长江中游航道软体排压载体布置型式优化试验研究

黄建宇，张 璠，曾 涛，胡 江

(1.南昌龙行港口集团有限公司，南昌 330006；2.长江重庆航运工程勘察设计院，重庆 400074；3.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074)

长江中游宜昌至安庆航段属于平原细沙河道，年际冲淤变化较大，严重制约了长江航运经济效益的发挥[1]。由于软体排具有较好的适应变形能力、良好的透水性以及较强的整体稳定性[2-3]，所以通常采用软体排对河滩以及河岸近底进行防护。

1 概况

虽然软体排具有良好的防冲抗变形能力，但在水流冲刷下排体边缘容易产生冲刷变形，破坏排体稳定性，在软体排基础上配合压载体使用可以有效的避免这种问题的发生[4]。目前，在该河段采用普遍抛投2 m厚的石块或者人工砼块体对排体进行压载以增强其稳定性。但排体上的普遍抛石压载会改变水流流态，同时施工存在一定难度。所以，有必要对现有软体排压载体的布置型式进行优化，在减小抛石量的同时，改变近底水流结构、促进近底泥沙淤积，达到对软体排压载的效果。

本文针对长江中游航道整治工程软体排护底结构，在长60 m、宽5 m的水槽模型中对不同压载体布置型式及不同参数下的水流结构分布和泥沙促淤效果进行对比分析，提出了软体排压载体的优化布置型式。

2 水槽概化模型试验设计与布置

2.1 水槽试验系统

水槽系统构成：本次水槽系统布置如图1所示，水槽系统由浑水搅拌池、前池、进口段、试验段、出口段和尾门组成，几何尺寸为：60 m×5 m×0.95 m(长×宽×高)。

图1 水槽平面布置简图Fig.1 Layout diagram of flume plane

在光滑明槽中进口段长度为(78～87)h[5](h为水深)，本次试验水深为15 cm，进口段长度为11.7～13.5 m，为保证水流调整充分，本次试验进口段长度取为30 m；水流在经过尾门时会受其扰动影响，影响长度为50h[6](h为水深)，尾门影响长度为7.5 m，本次试验出口段长度取为30 m；水槽中部为试验段，在试验段内水流要素沿程变化较小，为满足试验布置需求，本次水槽试验段取为10 m。

2.2 水槽试验设计

2.2.1 概化模型比尺设计

本次概化水槽模型采用水深和单宽流量控制，根据试验的内容和要求、水槽模型的大小等基本水流条件，水槽模型采用几何比尺为λ=50的正态模型[7]。根据实测水文资料可知，在设计流量时，护滩带上水深约为7 m，流速在0.7～1 m/s左右。本次水槽试验水深为15 cm，平均流速为0.13 m/s，换算成原型水流条件分别为水深7.5 m，流速0.91 m/s，水槽模型试验条件可以满足试验的需求。

2.2.2 试验浑水含沙量的确定

本次工程河段水流含沙量分布如表1所示，本次模型沙选用天然沙，中值粒径为0.01 mm，与原型沙粒径基本相同。通过表1可知工程河段多年月平均含沙量最大为0.28 kg/m3，在本次试验中，为了使各方案的泥沙淤积效果更为显著，试验效果对比更为明显，本次试验浑水含沙量取为0.5 kg/m3。

表1 汉口站2003～2015年月均含沙量分布表Tab.1 Distribution of monthly average sediment concentration in Hankou station (2003～2015) kg/m3

2.3 试验方案

2.3.1 试验工况

本次试验主要从压载体布置型式、压载体边框宽度、网格间距等3个方面进行研究，并且确定出试验工况总数为10组。每组试验时间为4 d，在试验过程中实时监测含沙量的变化，及时补充泥沙保证水流中含沙量稳定，具体试验工况如表2所示。

表2 试验工况Tab.2 Test control conditions

2.3.2 测量布置

本次水槽试验主要采用：正交网格布置、平行四边形网格布置和条带状布置等三种布置型式，并在试验方案中部布置1根测量断面，断面位于网格中间处，流速测量采用ADV流速仪[8]。具体布置如图2所示。

3 压载体布置型式对水流结构及泥沙促淤的影响分析

由于软体排上的抛石压载体对水流条件产生较大的影响，从而导致其产生不同的泥沙促淤效果。因此，提出正交网格、平行四边形网格以及条带状三种压载体布置型式，并在概化水槽内研究不同的压载体结构型式的水流结构变化规律，包括垂线流速变化规律和垂线紊动强度变化规律；再通过比较分析泥沙促淤效果，得出最优的压载体结构型式。

3.1 水流结构变化分析

3.1.1 垂线流速变化分析

垂线流速分布受底部压载体的影响产生较大变化，在相对水深Z/H>0.33的区域，流速有所增加，近似呈对数分布；在相对水深0.2

不同压载体布置型式紊动强度变化如图3所示。当压载体按平行四边形网格布置时，流速变化幅度较大，在相对水深Z/H>0.33的区域，流速约为0.12 m/s，随着水深增加流速迅速减小，在相对水深Z/H<0.2的区域，流速约为0.056 m/s。当压载体按正交网格布置时，水流变化幅度有所减小，在相对水深Z/H>0.33的区域流速稍有减小，减小到约0.11 m/s，在相对水深Z/H<0.2的区域流速增加较大，增加到约0.077 m/s。当压载体按条带状布置时，水流流速和变化幅度都有所减小，在相对水深Z/H>0.33的区域，流速减小到约0.105 m/s，在相对水深Z/H<0.2的区域，流速增加到约0.065 m/s，流速分布更为均匀。

3.1.2 垂线紊动强度变化分析

紊动强度是表示水流运动剧烈程度的重要参数，水流中某一点脉动流速的均方根代表其紊动强度[9]，在网格区域内，水流受底部压载体的影响变化剧烈，紊动强度增加较大。垂线紊动强度变化分为相对水深Z/H>0.27和相对水深Z/H<0.27的两个区域，在这两个区域内紊动强度随着水深增加先增大后减小，峰值出现在流速变化较大的相对水深Z/H=0.33和相对水深Z/H=0.2附近处，在压载体顶部相对水深Z/H=0.27附近处，紊动强度局部最小。

不同压载体布置型式紊动强度变化如图4所示。当压载体按平行四边形网格布置时，纵向压载体与水流夹角呈45°，对水流影响较大，在相对水深Z/H<0.27的区域纵向紊动强度稍大于其他方案，而横向紊动强度稍小于其他方案。当压载体按正交网格布置时，受底部压载体的影响减小，纵向紊动强度稍有减小，横向紊动强度有所增大。当压载体按条带状布置，因为缺少纵向压载体的影响，在相对水深Z/H<0.27的区域纵向紊动强度减小到最小，横向紊动强度增加到最大。

3.2 泥沙淤积变化分析

泥沙的促淤效果主要取决于水流的挟沙能力，而水流挟沙能力又与水流流速和紊动强度有关，不同方案下在底部区域流速大幅减小，而紊动强度增加较小，水流挟沙能力有所减小，水槽底部的泥沙淤积量都有所增加。

不同压载体布置型式下泥沙淤积量见表3所示。压载体按平行四边形网格布置时泥沙淤积量最少，按正交网格布置和条带状布置时泥沙淤积量相差不大，但考虑到正交网格边框占据区域，实际上正交网格布置型式下试验段泥沙淤积量更大。

表3 不同压载体布置型式下泥沙淤积量Tab.3 Sediment deposition of different pressure carrier arrangements kg

同时，由于软体排沿河宽方向宽度通常达数百米，若采用45 m的条带状间距，中间不进行压载，在水流底部紊动增强的情况下，对于软体排自身稳定性不利。所以，综合从水流结构变化及泥沙促淤效果比较，压载体按正交网格布置具有较好的压载与促淤效果，所以软体排压载体布置型式选择为正交网格，并进一步开展不同网格间距、不同边框宽度等参数对水流结构和促淤效果的影响研究。

4 网格间距对水流结构及泥沙促淤的影响分析

通过前面的试验研究确定了压载体按正交网格布置时水流条结构和促淤效果较好，为进一步探究网格参数对水流结构及泥沙促淤效果的影响，从网格间距和压载体宽度两个方面进行研究。首先提出4种网格间距，并通过对比分析不同网格间距下的水流结构变化和泥沙促淤效果，得出最优的网格间距。

4.1 水流结构变化分析

4.1.1 垂线流速变化分析

不同网格间距垂线流速变化如图5所示。网格间距为一倍压载体宽度时，网格间距最小，水流受底部压载体影响最大。在相对水深Z/H>0.33的区域，垂线流速较方案前增加较大，约为0.145 m/s，随着水深增加流速开始迅速减小，在相对水深Z/H<0.2的区域，垂线流速减小到约0.02 m/s。压载体对水流结构影响随着网格间距的增大而逐渐减小，当网格间距增大到4倍压载体宽度时，垂线流速分布与方案前已基本一致。

4.1.2 垂线紊动强度变化分析

不同网格间距紊动强度变化如图6所示。在网格区域内，网格间距较小时，水流受底部压载体影响变化运动剧烈，紊动强度大小和变化幅度较大。随着网格间距的增加，底部压载体对水体影响逐渐减小，水流运动更为平缓，紊动强度也相应的减小，分布更为均匀。

4.2 泥沙淤积变化分析

不同网格间距下泥沙淤积量结果见表4所示，网格间距为1倍压载体宽度时泥沙淤积量最少，网格间距为3倍压载体宽度时泥沙淤积量与2倍压载体宽度时相差不大，但网格间距越大，所用压载体数量越少，对工程河段的影响减小，工程投资也更低。

表4 不同网格间距下泥沙淤积量Tab.4 Sediment deposition of different grid spacing kg

同时，由于网格间距较小的情况下水流条件更为紊乱，对工程河段水流流态造成一定影响。所以，综合从水流结构变化及泥沙促淤效果比较，压载体按正交网格布置、网格间距为3倍压载体宽度时，具有较好的压载与促淤效果，所以软体排压载体布置型式选择为正交网格，网格间距为3倍压载体宽度，并进一步开展不同压载体宽度等参数的影响研究。

5 压载体宽度对水流结构及泥沙促淤的影响分析

通过之前的试验研究确定最优的压载体布置型式和网格间距，为进一步探究网格参数对水流结构及泥沙促淤效果的影响，从压载体宽度来进行研究。提出3种压载体宽度进行研究，并通过对比分析不同压载体宽度下的水流结构变化和泥沙促淤效果，得出最优的压载体宽度。

5.1 水流结构变化分析

5.1.1 垂线流速变化分析

不同压载体宽度垂线流速变化如图7所示。在网格区域内，当压载体宽度为5 m时，网格间距最小，受底部压载体影响最大，在相对水深Z/H>0.33的区域垂线流速约为0.13 m/s，随着水深增加流速迅速减小，在相对水深Z/H<0.2的区域垂线流速减小到约0.025 m/s。随着压载体边框宽度的增加，在相对水深Z/H>0.33的区域水流流速减小，相对水深Z/H<0.2的区域流速有所增大。当压载体宽度增加到15 m时，在相对水深Z/H>0.33的区域垂线流速减小到约0.125 m/s，而在相对水深Z/H<0.2的区域垂线流速增加到约0.08 m/s，流速分布更加均匀。

5.1.2 垂线紊动强度变化分析

不同压载体宽度紊动强度变化如图8所示。在网格区域内，不同压载体宽度下紊动强度基本相同，当压载体宽度较小时，受压载体的影响紊动强度增加较大且变化最剧烈。随着压载体宽度的增加，紊动强度变化幅度稍有减小，分布更为均匀。当压载体宽度增大到15 m时，垂线紊动强度整体最小。

5.2 泥沙淤积变化分析

不同压载体边框宽度下泥沙淤积量结果见表5所示。压载体宽度为15 m时水槽中间试验段泥沙淤积量最大，并且所用压载体数量最少，水流条件最为均匀，对原有河段影响较小，施工也更为经济方便。

表5 不同压载体边框宽度下泥沙淤积量Tab.5 Sediment deposition in different ballast width kg

所以，综合从水流结构变化及泥沙促淤效果比较，当压载体按正交网格布置，网格间距为三倍压载体宽度，压载体宽度为15 m时的水流结构和泥沙促淤效果相对较好，所以软体排压载体网格边框宽度选择为15 m。

6 小结

本文采用大型概化水槽模型试验，从压载体布置型式，网格间距和压载体宽度等方面进行了详细研究，通过对软体排压载体布置区域的三维水流结构和泥沙淤积量进行测量，得出了水流结构和促淤效果的变化规律，并在此基础上对软体排压载体布置型式进行优化，主要结论如下：

(1)受底部压载体影响，网格内原有的垂线流速分布发生了改变，并形成明显分区。在相对水深Z/H>0.33的区域流速明显增加，在相对水深0.2

(2)相较于天然条件下，垂线紊动强度大小和变化幅度有较大的增加，随着水深增加，紊动强度先增大后减小再增大，在压载体顶部附近紊动强度局部最小；随着网格间距和压载体宽度的增加，紊动强度大小及变化幅度减小。

(3)通过试验研究得出了在正交网格的布置型式、网格间距为3倍压载体宽度、压载体宽度为15 m时总体效果最好，未来航道整治软体排护底的压载体结构型式可借鉴其进行优化设计。