徑為3.5 cm 的孔洞。

圖1 空心塊體三視圖及模型圖（單位:mm）Fig.1 Three views and model diagram of the hollow block (unit:mm)

如表1 所示，兩種空心塊體在透水能力上有較大差異。由于開敞型空心塊體在各個截面上的透水面積均大于半封閉型，其開孔率也明顯大于半封閉型空心塊體，這表明開敞型空心塊體相較于半封閉型空心塊體與外界水沙交換能力更強。本文將通過對比空心塊體的透水能力強弱，分析兩者在水沙分布及泥沙淤積上的差異。

表1 空心塊體透水能力參數Table 1 Hollow block water permeability parameter

2.1.3 試驗材料

為了研究空心塊體的泥沙淤積特性，試驗用沙取自崇明東灘北部區域（31.543 9°N，121.966 9°E），通過Coulter-LS100Q 激光粒度儀分析其沉積物特征，得到水槽實驗用沙累計頻率分布曲線（圖2）：平均粒徑為7.36 μm，黏土、粉砂、砂體積占比分別為41.91%、57.71%、0.38%，沉積物類型屬黏土質粉砂，水槽試驗中的初始平均懸沙濃度控制為0.16 g/L。

圖2 水槽試驗用沙累計頻率分布曲線Fig.2 Curve of sediment grading for the flume experiment

2.1.4 試驗布置

本文水槽試驗中，距水槽進流15 m 處放置長度為1.2 m 長的空心塊體組合構成堤身結構，開敞型空心塊體小方孔沿水流方向排列，半封閉型空心塊體的大直徑透水孔沿水流方向排列，兩者皆沿水槽軸線方向連續布置。為了對比堤身結構內外側流場差異，沿堤身軸線方向共布置16 個測點（A1-A16），上、下游側各布置4 個測點，堤身布置8 個測點。各測點垂線方向上的流速測量點為z/h=0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.75、0.8、0.85，如圖3 所示，懸沙濃度的測量為在垂線方向上每隔5 cm 設置一個測點。試驗坐標軸以沿水流方向為x軸正方向，沿水流方向左側為y軸正方向，以水槽槽底沿水面方向向上為z軸正方向，堤身前端底邊中點為坐標原點。

圖3 空心塊體水槽試驗測點布置（單位：mm）Fig.3 Layout of measuring points for hollow block flume experiment (unit:mm)

2.2 Flow-3D 數值水槽

2.2.1 模型簡介

室內水槽試驗的ADV 流速測量由于受到空心塊體型式限制，僅可測量部分點位的流速，為研究空心塊體內部水流結構特征需要借助數值模型開展分析。Flow-3D 是由美國流體科學公司FlowScience.Inc開發的商業流體軟件，以Naiver-Stokes 方程為基本控制方程。諸多學者在研究結構體與水流相互作用時采用RNGk-ε湍流模型，通過修正紊動黏度，可以很好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動，取得較好模擬效果。楊培思等[13]基于Flow-3D 中的RNGk-ε湍流模型和truVOF 方法，分析了設計水位下豎縫式魚道不同高層處池室及休息池的流態分布和紊動能分布情況；侯勇俊等[14]基于Flow-3D 的RNGk-ε紊流模型建立數值水槽，研究了波流場中樁柱周圍的流場特性。綜上，Flow-3D 數值模擬在研究水流與結構體相互作用下的流場特征具有較好的效果，本文通過Flow-3D 軟件建立數值水槽，采用RNGk-ε湍流模型描述空心塊體與水流之間的相互作用，研究空心塊體內水流特性對泥沙淤積分布的影響。

Flow-3D 數值模型的控制方程如下所示：連續方程為

2.2.2 數值模型建立

數值水槽模型的建立通過N-S 方程通過有限體積法離散將Flow-3D 的FAVOR 網格處理技術進行解析。空心塊體模型通過AutoCAD 建立三維模型，將模型保存為.stl 格式文件導入至Flow-3D 軟件進行計算。數值水槽模型的尺寸與真實試驗水槽的尺寸保持一致，空心塊體放置在距進流15 m 位置處，由于空心塊體周圍的流場變化較為復雜，故對堤身前端1 m至后端1 m 范圍內局部加密，網格選用5 mm 正方形網格，其余部分選用1 cm 正方形網格（圖4）。為保證數值計算的穩定性，堤身附近至水槽其余區域過渡段網格密度漸進變化。數值水槽上邊界條件選用“Specified Velocity”，流速定為恒定流0.30 m/s，下邊界選用“Outflow”，數值水槽y軸兩端及槽底Z Min 選用“Wall”，初始水深選用0.36 m，計算時間為120 s。

圖4 空心塊體數值模型及網格劃分Fig.4 Numerical model and grid division of hollow block

2.2.3 數值模型驗證

數值模型的驗證采用開敞型空心塊體在平均流速為0.30 m/s 的工況條件下進行，分別選用堤前A1 點（x=-50 cm）、堤身A7 點（x=30 cm）、A10（x=90 cm）及堤后A16 點（x=170 cm）垂線方向的水槽試驗流速數據進行比對。如圖5 所示，數值模擬計算出的結果與水槽試驗實測結果擬合良好，表明該三維模型可以較好地模擬空心塊體內外側的流場變化。

圖5 部分點位垂線方向流速（u ）驗證Fig.5 Verification of vertical flow velocity (u) at some points

3 試驗結果

室內水槽試驗工況平均流速為0.30 m/s，試驗水深為0.36 m，空心塊體內淤積時間為8 h。水槽試驗的流速數據采用三維超聲波多普勒測速儀采集，得到的流速數據需進一步處理，計算各測點的時均流速及紊動強度。懸沙濃度數據是通過標定OBS 3+得到的標定曲線，將NTU 數據換算為懸沙濃度得到。

時均流速是根據瞬時流速的時間序列算術平均獲得，公式如下式所示：

紊動強度反映水流中流速脈動強弱程度，采用脈動流速的均方根表示為

紊動能是單位質量水體具有的總紊動動能，是表征湍流紊動強弱的物理量，此項由Flow-3D 數值水槽模型給出，公式為

3.1 空心塊體垂線流速和紊動強度分布

圖6 給出堤身內部分點位A7（x=30 cm）、A9（x=70 cm）、A11（x=113.5 cm）的水流流速、紊動強度的垂線分布。兩種空心塊體在堤身與水流過渡段區域（z/h＞0.5）水平流速由上而下逐漸減小，外部紊動強度均大于空心塊體內紊動強度。而對于空心塊體內部（z/h＜0.5）的垂線流速，兩種空心塊體有較大差異。開敞型空心塊體在z/h=0.2～0.4 范圍內出現先增大后減小的變化過程，在z/h=0.3 位置出現局部流速最大值，近底層流速明顯較小，保持在約為0.03 m/s，外界水流在開敞型空心塊體作用下平均流速分別減小57%；開敞型空心塊體內紊動強度分布均小于外部紊動強度，近底層的紊動強度較小，保持在約為0.025 m/s。而對于半封閉型空心塊體，外部的水流流速、紊動強度和開敞型空心塊體表現出相似特征，但空心塊體內部的水流流速和紊動強度變化較為均勻，外界水流在半封閉型空心塊體作用下平均流速分別減小72%，近底層的水流流速保持在約為0 m/s，紊動強度保持在約為0.02 m/s。

圖6 空心塊體部分點位流速、紊動強度垂線分布Fig.6 Vertical distribution of velocity and turbulence intensity at some points in the hollow block

3.2 空心塊體垂線懸沙濃度分布

圖7 給出了兩種空心塊體在垂線方向上的懸沙濃度分布，同樣選取堤身部分的A7（x=30 cm）、A9（x=70 cm）、A11（x=113.5 cm）3 個點位進行對比分析。兩種空心塊體的懸沙濃度總體上表現為由表至底逐漸增大的變化特征，但兩者在變化過程有明顯差異。開敞型空心塊體懸沙濃度沿垂線方向上在0.15～0.25 g/L 范圍內變化，在z/h＞0.2 的高流速區域內具有較高的懸沙濃度，在近底層位置懸沙濃度達到最大值，保持在0.25 g/L 左右，整體上垂線方向上懸沙濃度變化均勻且無明顯變化特征，垂線上泥沙與水體混合較為均勻；而半封閉型空心塊體的懸沙濃度從水面至槽底呈線性增大變化特征，在z=0.15～0.2 m 的空心塊體與上方水流的過渡段部分懸沙濃度梯度增大，直至近底層達到垂線方向上懸沙濃度最大值，保持在0.28 g/L 的懸沙濃度。兩種空心塊體近底層懸沙濃度相較于空心塊體外側平均懸沙濃度分別增大了56 %和75%。

圖7 空心塊體部分點位懸沙濃度垂線分布Fig.7 Vertical distribution of suspended sediment concentration at some points of the hollow block

3.3 空心塊體淤積分布

圖8 和圖9 給出了兩種空心塊體持續淤積8 h 下6 個塊體內部泥沙淤積圖。兩種空心塊體內部都有不同程度的泥沙落淤，開敞型空心塊體的泥沙淤積主要分布在空心塊體前中端，泥沙在水流作用下卷挾堆積并向右推移，最大淤積厚度達到2 mm；沿堤身方向各個空心塊體的泥沙淤積量呈現較大差異，空心塊體內泥沙淤積面積逐漸增大并在水流作用下有沿水流方向不斷推進的趨勢。半封閉型空心塊體的泥沙淤積形態與開敞型空心塊體相比存在明顯差異，半封閉型空心塊體受結構特征影響水沙環境有較大不同，表現為泥沙淤積分布比較均勻，集中在空心塊體中間位置；沿堤身方向各個空心塊體泥沙淤積面積逐漸增大，最大淤積厚度約為1.5 mm。

圖8 開敞型空心塊體內部泥沙淤積分布Fig.8 Distribution of sediment deposition in open hollow block

圖9 半封閉型空心塊體內部泥沙淤積分布Fig.9 Distribution of sediment deposition in semi-closed hollow block

4 分析與討論

4.1 開孔率對水流結構影響分析

空心塊體開孔率強弱影響其內部的水動力特性，隨著透水面積增大，塊體內部的渦量增大，紊動能增大[15]。圖10 給出通過水槽試驗得到的空心塊體近底層（z=5 cm）水流流速及紊動強度的沿程分布，水流流速在空心塊體影響下有不同程度的減小，半封閉型空心塊體的減速效果更為明顯；而開敞型空心塊體的紊動強度整體大于半封閉型空心塊體，半封閉型空心塊體近底層的紊動強度保持在0.02 m/s 左右且沿程分布較為均勻。這表明空心塊體的透水面積越大，對沿程水流的阻礙作用越小，即開孔率與水流流速、紊動強度呈負相關。

圖10 空心塊體近底層水流流速、紊動強度分布（截面z=5 cm）Fig.10 The distribution diagram of velocity and turbulence intensity near the bottom of the hollow block (Section z=5 cm)

為了進一步分析空心塊體內部的水流結構，圖11給出通過Flow-3D 數值模擬得到的平均流速為0.30 m/s、試驗水深為0.36 m（u=0.30 m/s，h=0.36 m）工況條件下堤身結構側視軸線切面流場分布圖（y=0 cm）。可以明顯發現開敞型空心塊體近底層區域在壁面的阻礙作用下，區域z=0.05～0.15 m 與區域z＜0.05 m 有較大的流速差，從而形成豎直方向上順時針方向發展的渦旋，水流紊動強度也相應增大。然而，半封閉型空心塊體由于透水面積較小，水流流速在進入空心塊體內部得到削弱，近底層水流紊動強度受水體渦旋的影響較小。

圖11 空心塊體側視面流場分布（截面y=0 cm）Fig.11 The flow field distribution diagram of the hollow block in side view (Section y=0 cm)

4.2 近底層紊動能分布對淤積形態影響分析

水流挾沙能力的強弱是空心塊體泥沙促淤的關鍵要素，水流挾沙力大小與泥沙淤積量成反比，即水流挾沙力越小，泥沙淤積量越大，而水流挾沙能力的影響因素為水流流速、紊動及其泥沙特性等[16]。所以，空心塊體近底層水流紊動對泥沙淤積起到重要作用。

從圖8 和圖9 的泥沙淤積結果可知，泥沙淤積形態具有不同程度的差異，主要表現在開敞型空心塊體泥沙淤積主要集中在前端，而半封閉型空心塊體的泥沙淤積分布較為均勻，這表明在空心內部水流紊動分布的空間差異影響泥沙淤積分布。Van Rijn[17]、Nielsen和Teakle[18]基于紊流模型對床面泥沙分布進行研究，結果表明近底層水流紊動影響底床泥沙淤積分布。所以，由于室內水槽試驗的ADV 流速測量僅對空心塊體內部進行定點流量，空心塊體內紊動反饋尚有不足，需要通過Flow-3D 數值水槽對空心塊體內部的水流紊動進行模擬。

在Flow-3D 數值模擬工況的平均流速為0.30 m/s、試驗水深為0.36 m（u=0.30 m/s，h=0.36 m）條件下，圖12給出了近底層（z=5 cm）處空心塊體紊動能分布，可以發現隨著距離的增大，空心塊體內部的平均紊動能分布逐漸減小，開敞型空心塊體平均紊動能為0.003 J/kg，半封閉型空心塊體平均紊動能為0.001 J/kg。堤身前端的水流與上游過渡段區域達到紊動能峰值，開敞型空心塊體前端的紊動能最大值達到0.005 J/kg，半封閉型空心塊體紊動能最大值達到0.002 J/kg，紊動能大小使得兩種空心塊體淤積形態產生差異。

圖12 空心塊體近底層紊動能分布（截面z=5 cm）Fig.12 Distribution diagram of turbulent kinetic energy near the bottom of the hollow block (Section z=5 cm)

4.3 水沙環境對大型底棲生物生境需求的影響

空心塊體在海岸、航道工程建設中會對底床水沙動力環境產生影響，從而進一步影響底床水生生物的棲息、繁衍。大型底棲生物在食物鏈中為次級消費者，是底層魚類的主要餌料，所以底棲生物群落健康程度也反映了水生生態系統的健康程度[19]。李亞等[20]根據長江口地區潮下帶水域底棲生物調查研究，總結分析代表性優勢大型底棲生物的生境需求。表2 給出長江口目標生物的水沙生境需求，綜合分析生境需求指標后可發現大型底棲生物繁衍需要營造低流速、低紊動的水沙動力環境，避免強烈的水流擾動；底部有適當的泥沙淤積，達到泥沙微淤、內外連通的生存環境。

表2 長江口目標生物生境需求指標[20]Table 2 Target biological habitat demand indicators for the Changjiang River Estuary[20]

根據3.1 節和3.2 節的試驗結果，表明兩種空心塊體均起到良好的減速、促淤效果，同時塊體的遮蔽性、連通性促進內外側水體交換，塊體底部的微淤環境為大型底棲生物提供充足養料，兩種空心塊體均有利于達到生態修復的效果。但從圖8 中近底層水流紊動對比結構中可以看出，半封閉型空心塊體紊動強度小于開敞型空心塊體且開敞型空心塊體內部紊動強度均大于外部，較大的開孔面積雖起到較好減速效果但過流時的水流擾動較為強烈，故半封閉型空心塊體更滿足低流速、低紊動、促淤積的要求。

5 結論

（1）空心塊體的開孔率對內部水流流速、紊動強度起主導作用。外界水流在開敞型和半封閉型空心塊體作用下平均流速分別減小57%和72%，半封閉型空心塊體對水流減速效果更顯著；空心塊體導致水體紊動強度垂向差異明顯，不同塊體紊動強度分布不同，開敞型空心塊體內在垂線方向紊動強度變化較大，在z/h=0.3 附近出現局部峰值，而半封閉型空心塊體紊動強度變化較小，流態更穩定。

（2）兩種空心塊體均有利于促進泥沙在塊體內部淤積，開敞型和半封閉型空心塊體近底層懸沙濃度分別增大56%和75%，近底層水流紊動對空心塊體的淤積分布產生影響，使得兩種空心塊體泥沙淤積形態造成較大差異。開敞型空心塊體紊動能平均為0.003 J/kg，近底層形成順時針方向的旋渦，使得近底層紊動能峰值分布在塊體后端，泥沙淤積集中在前中端部分，最大淤積厚度達到2 mm；半封閉型空心塊體紊動能平均為0.001 J/kg，水流紊動能小于開敞型空心塊體，在近底層分布均勻，最大淤積厚度為1.5 mm（8 h 泥沙淤積試驗）。

（3）大型底棲生物作為水生生物的代表性優勢物種，反映水生生態系統的健康程度。空心塊體所營造的低流速、泥沙微淤、內外連通的水沙環境是大型底棲生物的生境需求。半封閉型空心塊體內部由于內部低紊動特點，更有利于大型底棲生物的棲息、繁衍，更好促進海岸生態系統的修復。