方形薄壁生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)水力特性試驗(yàn)研究*

李 健，王平義，譚順欽，付中敏，王梅力

(1.重慶交通大學(xué)，水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)，國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；3.貴州省航電開發(fā)投資有限公司，貴州 貴陽 550083；4.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430014)

河岸岸坡是水體與陸地的過渡帶，具有水域和陸地雙重特性，發(fā)揮著水、陸生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)、能量和信息交流的作用[1]。長(zhǎng)江中下游位置易出現(xiàn)崩岸現(xiàn)象，對(duì)兩岸的生命財(cái)產(chǎn)以及河道生態(tài)環(huán)境是一種威脅[2-3]。傳統(tǒng)護(hù)岸工程主要采取河道岸坡硬質(zhì)化措施，使岸坡和水流隔絕，防止岸坡崩岸發(fā)生，卻忽略對(duì)生態(tài)環(huán)境、周圍景觀以及水質(zhì)的重要性[4-6]。隨著生態(tài)文明建設(shè)的要求越來越高，基于保護(hù)長(zhǎng)江中下游穩(wěn)定性和為水生動(dòng)、植物提供良好的生存環(huán)境的目標(biāo)，中國(guó)近年來在長(zhǎng)江中下游實(shí)施了一系列具有強(qiáng)大生態(tài)功能的工程項(xiàng)目[7-9]，防止崩岸發(fā)生，保證河流-岸坡-生物之間的物質(zhì)、信息和能量交換，為河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定提供保障。

筆者提出一種方形薄壁生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)，在河岸景觀、生態(tài)修復(fù)和促進(jìn)沿岸帶生物多樣性等方面均取得創(chuàng)新性成果。通過模擬不同河道岸坡類型，采用物理模型試驗(yàn)，研究分析方形薄壁生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)下水動(dòng)力特性；分析不同孔隙率條件下護(hù)岸結(jié)構(gòu)附近的水動(dòng)力特性分布情況。

1 物理模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)水槽

物理模型試驗(yàn)在長(zhǎng)30 m、寬2 m、高1 m的玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行(圖1)。水槽分為上、下游過渡段和試驗(yàn)段：上游過渡段的作用是調(diào)節(jié)進(jìn)水口來流量，滿足進(jìn)入試驗(yàn)段的水流為充分發(fā)展水流；下游過渡段的作用是調(diào)節(jié)出試驗(yàn)段水流，減小下游尾門對(duì)試驗(yàn)段影響。上、下游各12.5 m；直道水槽試驗(yàn)段位于中線位置，長(zhǎng)度5.0 m。

圖1 試驗(yàn)水槽(單位：m)

在進(jìn)水口布置流量控制系統(tǒng)對(duì)變頻器發(fā)送指令，控制抽水水泵功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制；在出水口設(shè)置尾門，通過調(diào)節(jié)尾門高度改變?cè)囼?yàn)水槽水深。通過流量控制系統(tǒng)和尾門的協(xié)同作用改變?cè)囼?yàn)水力參數(shù)。

由于試驗(yàn)場(chǎng)地尺寸的限制，重點(diǎn)研究近岸岸坡附近的水流水力特性，采用“流帶法”模擬近岸附近的水流。

1.2 生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)

方形薄壁生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)采用收口式設(shè)計(jì)以減少岸坡被高速水流淘刷；四周采用圓弧面連接上、下底以保證水流平順經(jīng)過；塊體內(nèi)部為空腔設(shè)計(jì)，從而給魚類和岸坡水生植物提供良好的生存環(huán)境(圖2)。單個(gè)的生態(tài)護(hù)岸塊體在岸坡上緊密排列鋪設(shè)，達(dá)到對(duì)岸坡整體防護(hù)的目的。

圖2 方形薄壁生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)(單位：mm)

該生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的生態(tài)性主要表現(xiàn)在以下方面：生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)作為岸坡河水流的緩沖，減少了護(hù)坡和水流的直接接觸，降低岸坡沖刷崩岸的風(fēng)險(xiǎn)；空腔式設(shè)計(jì)為魚類提供生存環(huán)境，保護(hù)河道生物的多樣性。

1.3 護(hù)岸塊體布置方式

護(hù)岸塊體鋪設(shè)長(zhǎng)度為2 m，位于試驗(yàn)段中部，沿岸坡共規(guī)則鋪設(shè)9層。結(jié)合實(shí)際護(hù)岸工程，試驗(yàn)段護(hù)岸塊體頂部應(yīng)和岸坡頂部平齊(圖3)。

圖3 岸坡側(cè)視圖及護(hù)塊布置(單位：mm)

1.4 試驗(yàn)工況

本正態(tài)物理模型試驗(yàn)是根據(jù)物理試驗(yàn)水槽的尺寸，采用局部模擬方法，僅模擬靠近河岸的局部區(qū)域，平面和垂直比尺λL=3，速度比尺λv=1.732。

長(zhǎng)江中游的周天河段流量一般在2 900～55 200 m3/s，斷面平均流速枯水期為0.5～2.0 m/s，洪水期為1.2～2.5 m/s，從水力學(xué)角度分析不同洪水流量情況下岸坡附近的水力特性，原型流速的選擇范圍確定在0.8～2.0 m/s。收集長(zhǎng)江中游荊江河段典型岸坡破壞前的坡度范圍，選取岸坡破壞的典型坡度，取1:3。

試驗(yàn)利用流帶法以及水力學(xué)分析方法，研究不同洪水流量下護(hù)岸結(jié)構(gòu)附近一定范圍內(nèi)的水流水力特性。在試驗(yàn)過程中水位是確定不變的，通過控制流量達(dá)到控制流速的目的，使流速達(dá)到模型要求的流速。

為了更好地模擬不同洪水流量下護(hù)岸結(jié)構(gòu)周圍的水流流態(tài)，選取規(guī)律性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。15、22 cm兩種水深對(duì)應(yīng)不同流速，結(jié)合3種孔隙率的護(hù)岸結(jié)構(gòu)，共產(chǎn)生12組試驗(yàn)工況，見表1。

表1 生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)試驗(yàn)工況

1.5 試驗(yàn)觀測(cè)斷面布置

由于不同試驗(yàn)水深條件下岸坡上護(hù)岸塊體的淹沒情況不同，故不同水深下斷面測(cè)點(diǎn)有所增減，鋪設(shè)護(hù)岸結(jié)構(gòu)時(shí)斷面測(cè)點(diǎn)布置相同。水深22 cm時(shí)水位、流速測(cè)點(diǎn)分別如圖4、5所示。

圖4 水深22 cm下水位測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

2 護(hù)岸塊體周圍水流流場(chǎng)分布特性

2.1 水位

當(dāng)控制水深為22 cm時(shí)，不同孔隙率下護(hù)岸區(qū)水位二維分布如圖6所示。相同流量條件下，取工況1～4。

圖6 工況1～4護(hù)岸區(qū)水位分布

等值線圖中橫坐標(biāo)零點(diǎn)位于1#橫斷面，向下游為X軸正方向；縱坐標(biāo)以右岸邊界為零點(diǎn)，從右向左為Y軸正方向，其中50 cm以上為岸坡區(qū)域。

工況1護(hù)岸區(qū)水位從上游到下游呈先增大再減小的趨勢(shì)，橫向水位上左、右兩岸水位差異不大，整個(gè)護(hù)岸區(qū)水位的二維分布無明顯規(guī)律，流態(tài)比較復(fù)雜。護(hù)岸后水位整體二維分布隨著過流斷面增至最大，護(hù)岸塊體對(duì)河道水流的影響達(dá)到最大，主流區(qū)明顯向右偏移，護(hù)岸區(qū)出現(xiàn)更多的渦漩水流，水流在運(yùn)動(dòng)過程中將耗費(fèi)更多的能量。

對(duì)比分析不同孔隙率下水面線的二維分布發(fā)現(xiàn)，孔隙率較小的工況2、3水位等值線比較稀疏，護(hù)岸區(qū)內(nèi)水位變幅較小，由此產(chǎn)生的水流紊動(dòng)較弱；孔隙率較大的工況4在增大河道阻力、壅高水位等方面效果較好，同時(shí)主流區(qū)水位等值線密集，水位梯度大，水流紊動(dòng)較強(qiáng)，增加了水體能量的耗散。

2.2 流速

2.2.1不同孔隙率下橫斷面流速分布

試驗(yàn)采用三點(diǎn)流速測(cè)量法分別測(cè)量相對(duì)水深為0.2H、0.6H、0.8H的斷面流速。沿?cái)嗝嫠畈煌w受到護(hù)岸塊體的影響有所不同，因此不同水深處的流速分布也不相同。圖7為某工況下9#橫斷面不同水深下的流速分布。

圖7 9#斷面不同水深下橫斷面流速分布

由圖7可知，護(hù)岸后，相對(duì)水深0.2H時(shí)橫斷面流速分布無明顯變化；0.6H時(shí)橫斷面流速分布改變不明顯，岸坡附近的流速略微減緩，橫斷面流速的整體變化趨勢(shì)不改變；0.8H處橫斷面流速分布發(fā)生了顯著改變，岸坡流速明顯減小，斷面流速重分布。這與楊思宇[10]、吳龍華[11]、馬愛興等[12]針對(duì)透水框架結(jié)構(gòu)流速分布的研究結(jié)果一致。因此本節(jié)主要針對(duì)護(hù)岸結(jié)構(gòu)周圍相對(duì)水深0.8H處的流速進(jìn)行分析。

2.2.2測(cè)區(qū)內(nèi)流速的二維分布

當(dāng)控制水深為22 cm時(shí)，不同孔隙率下測(cè)區(qū)整體流速的二維分布如圖8所示。在相同控制水深、相同流量條件下，取工況5～8。

由圖8可知：試驗(yàn)水深22 cm，過流斷面寬度大，主流區(qū)面積大，流速等值線密集，水流紊動(dòng)強(qiáng)，流速從測(cè)區(qū)上游至下游逐漸減小，從整體上看流速分布比較均勻，水流平順，水力條件較好。

圖8 工況5～8的0.8H處流速在測(cè)區(qū)的分布

試驗(yàn)流速沿縱向沒有衰減，主流區(qū)下游流速甚至大于上游流速，整個(gè)水槽流速最大值均出現(xiàn)在右岸的主流區(qū)，測(cè)區(qū)的上游受護(hù)塊影響較小，與工況5下無護(hù)塊的天然河道相比因水位壅高而流速略有減小；護(hù)岸區(qū)依然以縱軸50 cm處為分界線，此處流速等值線密度最大，水流紊動(dòng)最強(qiáng)，右側(cè)主流區(qū)受護(hù)塊的挑流頂沖作用，流速均明顯大于工況5下天然河道的流速，左側(cè)岸坡區(qū)域因護(hù)塊分散水流的阻滯作用形成緩流區(qū)，流速大幅降低；距護(hù)岸區(qū)一定距離的測(cè)區(qū)下游也受到護(hù)塊群的影響，主流區(qū)流速相比工況5有所增加，岸坡流速基本相同。

工況6～8的3組工況流速二維分布規(guī)律基本一致。在主流區(qū)流速、岸坡低流速帶面積等方面略有不同，隨著孔隙率增大，主流區(qū)流速、低流速帶面積逐漸增大，流速等值線更密集，岸坡水流減速效果更好。

2.3 紊動(dòng)強(qiáng)度

在相同控制水深、相同流量條件下，取工況9～12分別繪制4組工況下護(hù)岸塊體周圍紊動(dòng)強(qiáng)度在相對(duì)水深0.8H處的等值線(圖9)。

圖9 工況9～12的0.8H處紊動(dòng)強(qiáng)度分布

當(dāng)Q=90 L/s、H=15 cm時(shí)，護(hù)岸前的工況9下測(cè)區(qū)內(nèi)紊動(dòng)強(qiáng)度等值線較為稀疏，紊動(dòng)強(qiáng)度沿縱向變化不明顯，在橫向上紊動(dòng)強(qiáng)度從右至左呈先增大再減小的趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在右岸靠近邊壁的部分，最大值位于縱軸上50 cm附近，說明岸坡與主槽交界處水流紊動(dòng)最為強(qiáng)烈，左岸等值線密度略微大于右岸。

工況9～12護(hù)岸后測(cè)區(qū)內(nèi)紊動(dòng)強(qiáng)度的分布發(fā)生了明顯變化，3組不同孔隙率工況下紊動(dòng)強(qiáng)度分布趨勢(shì)基本一致，鋪設(shè)護(hù)岸塊體實(shí)質(zhì)是向河道加入新紊源，在護(hù)塊的影響范圍內(nèi)水流紊動(dòng)更強(qiáng)，紊動(dòng)強(qiáng)度等值線整體分布更加密集，測(cè)區(qū)上游受護(hù)塊擾動(dòng)較小且有明顯壅水，紊動(dòng)強(qiáng)度小于中下游，上游岸坡區(qū)域出現(xiàn)了明顯的弱紊動(dòng)區(qū)；水流進(jìn)入護(hù)岸區(qū)后，與護(hù)岸前相比紊動(dòng)強(qiáng)度值明顯增大，強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)主要集中護(hù)岸區(qū)中部、尾部和左側(cè)岸坡區(qū)域，岸坡上水體紊動(dòng)加劇，加大了能量消耗，從而達(dá)到消能減速、減沖促淤的守護(hù)效果。從圖9可以看出，工況12(P=75.1%)下紊動(dòng)強(qiáng)度峰值最大，強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)面積最大，等值線更為密集，說明孔隙率越大對(duì)水流的擾動(dòng)作用越強(qiáng)。

2.4 邊界剪切應(yīng)力

通過繪制測(cè)區(qū)內(nèi)剪切應(yīng)力二維分布圖，從整體上分析測(cè)區(qū)內(nèi)剪切應(yīng)力的變化。取工況5～8，分別繪制測(cè)區(qū)的剪切應(yīng)力分布(圖10)。

圖10 工況5～8測(cè)區(qū)內(nèi)剪切應(yīng)力的二維分布

從圖10可知：4組工況下剪切應(yīng)力在測(cè)區(qū)內(nèi)整體分布趨勢(shì)大致相同，順?biāo)鞣较蚣羟袘?yīng)力無明顯變化，剪切應(yīng)力均在縱軸上50 cm附近達(dá)到峰值，最小值均出現(xiàn)在右岸主槽靠近邊壁處。工況5剪切應(yīng)力等值線稀疏，左右兩岸差值很小，水流紊動(dòng)較弱；不同孔隙率的剪切應(yīng)力分布改變十分明顯，除右岸靠近邊壁部分剪切應(yīng)力數(shù)值都較護(hù)岸前有所增大，其中交界面處提升最為明顯，縱軸上50 cm附近剪切應(yīng)力等值線密度最大，此區(qū)域內(nèi)剪切應(yīng)力變動(dòng)幅度最大，說明該區(qū)域內(nèi)水體動(dòng)量交換最為強(qiáng)烈。工況6～8剪切應(yīng)力分布基本一致，無論是剪切應(yīng)力峰值還是等值線密集程度均相當(dāng)，大水深條件下孔隙率對(duì)護(hù)塊守護(hù)效果影響較小。

3 結(jié)論

1)鋪設(shè)護(hù)岸塊體后護(hù)岸區(qū)上游壅水效果顯著，測(cè)區(qū)水流沿縱向更加平順，右岸水面線明顯高于左岸。不同孔隙率下水面線變化趨勢(shì)基本一致，大孔隙率的護(hù)岸結(jié)構(gòu)壅水效果略好。

2)鋪設(shè)護(hù)岸塊體后測(cè)區(qū)上游在壅水影響下斷面流速與護(hù)岸前相比整體減小；護(hù)岸區(qū)內(nèi)橫斷面流速在灘槽交界面出現(xiàn)流速間斷面。以此處為分界線，右側(cè)主流區(qū)流量、流速增大；左側(cè)護(hù)岸區(qū)流速明顯減小，流速梯度顯著增大，水流紊動(dòng)加劇。孔隙率越大，護(hù)岸區(qū)內(nèi)水流減速效果越好。

3)強(qiáng)紊動(dòng)區(qū)主要集中于護(hù)岸區(qū)中部和尾部，岸坡與主槽交界處等值線最密集，此區(qū)域內(nèi)紊動(dòng)強(qiáng)度分布最不均勻，水流紊動(dòng)最強(qiáng)。從整體上看，孔隙率越大，紊動(dòng)強(qiáng)度越大，等值線越密集，說明對(duì)水體的擾動(dòng)消能作用也越大。

4)護(hù)岸前、后斷面剪切應(yīng)力沿橫向分布規(guī)律基本一致，整體上呈先增大再減小的趨勢(shì)，右岸主槽部分剪切應(yīng)力比較平緩，剪切應(yīng)力最大值出現(xiàn)在灘槽交界面附近，距灘槽交界面一定距離的主槽與岸坡邊界剪切應(yīng)力分布趨于穩(wěn)定。

5)剪切應(yīng)力在灘槽交界面附近達(dá)到最大值，這與橫斷面流速分布規(guī)律相吻合，此處應(yīng)力梯度最大，最易出現(xiàn)剪切破壞，在工程應(yīng)用中應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)。