石梁对渠道水流特性影响的试验研究

王 宇，钟 华，张 滨

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

石梁对渠道水流特性影响的试验研究

王 宇，钟 华，张 滨

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

石梁作为一种生态工法，具有自然、生态、环保、施工简便等优点。通过水力学模型试验，研究石梁对渠道水流特性的影响。试验结果表明：1)石梁的布置方式对流速分布、水深和水流表面流态影响显著；2)在渠底布置石梁有利于塑造多样化的水流条件，为生物的生存、栖息和繁衍提供适宜的生境条件；3)相对于纵向石梁，横向石梁更有利于形成多样化的水流条件，但其壅水效果也更为显著。在实际应用中，应综合考虑生态要求及上游回水条件后，决定石梁的具体布置方式。

石梁;水力学试验;流速分布;壅水效应

0 引 言

1938年，德国学者Seifert首先提出了近自然河溪整治的观念，1962年H.T.Odum首次提及了生态工程一词，1989年Mitsch给出了生态工法的定义，自此生态工法正式成为一个研究学科。近年来，德国、日本采用河床抛石、石梁工、固床工及砌石护岸等工法恢复河川原有生态型式，已有许多成功的案例。我国台湾地区在固床工程、跌水工程、生物技术工程、生态工程方面研究的相对较多，应用生态工法的河溪整治工程有数十处。

渠道是不同水域和陆域及不同水域之间的联系纽带，是生物群落形成的关键。渠道在生态学和物理学上的功能与线性湿地相似[1]，是具有河流和湿地特征的、独特的工程化生态系统[2]。渠道的形态、坡降、糙度、水深对水生植物生长具有重要影响[3]。复式断面、多阶段跌水工、渠底地形多样化、营造弯曲水路等扰流结构可创造多种类的环境，为生物的栖息提供充分的缓冲空间[4]。石梁是由一定尺寸的卵石或块石按一定次序摆放而成的工程结构。石梁作为一种生态工法，具有自然、生态、环保、施工简便等优点[5]。目前，关于石梁的应用研究，大多是从生态、亲水或景观绿化的角度切入，在工程设计上，偏重于施工设计及方法的改善，关于水力学试验研究的则较少。为了研究石梁工法的水力学及生态特性，结合渠道的规模尺度，开展水工模型试验，研究不同的石梁布置方式对渠道水流特性的影响，为石梁在寒冷地区渠道生态环境改善中的应用提供参考依据[6]。

1 试验设备及材料

1.1 试验设备

本试验在黑龙江省水利科学研究院水利新技术试验室的玻璃水槽内进行。试验设备包括玻璃水槽、测量系统和记录系统。

1.1.1 试验水槽

玻璃水槽为钢框架加钢化玻璃可视结构，其尺寸为25.2 m×1.0 m×1.2 m。通过控制三维自动测桥，可实现在其有效测量范围内高效率、高精度进行定点式自动跟踪多点测量；栅栏式尾门即可实现手动控制尾门开度，也可通过电动控制尾门开度，从而实现尾水水位的精确调节。

1.1.2 测量系统

试验数据测量系统包括SCM60移动式水位测针、南京水利科学研究院生产的NKY04-L1型旋桨流速仪和手持式读数仪。

1.1.3 记录系统

试验过程记录：采用摄像机对试验过程的水流变化进行全程记录。

1.2 试验材料

本试验的石梁采用直径12～18 cm的石块。

2 试验过程

2.1 模型设计

为了研究石梁的不同布置方式对渠道水流特性及生态特性的影响，本文根据石梁布置方向设计了两组试验，即纵向石梁和横向石梁试验，通过测量石梁布置前后渠道的水位变化和流速分布情况，分析石梁对渠道水力学特性的影响及其生态效果。

2.1.1 纵向石梁

在玻璃水槽内，沿渠底两侧顺水流方向对称布置2道纵向石梁，研究不同流量条件下不同粒径的石块堆石前、后对上下游水深、流速的影响，以及泥沙淤积情况。

1)布置位置：布置在水流稳定段，与进水口的距离为7.0 m，堆石位置在7.5～9.0 m，堆石段长度为1.5 m。

2)布置要求：选用直径接近的近似圆形的卵石在渠底两侧紧密排列。

3)测量断面位置：在堆石前端的水平段距堆石75 cm处，布置1个参考测量断面0，在堆石区距堆石前端分别为30、60、90、120 cm处设置4个试验测量断面1～断面4(图1)。

4)测点位置：量测水面下0.2h、0.6h、0.8h处的流速。

图1 纵向石梁布置示意图Fig.1 Schematic of lognitudinal stone beam layout

2.1.2 横向石梁

在玻璃水槽内，在渠底垂直水流方向布置2道横向石梁，研究不同的粒径、堆石间距及倾斜角度的石梁布置前、后对上下游水深、流速的影响，以及泥沙淤积情况。

1)布置位置：布置在水流稳定段，与进水口的距离为7.2 m。

2)布置要求：选用直径接近的近似圆形的卵石在渠底垂直水流方向紧密排列。

3)试验工况：本次试验横向石梁布置分为3种工况：工况1为在渠底沿垂直水流方向布置2道横向石梁，间距为1.5 m；工况2为在工况1的基础上将上游处的石梁由横向紧密排列向上游延伸30°，排列成三角形(图2)；工况3为在工况1的基础上将上游处的石梁由横向紧密排列向上游延伸45°，排列成三角形。

4)测量断面位置：在堆石前端的水平段距堆石75 cm处，布置1个参考测量断面0，在堆石区距堆石前端分别为30、60、90、120 cm处设置4个试验测量断面1～断面4。

5)测点位置：量测水面下0.2h、0.6h、0.8h、1.0h处的流速。

图2 横向石梁布置示意图(工况2)Fig.2 Schematic of lateral stone beam layout (condition 2)

2.2 相似模拟比尺的确定

2.2.1 几何相似

本试验以大中型排水渠道为主要研究对象，综合考虑实际渠道横断面宽度和试验用玻璃水槽宽度，确定模型试验几何比尺为1∶2，即

式中lm为模型渠宽;lp为实际渠宽。

2.2.2 运动相似性

根据文献[7]规定，常规模型试验主要作用力为重力，必须遵循重力相似准则，即模型与原型的佛劳德数应保持一致。由于重力加速度在各地变化很小，一般可认为模型和原型的重力加速度相等。因此，流速比尺与几何比尺关系为：

又流量等于流速与过流断面面积的乘积，故流量比尺与几何比尺的关系为：

2.3 试验参数测量方法

2.3.1 水深、流速测量

在各测量断面处，沿垂直水流方向，将横断面分成3小段，分别测量各小段的流速和水深，取测量平均值作为该断面的流速和水深。

2.3.2 水流流态观测

通过摄像机录制试验过程，并取典型时刻拍照，记录试验过程中的水流流态变化情况。

3 试验结果与分析

3.1 流速变化

3.1.1 纵向石梁

不同测点的流速沿深度分布曲线见图3。

图3 纵向石梁流速沿深度分布图Fig.3 Flow velocity distribution of lognitudinal stone beam

由图3可见，布置纵向石梁后，水流由原本顺直的矩形渠道流入试验堆石段，水流断面束窄，各监测断面流速的大小和分布均发生了变化。由于受渠底两侧纵向石梁的影响，相对于参考断面0，水流进入堆石区断面1～断面4后的流速明显增大，且在0.6h处，各测量断面的流速达到最大值。在0.6h范围内，进入堆石区的水流流速沿程增加，在0.6h以下，除断面4外，进入堆石区的水流流速也表现为沿程增加。这表明，在渠底两侧布置纵向石梁可明显改变渠道水流流速分布和水流的表面流态，有利于塑造多样化的水流条件，产生低速流区和高速流区，从而使渠道内单一无变化的水流流态转变为多样化的复杂的水流流态，为不同种类的水生生物的生存、栖息和繁衍提供适宜的生境条件。多样化的流速分布条件还有利于细泥沙的淤积，增进植物自然生长的空间，从而达到改善原有渠道生态性的目的。

另外，石梁用块石为散粒体结构，适应变形能力强，即使发生变位，仍可恢复或接近于初始位置，且石梁的块石间发生小的错动，并不影响其调节流速，改变水流形态的作用，适合在寒冷地区应用。

3.1.2 横向石梁

不同工况条件下各测点的流速沿深度分布曲线见图4～图6。

图4 工况1流速沿深度分布图Fig.4 Flow velocity distribution of condition 1

图5 工况2流速沿深度分布图Fig.5 Flow velocity distribution of condition 2

图6 工况3流速沿深度分布图Fig.6 Flow velocity distribution of condition 3

由图4～图6可见，在渠底布置横向石梁后，流速的大小和沿深度分布均发生了显著的变化，表层流速与底层流速梯度明显增大，水流形态发生改变。由于受渠底第一道横向石梁的影响，水流断面局部束窄，相对于参考断面0，在0.8h以上各观测点的流速显著增加，且断面1的流速值最大，随着第一道横向石梁影响的减弱，断面2～断面4的流速逐渐减小，但仍大于参考断面流速。各测量断面的流速在0.2h处达到最大值。

当上游处石梁由横向紧密排列分别向上游延伸30°和45°，排列成三角形时，相对于工况1的流速分布及变化情况，在参考断面0处，0.8h处的流速均明显增大；在测量断面1～断面4处，0.8h及以上各测点的流速均不同程度的减小，且随着石梁向上游延伸角度的增加，各测点流速呈现出逐渐减小的趋势。这表明，在渠底布置横向石梁会对水流起到阻隔的作用，可明显改变渠道水流流速分布和水流流态，且横梁的布置方式及倾斜角度也会影响水流流速分布和水流的流态。在渠底布置横向石梁，有利于塑造多样化的水流条件，为不同种类的水生生物的生存、栖息和繁衍提供适宜的生境条件。

3.2 水深变化

3.2.1 纵向石梁

不同测点的水深沿程变化过程见图7。

图7 水深沿程变化曲线图Fig.7 Curves of water depth changing along the way

由图7可见，在渠底两侧布置纵向石梁后，石梁上游处参考断面0的水深有一定程度的增加，堆石区内的水深则变化明显，而水深的变化又伴随着流速的变化，堆石区内的流速变化也较大。这表明，纵向石梁具有一定的壅水效应，且有利于形成多样化的流速条件。

3.2.2 横向石梁

不同测点的水深沿程变化过程见图8。

图8 水深沿程变化曲线图Fig.8 Curves of water depth changing along the way

由图8可见，在渠底布置横向石梁后，由于横向石梁的阻隔作用，上游断面处水深明显增加，且石梁上游端参考断面0的水深最大，两道石梁之间的水深次之，石梁下游远端断面的水深最小。这表明，2道石梁的壅水作用可沿程累加。

由图8还可见，当石梁逐渐向上游延伸30°和45°，排列成三角形时，相对于2道横向石梁的情况，上游端第一道石梁的壅水效果相似，而第二道石梁的壅水效果明显增加，随着延伸角度的增加，壅水效果逐渐减弱，但仍大于2道横向石梁的情况。当石梁逐渐向上游延伸一定角度后，水深沿程变化较为剧烈，深水区和浅水区交错排列，且角度越大，水深的变化范围越小，变化程度越剧烈。

上述试验结果表明，横向石梁的壅水效应显著，采用横向石梁时，壅水高度可增大0.5%，且石梁的布置方式对壅水效果及水流形态的影响较大，石梁向上游延伸30°时，其壅水高度最大。横向石梁的布置有利于形成多样化的水流条件。

3.3 水流流态变化

在渠底布置纵向石梁和横向石梁后的水流表面形态见图9～图10。

图9 布置纵向石梁后的水流表面形态Fig.9 Surface flow conformation of lognitudinal stone beam

图10 布置横向石梁后的水流表面形态Fig.10 Surface flow conformation of lateral stone beam

由图9～图10可见，当在渠底布置纵向石梁时，水流表面形态相对较为简单，水面较为平静，波动小。当在渠底布置横向石梁时，水流表面形态相对较为复杂，水面波动较大，水流形态多样。这表明，横向石梁更有利于形成多样化的水流条件，但其壅水效果更为显著。

4 结 论

1)纵向石梁可明显改变渠道水流流速的大小、分布和水流的表面流态，并具有一定的壅水效应。

2)横向石梁的布置方式及倾斜角度对渠道水流流速大小、分布和水流流态影响显著。横向石梁还具有显著的壅水效应，且石梁的壅水作用可沿程累加。当石梁向上游延伸30°时，其壅水高度最大。在实际应用中，应结合实际条件，综合考虑生态要求及上游回水条件后，决定石梁的具体布置方式。

3)在渠底布置石梁，有利于塑造多样化的水流条件，产生低速流区和高速流区，为不同种类的水生生物的生存、栖息和繁衍提供适宜的生境条件。由于石梁对水流的阻隔作用，可使水渠在低流量时，仍有一定的水位，而在高流量时，则会形成保护鱼类的避难场所，营造出适宜生物栖息的空间。

4)石梁用块石为散粒体结构，适应变形能力强，石梁的块石间发生小的错动，并不影响其调节流速，改变水流形态的作用，适合在寒冷地区应用。

[1]Strock J S，Dell C J，Schmidt J P.Managing natural processes in drainage ditches for nonpoint source nitrogen control[J].Journal of soil and water conservation,2007，62:188-197.

[2]Needelman B A，Kleinman P J A.Improved management of agricultural drainage ditches for water quality protection an overview[J].Journal of soil and water conservation,2007，62：171-179.

[3]Tarek A E.Velocity distributions in vegetated channels[C]//Eleventh international water technology conference sham EI-Sheikh，Egypt,2007：741-751.

[4]叶艳妹，吴次芳，俞 婧.农地整理中路沟渠生态化设计研究进展[J].应用生态学报，2011,22(7)：1 931-1 938.

[5]张振兴.北方中小河流生态修复方法及案例研究[D].长春：东北师范大学，2012.

[6]徐军辉.壅水条件下水流特性及悬移质泥沙淤积试验研究[D].武汉：长江科学院，2013.

[7]SL 155-2012,水工(常规)模型试验规程[S].

Experimental study on effect of stone beams on flow haracteristics

WANG Yu，ZHONG Hua，ZHANG Bin

(Heilongjiang Provincial Hydraulic Research Institute，Harbin 150080, China)

Stone beam is an eco-engineering with the merits of nature，ecology，environmental protection and convenient construction.Hydraulic model test is carried out，which researches the influence of stone beams on flow characteristics.The experimental results show that：1) The layout of stone beams has a significant influence on velocity distribution，water depth and water flow patterns; 2) It is propitious to shape diversified flow conditions，which can provide suitable habitat conditions for the survival，shelter and propagation of organisms; 3) Compared to lognitudinal stone beam，the lateral stone beam greatly benefits shaping diversified flow conditions，but the backwater effect is even more significant.In practice，we should consider ecological requirements and upstream backwater conditions before layout stone beams.

stone beam;hydraulic experiment;flow velocity distribution;backwater effect

10.13524/j.2095-008x.2015.02.021

2014-12-20;

2015-02-04

王 宇(1982-)，男，吉林松原人，工程师，硕士，研究方向：寒区河流生态修复技术、工程水力学和生态水力学，E-mail:wangyu19820224@163.com。

TV131.65

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2095-008X(2015)02-0013-06