潮汐河口坝田长宽比对泥沙淤积特征影响试验研究

2020-08-14张功瑾罗小峰路川藤白一冰

海洋工程 2020年4期

张功瑾，罗小峰，路川藤，白一冰

(南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029)

在航道治理工程中，常用丁坝群来实现工程整治的效果。一般将两相邻丁坝间的区域(丁坝与坝头连线、与坝根相连的河岸或导堤组成的区域)称为坝田。对于不同长宽比的坝田内的流态也存在差别[1]，但一般坝田内均会出现2个环流(如图1所示)，包括直接由与主流的动量交换驱动的主环流和由主环流驱动的副环流[2]。

图1 丁坝坝田流态示意[1]Fig. 1 Flow pattern of spur dike field [1]

从上游丁坝头部分离的大涡体，沿着主槽～坝田界面前行并逐渐融入主环流，成为造成动量、质量交换的主要动因。坝田与主槽之间的泥沙存在交换，丁坝坝田通常为缓流区，是泥沙易于淤积的场所[3]。丁坝建成初期，丁坝坝田是泥沙的汇。丁坝群坝田回流区的水流结构复杂，回流区的泥沙淤积和坝头冲刷问题也相对变得复杂，坝田内的泥沙冲淤主要受丁坝布置参数(挑角、长宽比、坝长、淹没程度)和河道或水槽的水沙动力条件(水深、来流流速、来流角度、含沙量、泥沙粒径)影响[4-7]。在航道整治工程中，坝田促淤效果直接决定航道的整治效果，高先刚等[8]、Karami等[9]、常福田[10]、蒋焕章和苏治平[11]等从坝田长宽比对坝后回流长度、坝田淤积、坝田流态等方面的影响均做了试验研究，表明在一定的水沙条件下，坝田的长宽比直接影响坝田的促淤效果，但其研究均限于定向流水槽试验。路川藤等[12]研究长江口北槽坝田污染物扩散发现，坝田释放污染源后，污染物随涨落潮流在坝田与主槽内运动，污染物进入航道的量较少。此外，Uijttewaal[13]、Volker等[2]均通过物理模型释放染料浓度研究了坝田长宽比对坝田及主槽染料浓度衰减的影响，Yossef和Vriend[14]通过物理模型试验分析了坝田与主槽之间的水沙交换系数。已有的研究已经表明坝田长宽比的设计对主流流速、坝田淤积以及坝田与主槽的水沙交换均有一定的影响，并进行了物理模型试验研究，但多数以单向流水槽试验为主。因此，研究往复流条件下坝田长宽比的设计对坝田促淤效果的影响，对潮汐河口航道整治工程中丁坝群的布设具有一定的理论意义和工程应用价值。

1 典型坝田淤积

长江口深水航道治理工程分三期实施(图2)，共建设丁坝19座，形成17座坝田，其中北侧坝田9座(TM1-TM9)，南侧坝田8座(TS1-TS8)。随着一至三期工程的建设，南北侧各坝田形成时间有所不同。

图2 北槽丁坝群坝田示意Fig. 2 Schematic diagram of dam fields of North Channel of the Yangtze River estuary

通过对1998年长江口深水航道治理工程丁坝群建设以来历年实测水深数据的分析，以2002—2009二期工程建设以来北槽丁坝群坝田的冲淤分布为例，北槽坝田呈现迅速淤涨的特征，并随着丁坝的延长而持续调整淤积区域和淤积速度。以长江口北槽南侧坝田中TS1、TS4、TS5、TS8(长宽比分别为0.16、0.26、0.36和0.51)为例，分析在坝田形成初期(形成1年、2年、3年)的相对淤积厚度(如图3所示)。

图3 坝田初期相对淤积厚度Fig. 3 Relative siltation thickness at the initial stage of dam field

对应不同长宽比W/L(W：丁坝长度；L：丁坝间距)的坝田，初期快速淤积过程中的淤积速率均不相同。如图3所示，在长江口北槽坝田淤积初期(前3年)，长宽比为0.36的坝田累积相对淤积厚度最大，达到坝田容积的72%；长宽比为0.16的坝田累积相对淤积厚度最小，仅为坝田容积的50%。在坝田建成后的淤积初期阶段，表现为长宽比为0.36的坝田内的平均淤积强度最大。

2 概化试验水槽试验

针对长江口北槽丁坝群坝田TS8，采用概化模型进行研究(如图4所示)，试验水槽尺寸为30 m×5 m(长×宽)，其中有效长度为25 m，受水槽尺寸的限制，物理模型设计为小变率变态模型，根据北槽S8、S9丁坝及水沙动力条件，通过模型比尺计算，模型丁坝采用高10 cm、长80 cm的不透水丁坝，两条丁坝分别记为A和B。含沙量控制在2 kg/m3，最大流速20 cm/s，潮周期100 min，试验进行8个周期。

图4 物理模型水槽示意Fig. 4 Schematic diagram of physical model flume

在悬沙模型中，采用浑水循环系统，包括浑水水库、加沙泵、输沙管道及回水管等，输沙管道的布置见图4。为保证模型水体含沙量能够达到要求，采用全潮加沙。模型采用光电式非接触水位仪和旋浆流速仪。大范围的流场则通过流场实时测量系统(VDMS)，地形测量采用超声三维地形自动测量分析系统(TTMS)。

图5 水槽试验丁坝长度80 cm时粒子摄像Fig. 5 Particle image when the length of groyne in flume test is 80 cm

图6 水槽试验丁坝长度100 cm时粒子摄像Fig. 6 Particle image when the length of groyne in flume test is 100 cm

2.1 环流形态

如图7和图8所示，在涨潮时刻，长宽比为0.50的坝田出现上下两个环流，其中上方的环流直接与主流进行动量交换，下方的环流受上方环流的驱动；而同一时刻长宽比为0.33的坝田内只出现了一个环流，说明不同长宽比的坝田内可能存在1或2个环流，其中驱动着坝田与主流进行水沙交换的主要环流为主环流，长宽比为0.50的坝田上方环流为主环流，长宽比为0.33的坝田内的环流即为主环流。

图8 涨急时刻长宽比0.33坝田流态图Fig. 8 Flow pattern of dam field with aspect ratio of 0.33 at the time of maximum velocity of flood tide

2.2 淤积形态

受坝田内环流的影响，如图9和图10所示，长宽比为0.50的坝田内淤积的主要部位即为主环流所在位置(坝田偏外侧)，而在副环流位置，则出现微淤或冲刷的趋势；而长宽比为0.33的坝田内的淤积分布相对比较均匀。

图9 长宽比0.50坝田淤积厚度等值线图Fig. 9 Contour map of siltation shape and thickness of dam field with length-width ratio of 0.50

图10 长宽比0.33坝田淤积厚度等值线图Fig. 10 Contour map of siltation shape and thickness of dam field with length-width ratio of 0.33

2.3 淤积过程

如图11所示，长宽比为0.50和0.33的坝田内的淤积过程基本相似，均为初期快，后期减缓直至平衡；但无论初期还是后期，长宽比为0.33的坝田内淤积速率明显大于长宽比为0.50的坝田，但长宽比为0.33的坝田达到淤积拐点(淤积速率明显减小)的时间也长于长宽比为0.50的坝田。

图11 不同长宽比坝田累积淤积过程(水槽试验)Fig. 11 Cumulative deposition process of dam field with different aspect ratios (flume test)

3 坝田长宽比对坝田泥沙淤积影响分析

3.1 回流尺度

对比不同时刻坝田长宽比0.33和0.50时坝田内的流场，发现其坝田内回流尺度与主流流速基本无关，而与坝田长宽比有关，这与岳建平[20]在研究港池回流时的结论一致，即随着坝田长宽比的减小，其坝田内回流中心也逐渐向坝田内侧移动。

不同长宽比的坝田内的流态也存在差别，但一般坝田内均会出现2个环流，包括直接由与主流的动量交换驱动的主环流和由主环流驱动的副环流。通过观测回流尾部水流流向的变化，确定水流在时均意义上的流向分离点，进而确定回流长度。主环流的环流长度Lr和坝田长度L之比，称为坝田相对回流长度(见图12所示)。长宽比为0.5的坝田内的相对回流长度为1，而长宽比为0.33的坝田内相对回流长度为0.8～0.9。

图12 不同长宽比坝田内回流中心位置示意Fig. 12 Location of backflow center in dam field with different aspect ratios

3.2 回流强度

回流强度是表征回流的一个重要物理量，一般以整个坝田平均流速表示。坝田内回流的平均流速越大，回流强度就越大，在潮汐河口地区，涨急时回流强度达到最大，以后又慢慢减弱至消失；涨转落时，口门处又出现一个反向回流，落急时反向回流强度达到最大。

一个潮周期内，如图13所示，长宽比为0.50坝田内的平均回流强度为0.66 cm/s，而长宽比为0.33坝田内的平均回流强度为0.73 cm/s，长宽比为0.33坝田内的平均回流强度是长宽比为0.50坝田回流强度的1.11倍，而长宽比为0.33坝田内的平均淤积强度是长宽比为0.50坝田内平均淤积强度的1.16倍(同一时段坝田的相对淤积厚度之比)。可以判断，不同长宽比坝田内回流强度是直接影响其淤积强度的主要因素之一，在一定水沙条件下坝田内回流强度与淤积强度成正相关关系。

图13 不同长宽比坝田回流速度变化过程(3-9和16-23时刻为落潮，9-16和23-3时刻为涨潮)Fig. 13 Distribution of backflow intensity process in batian with different aspect ratios

3.3 坝田与主槽水沙交换对淤积的影响

由于坝田中的水体基本处于半停滞状态，其与主流的动量和质量交换，主要是横向的紊动交换。这种交换通常包括两种过程，即动量和质量经过界面混合层的交换和环流中心指向混合层界面的紊动输运。坝田长宽比的不同直接决定了坝田内水流的性质，根据两种长宽比坝田的水槽试验过程，讨论坝田与主槽水沙交换对坝田淤积的影响。

根据Volker等[2]提出的理论模型，考虑主流与坝田区的交换为一阶过程，根据物质守恒，对坝田为：

(1)

式中：M为坝田区溶解质质量；E为经坝田长度平均的进入主流的速度，即交换速度；hE为坝田进口水深；CD和CS分别为坝田区和主流的溶解物浓度。

假定交换速度正比于主流流速U：

E=kU

(2)

将上式代入示踪物质质量M=CDLWhD，hD为坝田平均水深，并代入式(1)，得到坝田区平均浓度变化的通用公式：

(3)

式中：k为无因次进入系数。引入有量纲交换系数KD(1/时间)

(4)

在某一时刻，一些流体进入坝田而另一些则流出坝田。于是经过坝田口门长度平均的瞬时进入速度E′为：

(5)

由式(5)计算得到2种长宽比坝田潮周期内坝田与主槽的水沙交换系数KD，均在0.02～0.04之间；与Volker Weitbrecht通过大量物理模型试验得出K0值的变化范围为0.014～0.051相近。其中在涨急时刻，长宽比为0.33和0.50的坝田与主槽交换系数分别为0.026和0.024；落急时刻，长宽比为0.33和0.50的坝田与主槽交换系数分别为0.031和0.035；长宽比为0.33的坝田全潮平均交换系数为0.030，大于长宽比为0.50的坝田交换系数0.028。如图11所示，潮周期内长宽比为0.33的坝田平均淤积厚度也明显大于长宽比为0.50的坝田的淤积厚度，与其坝田与主槽的交换系数成一定的正相关关系，这是由于坝田和主流之间，由于坝田内的水动力较弱，而且坝田回流利于泥沙落淤，随着坝田与主槽的水体交换的增强，进一步加大悬沙近底浓度和垂线平均浓度，也增加了指向坝田的净输沙。说明坝田口门较大的宽度(长宽比较小)有利于河流与坝田之间的水沙交换和坝田内环流的形成，利于坝田淤积。由于试验条件和场地等限制，仅试验了往复流条件下长宽比0.33和0.50两组试验，后续需增加试验组次，并增加模型变率敏感性分析，深入研究和验证坝田长宽比与坝田淤积强度的关系，并结合三维数值模拟试验阐述其影响机制。