長江中游航道整治建筑物作用區水沙特性研究綜述*

辛瑋琰，劉曉菲，劉鵬飛，程小兵

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

航道整治建筑物在修整河型、穩定灘槽格局、提高通航條件等方面發揮了重要作用。航道整治建筑物服役過程中，由于水沙動力的不斷變化導致動力條件、床面景況與建筑物結構設計的相互適應性降低，建筑物經常出現水毀現象。當建筑物出現水毀時，河流水沙動力、灘勢形態和航道條件將會迅速惡化，危及船舶航行安全和水路運輸效率。明晰各類航道整治建筑物作用區內水沙運動特性是研究建筑物損毀機理以及建筑物修復和優化設計等工作的前提。為此，本文總結了長江中游現有主要航道整治建筑物類型的水沙運動研究成果。在前人大量研究的基礎上，筆者選取了具有開創性或代表性較強的中外研究成果進行論述和分析，按照不同建筑物形式進行了闡述。

1 壩體

1.1 壩體結構形式

壩體類航道整治建筑物常用的有丁壩、順壩、鎖壩(潛壩)和魚骨壩等，長江中游的壩體類建筑物以丁壩為主，其在航道整治過程中主要用于固灘導流、束水歸槽，控制航槽擺動。

1.2 丁壩水沙運動研究

應強等[1]指出丁壩作用下水力特性的研究應包括水流表面形態、上游壓縮和下游擴散水流的特性與邊界形狀、環流和回流的形成條件及位置范圍等。以下將從回流、局部沖刷、受力、紊動特性、數值模擬幾方面總結丁壩水沙運動方面的研究成果。

1.2.1回流

回流現象是丁壩作用于水流的直接后果，壩后回流尺度是反映丁壩作用強度的重要指標。學者們是通過2種方式得出回流長度的：一是以試驗數據為基礎導出經驗公式；二是在一定假設條件下給出簡化的二維結果。各計算方法中有的將回流長度與水流邊界條件直接聯系，或者將其與水流本身各參數聯系。

竇國仁等[2]根據丁壩壓縮水流的動量方程獲得矩形水槽回流長度L公式：

(1)

樂培九等[3]根據水流分離區局部水頭損失，將反映水流本身特征的參數納入計算公式中，得到矩形斷面單丁壩回流長度L計算式為：

(2)

式中：η為丁壩對河流的壓縮比；h為水深；Re為水流雷諾數；n為曼寧系數。

李國斌等[4]通過對主回流紊動切應力、主流流速橫向分布規律、紊動黏滯系數等進行了一些與前人不同的假定，從而得出非淹沒丁壩后回流長度(矩形斷面)L的表達式：

(3)

實際上，回流長度同時受邊界條件和水流自身條件影響，還與壩體形式、結構甚至材料等相關，可謂影響因素復雜。如何得出兼具準確性與適應性的回流長度計算方法仍是下一步研究工作中需要解決的重要問題。

1.2.2局部沖刷

丁壩存在于河流環境中將導致流動分離和三維流場的出現，這可能導致局部沖刷和沉積，而局部沖刷深度是衡量丁壩附近床面變形程度及其對建筑物影響的重要指標。

部分研究分析了丁壩局部沖刷的位置特點和影響因素。長江航道規劃設計研究院[5]針對壩基局部沖刷問題分別總結了長江干線有、無護底壩基局部沖刷的位置特點。喻濤[6]通過實驗方法研究了非恒定流下丁壩附近沖刷坑的發展過程、最大沖刷深度及影響因素，認為壩頭附近的下潛水流和繞過壩頭的水流相互作用所生產的漩渦系是形成丁壩沖刷坑的主要因素。Duan等[7]分析了兩種流場的平均速度、湍流強度和雷諾應力的差異，試圖從剪切應力的角度解釋局部沖刷發展的內在機制。Pandey等[8]認為無量綱時間沖刷深度變化隨著臨界流速比、床面沉積物混合物密度弗勞德數等變量的增加而增加，并分析了混合物不均勻性對沖刷深度的影響。

大多數早期關于丁壩周圍沖深的研究都是關于最大沖刷深度的預測[9-10]，計算多以試驗和觀測數據為基礎，基于弗勞德數Fr、泥沙中值粒徑、水流深度、丁壩橫向長度、水流平均流速、臨界流速、丁壩與水流夾角、河道寬度等系數而得。Froehlich[11]以164組已發表的清水沖刷試驗數據為基礎，通過回歸分析提出了計算丁壩附近沖深的方法：

ds/y=0.78K1K2(L′/y)(y/d50)0.43Fr1.16σ-1.87

(4)

式中：K1和K2為修正系數；L′=Ae/y，Ae為被丁壩阻擋的水流區域面積；y為水流深度；σ為(d84/d16)0.5標準差。

黃志才等[12]以量綱理論為基礎，考慮了水深、流速、壩長、丁壩與水流夾角、壩頭邊坡、泥沙不均勻性等因素，通過分析國內外試驗資料建立了不漫水丁壩清水沖刷的局部最大沖刷深度計算式：

(5)

式中：hs為沖刷穩定深度；h為壩頭行近水深；LD為丁壩在水流垂直方向上的投影長度；Fr為行近水流的弗勞德數。

壩體周圍局部沖深同時受多重因素影響，來水來沙條件、下潛水流、漩渦系、單寬流量、泥沙特性、壩體特征等都是影響壩體周圍局部沖深程度和范圍的因素，探究不同水沙條件下各影響因素對于沖刷的作用程度，以此為基礎探討局部沖深程度和范圍的計算方法仍是下一步工作的方向之一。

1.2.3紊動特性

丁壩附近的局部流態非常復雜，呈現出強烈的三維紊流特性。

高桂景等[13]通過水槽試驗研究了丁壩附近的水流紊動，把脈動動能分布分為上游區、對岸區、壩后區和強紊動區，研究了壩長、流量和水深對丁壩附近水流脈動動能分布的影響。曹艷敏等[14]對丁壩壩頭附近水流和回流區水流的紊動形態進行觀測，給出了兩個區域紊動動能的分布。Duan[15]通過試驗對丁壩周圍的紊流結構進行研究，發現回流區內湍動能、雷諾應力在下游方向上的分量在每個斷面上的尾流中心附近達到最大。有學者對更復雜的彎道內丁壩周圍水流紊動特性進行了研究，如：郭維東等[16]測量了彎道內丁壩附近水流的紊動強度，并研究其分布特點。還有學者研究了壩體結構形式對丁壩周圍水流紊動特性的影響，如：張可等[17]通過水槽試驗研究不同結構形式壩體周圍水流脈動動能和紊動強度的分布，探討不同壩體挑角對丁壩附近水流紊動強度和脈動動能分布的影響。

目前丁壩作用區的水流紊動研究多為定性描述，理論成果應用于工程實踐尚有困難，故對于變化水沙條件下的紊動動能分布和移動規律的理論和模擬研究有必要繼續深入。

1.2.4受力

丁壩各部位受力是引起丁壩損毀最直接的因素，關于丁壩不同部位受力的研究主要包括動水壓力和脈動壓力兩個方面。其中動水壓力是導致丁壩壩面損毀、影響壩體穩定性的關鍵原因之一；受漩渦和水面波動所影響的脈動壓力可大大加強瞬時水壓力而導致壩頭沖刷和壩體破壞。

喻濤通過水槽試驗測量了非恒定流條件下壩體所受動水壓力分布，認為壩頂頭部與迎水坡交界區域、壩頂上游側及壩頭迎水坡一側中間區域所受動水壓力較大，落水期壩體所受動水壓力明顯大于漲水期動水壓力。路鼎等[18]通過水槽試驗研究了流量、水深、壩長對動水壓力和脈動壓力變化的影響。王平義等[19]觀測了壩頭測壓區幾個斷面測點的脈動壓力大小、分布、頻率分布、平均周期等，研究了床面受力和流量、水深的關系。

目前丁壩不同部位受力的研究還多停留在試驗測量階段，受力計算方法須依賴建筑物周圍流速分布結果，鑒于建筑物周圍水流流速的計算和模擬結果尚須完善，丁壩受力的理論計算和數值模擬工作還須繼續深入開展。

1.2.5數學模型

近年來，隨著計算機技術的迅猛發展，數值計算技術已成為研究丁壩周圍水流特性和床面變形的有效手段。由于一維計算分析需要大量近似處理，對復雜流動條件的計算和模擬存在困難，因此近年來丁壩水流的數值模擬研究主要集中在二維和三維兩方面，涉及非淹沒丁壩和淹沒丁壩附近流場的模擬。

丁壩二維水流模型一般分為平面和垂向二維水流模型，平面二維水流模型主要用于模擬平面內水沙運動和泥沙沖淤規律；垂向二維水流模型能夠反映水流垂向變量情況。程年生等[20]采用二維水深平均k-ε模型、忽略水深變化求解了非淹沒丁壩繞流問題。蔣昌波等[21]采用大渦模擬法，通過考慮小尺度紊動和忽略Leaonard應力項的方法將模型簡化成二維形式，模擬丁壩群上下游流場和渦特征量。潘軍峰等[22]針對控制體積法和有限分析法計算的漩渦區范圍偏小的問題，建立了邊界擬合曲線坐標變換下的平面二維變水深流函數-渦量數值模型。

為了更準確地反映丁壩附近水流在垂向上的分布，學者們利用水流三維數值模擬方面做了大量的紊流模擬研究。彭靜等[23]在垂向上引入Sigma坐標變換，利用三維泥沙運動數值模型模擬丁壩周圍局部地形發展變化。關于紊流模型，目前大部分都采用標準的k-ε紊流模型、修正后的k-ε紊流模型和非線性紊流模型。Zhang等[24]使用三維非線性k-ε模型模擬沖刷區域附近的復雜流場，研究單一非淹沒丁壩周圍沖刷坑內的紊流。Acharya[25]采用三維數值模型FLOW-3D模擬了丁壩群在平坦和沖刷河床中的紊流流場，研究普朗特混合長度模型、單方程模型、標準雙方程k-ε模型、RNGk-ε模型、大渦模擬湍流模型的模擬效果。彭靜等[26]將非線性三維紊流模型應用于丁壩繞流的數值模擬中，結果表明非線性紊流模型在模擬壩頭分離流區的流速結構上更精確。

2 護灘(底)

護灘工程是通過在受保護灘面上鋪設整治建筑物以隔離較大流速水流的直接沖刷作用來維持河床穩定的，但在實際工程中，受一定的水沙作用，護灘工程往往會出現不同程度的破壞。

2.1 護灘(底)結構形式

護灘帶結構形式主要有軟體排護灘結構、散拋塊體護灘結構、壩體護灘結構3種形式。其中軟體排護灘結構種類繁多，包括軟體排(土工布護底、塊石壓載)、系結壓載軟體排(X型混凝土塊軟體排、系沙袋軟體排)、連鎖塊壓載軟體排(混凝土連鎖塊軟體排、混凝土塊穿繩排等)、混凝土塊鉸鏈排；散拋塊體護灘結構主要采用拋石或拋混凝土構件護灘；壩體護灘結構主要指通過修建丁壩群破壞沿堤水流結構，損耗水流能量，以達到護灘保堤作用。

2.2 護灘(底)水沙運動研究

現有關于護灘(底)損毀機理的研究主要涉及受力分析、灘體附近水流結構、紊動特性變化幾個方面。

2.2.1受力分析

陳飛[27]對位于邊灘斜坡上的護灘帶邊緣混凝土塊體進行了損毀受力分析，護灘帶邊緣塊體受力分析見圖1。

注：u0為水流底速；h0為塊體淹沒水深；W′為混凝土塊在灘體上主要有效重力；FD為拖曳力；FL為上舉力；p為動水壓力；F1和F2為排墊阻礙塊體運動的拉力；f1和f2為灘面對塊體的摩擦力；FN為灘體對混凝土塊的支持力；α為邊灘沿灘寬方向坡度；b為塊體寬度；c為塊體長度；h為塊體高度。

圖1護灘帶邊緣塊體受力分析

馬愛興等[28]分析了混凝土塊體受力平衡，給出了力的計算方法。

基于以往的研究，目前對于護灘帶受力情況的了解已比較清晰，如何將已有方法中的微觀參數取值與特定條件下的宏觀水沙狀況對應起來，將理論計算方法用于護灘(底)建筑物損毀的預測和防范的實踐中去，是接下來工作的一個重要方向。

2.2.2水流結構

喻濤[29]通過模型試驗的方法對比有無護灘結構時心灘附近水流結構(水面線分布、流速分布、水流流態等)特點，分析了3種護心灘建筑物(魚骨壩、透水框架、軟體排)的護灘效果。梁碧[30]對軟體排、四面體透水框架、魚骨壩護灘帶的穩定性(風浪作用下排體穩定性、排體的抗掀起穩定性、排體順坡下滑核算等)進行了研究，通過計算得出，排體邊緣不致被掀起的條件為該處流速v小于某臨界流速vcr：

(6)

式中：ρ′為排體的相對浮密度；g為重力加速度；δm為排體厚度；θ為系數(取值1.4)。排體邊緣流速可用下式計算：

v=v水面(Y/h0)x

(16)

式中：Y為水下計算點距排塊距離；h0為排前水深；x為指數(取值1/3)；v水面為水面流速。

文獻[5]分析了護灘(底)工程周圍的水流結構，認為壓載體厚度較小，在垂向上對水流結構的改變主要集中在壓載體附近且影響范圍較小。劉玉成等[31]通過模型試驗證實護灘帶上游迎流面存在一個橫軸環流區，上游側橫向流速指向外側而靠下游側開始指向內側，水流在護灘帶頭部發生了繞流。

目前探究護灘建筑物周圍水流結構的研究多通過試驗方法實現，試驗條件下能夠測量某一水沙條件下護灘(底)建筑物周圍的水流結構，但相關理論研究較缺乏，導致模擬護灘(底)建筑物周圍水沙運動尚有困難、護灘(底)建筑物損毀的預測缺乏必要的理論基礎。

2.2.3紊動特性

劉曉菲[32]通過模型試驗研究了護灘建筑物不同工況下周圍測點的拉力大小和分布，以及護塊之間的脈動拉力隨時間的變化情況，總結了脈動動能隨流量和水深的變化規律。王偉峰[33]分析了水流脈動對心灘周圍(上下游區、右汊尾部、下游心灘尾部)泥沙運動和沖刷變形的影響。

護灘(底)建筑物周圍紊動特性的研究仍多停留在試驗階段，且紊動強度等指標的計算依賴流速結果，要完成對護灘(底)建筑物周圍水流紊動精確的理論計算和準確的數值模擬還有許多工作要做。

3 護岸

3.1 護岸結構形式

護岸工程通常建在原有岸坡不夠穩定、易發生崩岸和垮塌的部位。我國相關部門根據不同地域河道特性及設計實施護岸工程的經驗，將護岸形式分為坡式護岸、墻式護岸、壩式護岸、樁式護岸和生態護岸5類。其中，坡式護岸被廣泛運用于長江中下游的航道整治工程中，是沿河流岸坡抵御水流沖刷的防護工程，通過將構筑物和材料直接鋪護在灘岸臨水坡面，以防止水流對岸坡的沖刷。

3.2 護岸水沙運動研究

現有關于護岸水沙運動的機理研究主要涉及崩岸研究、守護方式對于護岸結構破壞的影響、不同護岸結構破壞機理等。

3.2.1崩岸類型

在水流和岸灘相互作用下，岸灘失穩的過程稱為崩岸。王延貴[34]通過模型試驗模擬了河岸崩塌的現象和崩塌過程，提出新的崩岸分類(窩崩、滑崩、挫崩、落崩和洗崩)及相應的分析模式，從河岸崩塌穩定性角度出發，同時考慮河岸土質、邊坡形態、滲透力、側向淘刷等多種因素，推導得出一般的河岸穩定系數的計算公式。王路軍[35]、徐永年等[36]、余文疇等[37]將長江中下游河道崩岸類型按照平面形態大致劃分為3類：窩崩、條崩和洗崩。高清洋等[38]總結對比了窩崩、條崩和洗崩的形態特征、分布特點和發生頻率。

3.2.2守護方式

護岸工程可按布局、結構、形式、材料及水流關系等分為不同類型[39]。水上護坡工程采用的材料和措施有：砌石護岸、預制混凝土六方塊、生態混凝土、模袋混凝土、草皮護坡、石墊護坡等；水下護坡工程主要采用水下拋石、鋼絲網石籠、混凝土鉸鏈排、土工織物砂枕(排)、四面六邊透水框架等。

3.2.3破壞機理

高清洋[40]對自然岸坡和護岸岸坡2種條件下的崩岸進行試驗研究，對比分析了不同護岸結構(散體和排體護岸)下河岸的沖刷演變特征、不同守護寬度及不同重點守護區域(坡趾和坡腳區域)的守護效果，分析了“坡折點”持續上移對護岸結構及岸坡穩定的危害。文獻[5]研究了護底排邊緣沖刷坑深度影響因素、護底排長度對岸坡穩定性的影響、護岸工程水下邊坡的損毀機理，認為流速條件對護底排邊緣沖刷坑最大深度影響較大，排長對流速變化不敏感，水下穩定邊坡系數僅與河床組成有關。劉剛[41]從影響因素、糙率計算、邊壁校正幾個方面進行了四面體透水框架的水流特性試驗研究。Yu等[42]通過水槽概化模型試驗研究四面體透水框架群附近的縱橫向水面線變化趨勢和流速變化，并與無護岸結構的岸灘附近的水流結構進行了比較。路鼎[43]分析了2種護岸結構(螺母、菱形)的破壞機理，認為普通塊體下滑導致護岸穩定性喪失和上游護岸裹頭部位出現較大切口是2種護岸結構破壞的主要原因，從塊體位移、切口兩個角度對比了2種塊體護岸結構的穩定性。Gao等[44]基于商業計算流體力學軟件Fluent，建立了一個三維流體力學模型預測混凝土四面體框架護岸的流場和阻力，繪制了阻力系數-雷諾數、升力系數-雷諾數關系曲線。

河道崩岸表面上是由于河道內水流淘刷、頂沖河岸造成，而內在原因涉及河岸沉積物土力學性質、岸坡形態、河岸滲流、一定水沙條件和岸坡形態條件下水流淘刷岸坡沉積物等多種因素的耦合作用，其機理涉及因素多、過程復雜。厘清崩岸類型和機理是進行護岸工程的基礎，護岸工程實施后，其與河岸局部環境形成了新的相互作用系統，新系統內諸多因素之間作用和反饋的機制目前還不明晰，數值模擬工作的開展還有難度。

4 結語及建議

1)對于床面沖刷的位置和規模綜合作用下的破壞閾值問題尚沒有清晰的結論，關于航道整治建筑物周圍沖刷坑的發展模式及相應干預修復方式的研究也亟待開展。

2)極端水文條件對整治建筑物結構完整性及其功能發揮有著重要影響，建筑物在極端水文條件下的損毀預測研究對長江中游整治建筑物的維護具有重要意義，但整治建筑物在極端水文條件下的變形損毀機理尚不明晰，故極端水文條件下航道整治建筑物周圍水流結構特性和床面變形規律的研究需要加強。

3)有必要從實際工程出發，在拓展研究視角和維度的基礎上深化航道整治建筑物損毀機理研究，為航道整治建筑物修復方式選擇和建筑物設計改進等工作奠定基礎。