长江口南槽航道透水梯形结构整治建筑物水动力特性研究

朱 治，张学军，沈雨生

(1.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002；3.南京水利科学研究院 河流海岸研究所，南京 210024)

长江口南槽航道治理工程作为我国“十三五”水运重点建设项目，是支持长江经济带建设和“一带一路”国家战路实施的需要，工程的实施可有效改善长江口通航环境及航道条件、促进江海联运发展、充分发挥长江黄金水道功能[1]。为贯彻落实长江经济带“生态优先、绿色发展”的理念，在长江口南槽航道建设中进行了生态航道技术的研究与应用。

传统的航道整治大量采用硬化覆盖的方式，由于水下建筑物的形成，增加了河床不透水面积，导致水生生境发生变化或局部区域生境消失，对水生生物的生存环境和生存空间造成破坏。生态航道建设是在传统航道建设基础上，综合考虑航运开发与水沙条件、水生生物、生态环境等的关系，在航道建设各领域各环节采取新的生态技术、工程管理等措施，实现航道建设与生态系统的协调[2]。生态航道必须从设计阶段开始科学制定生态环保目标，注入生态环保理念[3]。我国生态航道建设已在长江干线航道的治理工程中得到了较大的发展，长江干线航道整治主要包括守护工程(护滩、护岸、护坡、护底)、筑坝工程、疏浚吹填工程、航道爆破工程等，目前已在航道整治的多个环节考虑了生态环境保护措施与管理办法[4-5]。生态航道建设与整治建筑物的水动力特性和泥沙因子密切相关，为有利于水生生物栖息并达到生态效果，整治建筑物一方面需具有透水减流的性能，从而为水生生物栖息提供适宜的水生生境；另一方面整治建筑物内及周围需具有一定的泥沙淤积效果，以达到河床底质回补的目的，为水生生物栖息提供场所。整治建筑物是生态航道建设的关键，长江干线航道整治工程中提出并应用了多种生态型透水护坡、护滩、护底和坝体等整治建筑物结构[6-10]。与长江干线航道所受水动力条件不同，长江口区域同时受强劲的风浪和潮汐动力作用，而专门针对长江口区域的生态型航道整治建筑物很少，有必要对此开展研究。

本文依托长江口南槽航道治理工程，对一种透水梯形结构整治建筑物进行物理模型试验，研究其水动力特性和泥沙淤积效果，并根据试验结果对结构进行了优化，可为类似工程的设计提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

长江口南槽治理一期工程是在长江口现有12.5 m深水主航道的基础上，按照长江口“一主、两辅、一支”航道体系的总体规划实施的又一重大航道整治工程。工程建成后，长江口将新增一条长86 km、水深6.0 m、宽600～1 000 m的优质辅助航道(工程平面布置见图1)，该航道可满足5 000 t级船舶满载乘潮双向通航，1万～2万t级船舶减载乘潮通航和大型空载船舶下行乘潮通航。长江口南槽航道治理一期工程主要由整治建筑物工程和疏浚工程组成，其中整治建筑物为江亚南沙护滩堤，堤线总长约16 km。本工程施工水域是长江流域生物资源最丰富的区域之一，为了践行“生态优先、绿色发展”的理念，本工程进行了生态航道建设。整治建筑物是生态航道建设的关键，因此有必要对整治建筑物水动力特性进行专项研究。本文选取江亚南沙护滩堤浅水段典型结构作为研究段。

图1 工程平面布置图Fig.1 General layout of the project

1.2 水动力条件

研究段整治建筑物断面位于浅水段，滩面高程为0.0 m，工程区极端高水位为5.94 m，设计高水位为4.32 m，平均水位为2.20 m，设计低水位为0.39 m。

研究段整治建筑物50 a一遇设计波浪要素见表1。工程区水流条件见表2。工程区泥沙(底质和悬沙)特征见表3～表4。

表1 研究段整治建筑物50 a一遇设计波浪要素Tab.1 Design wave parameters of 50 year return period for the regulation structure

表2 工程区水流条件Tab.2 Current conditions for the project area

表3 工程区底质泥沙特征Tab.3 Seabed sediment characteristics for the project area

表4 工程区悬沙泥沙特征Tab.4 Suspended sediment characteristics for the project area

1.3 整治建筑物原方案设计

研究段整治建筑物断面见图2，滩面高程0.0 m，堤身高度2 m(顶高+2.0 m)，基床采用袋装碎石，护脚采用100～300 kg块石，上部主体采用透水梯形结构构件，构件由顶板、侧板和底部框架构成，结构高1.6 m、顶宽4 m、底宽5.5 m、长5 m，顶板厚0.3 m，侧板厚0.3 m，顶板均布9个圆孔(直径皆为500 mm)，前后侧板不开孔，底部无底板，结构表面整体开孔率为5.2%(图3)。

图2 研究段整治建筑物断面Fig.2 Cross section of the regulation structure

图3 透水梯形结构图(单位：mm)Fig.3 Structure figure of the permeable trapezoid structure

2 研究方法

本项研究通过断面物理模型试验进行，通过断面物理模型试验研究透水梯形结构整治建筑物在水流、波浪作用下的结构水流流速和泥沙淤积效果，并对结构进行优化。

2.1 试验仪器设备

本项物理模型试验在波浪水槽中进行，该水槽可同时产生波浪、水流和风。水槽长170 m、宽1.2 m、深1.8 m。水槽的一端配有消浪缓坡，另一端配有推板式不规则波造波机。波高测量采用电阻式波高仪，利用DS30多功能自动采集系统采集，最终由计算机形成波高数据文件。结构内外侧水流流速采用多普勒流速仪(ADV)测量。

2.2 模型设计

试验采用正态模型，根据Froude数相似律设计。考虑到结构物尺度、模型范围、水深、水流和波浪条件以及试验场地设备等，本次试验模型几何比尺λl为1:25。

2.3 试验方法

为研究透水梯形结构的水动力环境，在断面物理模型试验中波浪共同作用下测量透水梯形结构内外侧的水流流速，水流流速测点布置见图4。

图4 结构内外侧流速测点布置Fig.4 Arrangement of the velocity measuring points in and outside the structure

为研究透水梯形结构的泥沙淤积效果，需要进行两部分波流作用下结构周围及内侧冲淤试验，包括：(1)平常条件水流作用下结构周围及内侧泥沙淤积试验；(2)恶劣天气波流共同作用下结构内侧泥沙冲淤试验。

对于平常条件水流作用下结构周围及内侧泥沙淤积试验，主要考虑平常条件水流作用下，含沙水流使结构内发生淤积。本项试验的模型沙选择主要考虑泥沙输移和泥沙沉降相似。经过比较选择，采用一定中值粒径的木粉作为该项试验的模型沙，试验采用中值粒径d50=0.05～0.06 mm、γs=1.16 t/m3的木粉。

对于恶劣天气波流共同作用下结构内侧泥沙冲淤试验，本项试验主要考虑重现期波浪和水流共同作用下，结构物周围及内侧泥沙掀起，在波浪、水流作用下的泥沙输移使结构物内侧平常条件下已淤积的泥沙发生冲淤变化。本项试验的模型沙选择主要考虑泥沙起动相似。经过比较选择，采用一定中值粒径的煤粉作为该项试验的模型沙，试验采用中值粒径d50=0.18 mm、γs=1.33 t/m3的煤粉。

3 原方案试验结果

3.1 透水梯形结构水流流速结果

对于原方案透水梯形结构，分别在恶劣天气和平常条件下测量了结构内外侧的流速，试验工况为：(1)工况1。设计高水位为+4.32 m，50 a一遇波浪+涨急流(流速v=0.87 m/s)；(2)工况2。设计高水位为+4.32 m，涨急流(流速v=0.87 m/s)，无波浪。结构内外侧流速结果见表5～表6。需要说明的是表5～表6中流速结果为平均流速，表中各分量流速的方向见图4，且表中“--”代表该分量流速非常小、可忽略。

表5 工况1条件下结构内外侧流速结果Tab.5 Current velocity in and outside the structure under case 1 m/s

表6 工况2条件下结构内外侧流速结果Tab.6 Current velocity in and outside the structure under case 2 m/s

由表5～表6可见：

(1)对于原方案透水梯形结构，在波流或者水流作用下，结构内侧均存在一定的流速，但明显小于结构外侧流速。

(2)对于恶劣天气条件(工况1)，在波流共同作用下结构内侧流场呈三维特征(X、Y和Z三个方向均有流速)，结构内侧流速相对于外侧流速平均减小了75%(相对于潮流流速和波浪底质平均流速之和)。

(3)对于平常条件(工况2)，在单纯水流作用下，结构内侧流速相比恶劣天气条件(工况1)的波流共同作用时较小，且主要在水平X方向和竖直Z方向有流速，结构内侧流速相对于外侧流速平均减小了84%。

3.2 透水梯形结构周围及内侧泥沙冲淤结果

透水梯形结构要发挥生态效益，结构内需要提供可供生物栖息的场所，所以结构内需有部分泥沙淤积。对于原方案透水梯形结构，主要进行了平常条件水流作用下结构周围及内侧泥沙淤积试验，试验条件为：设计高水位为+4.32 m，涨急流(流速取平均流速v=0.87m/s)，无波浪。当平常条件水流作用相当于原型1个月后，结构周围及内侧泥沙淤积情况见图5。

图5 水流作用后结构周围及内侧泥沙淤积情况Fig.5 Sediment siltation condition in and around the structure after current action

由试验结果可见，平常条件水流作用下，结构后部(背流面)及结构内部发生泥沙淤积，结构内部泥沙淤积较为平坦，当水流作用相当于原型1个月后，结构内部泥沙淤积最大厚度为0.52 m，平均淤积厚度为0.16 m，平均相对淤积厚度为12%，单个构件内的淤积量约为3.2 m3。

4 优化方案结果

由原方案透水梯形结构试验结果可见，波流作用下，该透水梯形结构内侧流速明显小于结构外侧流速，且结构后部及内侧发生泥沙淤积，可为生物提供栖息和避难场所。但是原方案结构比较单一，为适应不同水生生物对象的个体尺寸，并利于生物进出结构，优化方案一方面将顶板开孔直径优化为350～500 mm不等，另一方面考虑对结构侧板开孔。原方案结构基床为袋装碎石，考虑到袋装碎石的施工难度以及抛石垫层更接近自然条件，且抛石孔隙利于生物栖息，优化方案同时将袋装碎石基床改为抛石。

4.1 结构开孔研究

对于优化方案透水梯形结构开孔方式，顶板开孔直径优化为350～500 mm(2列为350 mm，中间一列为500 mm)，前后侧板开孔考虑多种位置、数量及孔径，共5个比选方案，详见表7和图6。对于前后侧板开孔比选方案，考虑便于不同生物(浮游生物、游泳生物和底栖生物)进出结构且在结构内泥沙淤积的不同阶段生物均可以进出结构，比选方案二～选方案五在结构前后侧面板的不同高度进行开孔。比选试验在纯流条件下进行，比较不同比选方案结构内的流速，试验条件为：设计高水位为+4.32 m，涨急流(流速v=0.87 m/s)，无波浪。

表7 透水梯形结构开孔比选方案汇总Tab.7 Plans of different hole types of the permeable trapezoid structure

6-a 方案一 6-b 方案二 6-c 方案三 6-d 方案四 6-e 方案五图6 透水梯形结构俯视示意图Fig.6 Top view of permeable trapezoid structure

除了测量结构内侧的水流流速外，还对结构进行了流速示踪试验，对比其扩散情况，示踪试验见图7。各开孔比选方案结构内侧的流速结果对比见表8和图8。

图7 示踪试验 图8 各开孔比选方案结构内侧的流速对比Fig.7 Tracer testing Fig.8 Comparison of current velocity in the structure for different plans

表8 各比选方案结构内侧的流速测量结果对比(1#代表点)Tab.8 Comparison results of the current velocity in the structure for different plans

由表8和图7可见：

(1)考虑利于生物进出结构，对结构前后侧板开孔后，各比选方案结构内侧的水流流速相同条件下均明显大于原方案结构内侧的流速。流速示踪试验表明，水流作用下介质可进出结构，说明比选方案结构具有一定的透水性和水交换能力，可保持结构内良好的水环境。

(2)结构前后侧板开孔后，结构内水流流速相比原方案明显变大，但是为有利于结构内侧的泥沙落淤，结构内流速不宜较大。对于比选方案一，由于其前后侧板开孔孔径较大，且前后孔对齐，比选方案结构内侧的水流流速明显较大。比选方案二～比选方案五结构内侧的水流流速与比选方案一相比较小，可见减小结构前后侧的开孔孔径、减少开孔个数并将前后侧孔错开布置可减小结构内的水流流速。经过综合比较不同比选方案的试验结果，推荐比选方案五(350 mm孔径、前二后一交错开孔)作为透水梯形结构的开孔方案。

4.2 底板结构形式研究

不同的底板结构形式会影响平常条件下淤积在结构内的泥沙在恶劣天气条件下的冲刷情况，影响透水梯形结构发挥生态效益。在结构开孔推荐方案的基础上，对于底板结构形式进行研究，分别进行了无底板、开孔底板(图9)和格栅底板(图10)三种方案的对比试验(垫层均采用10～100 kg抛石)。对于开孔底板方案，结构底板厚度为350 mm，在单个构件底板上开了16个350 mm孔径的孔。对于格栅底板，在结构底部设置高350 mm的格栅结构，包括1条纵向格栅和5条横向格栅，格栅结构将构件底部隔成了12个矩形空间，格栅与下部垫层间有150 mm的间隙。

图9 开孔底板方案结构图 图10 格栅底板方案图Fig.9 Structure of holes in the bottom panel Fig.10 Structure of slits in the bottom panel

对各底板方案进行恶劣天气条件下的结构内侧泥沙冲刷试验，对比各底板方案平常条件下淤积在结构内的泥沙在恶劣天气条件下的冲刷情况。试验前在结构内预先填模型沙。试验条件为：设计高水位为+4.32 m，50 a一遇波浪+涨急流(流速v=0.87 m/s)。

各底板方案在恶劣天气条件下的结构内侧泥沙冲刷试验如下：

(1)对于无底板方案，当恶劣天气条件波流共同作用相当于原型6 h后，结构内仍有泥沙存在，但是由于结构内的大部分泥沙在波流共同作用下落至垫层块石孔隙中，垫层块石表面剩余的泥沙较少(见图11-a)。

11-a 无底板方案 11-b 开孔底板方案 11-c 格栅底板方案图11 各底板方案结构内侧泥沙冲刷试验结果对比情况Fig.11 Comparison of sediment siltation condition in the structure for different bottom panel plans

(2)对于开孔底板方案，当恶劣天气条件波流共同作用相当于原型6 h后，结构内预填泥沙基本被全部冲走(见图11-b)。从试验现象观察，这是由于底板存在使得结构内预先淤积的泥沙高度较无底板时更高，受波流作用明显增大，泥沙起动明显，且呈现明显垂直向上运动，进而被冲出构件。

(3)对于格栅底板方案，当恶劣天气条件波流共同作用相当于原型6 h后，由于格栅可在结构底部创造多个缓流区，格栅底板方案结构内仍有泥沙存在，不过格栅表面预填的泥沙基本被全部冲走，结构内的泥沙主要存在于隔槽内和格栅下部(见图11-c)，且结构内迎浪(迎流)侧的泥沙冲刷程度相比后侧较大迎浪(迎流)侧隔槽内平均约剩余18%的泥沙，后侧隔槽内平均约剩余35%的泥沙。综合比较不同底板方案的结构内泥沙冲刷试验结果底板结构推荐格栅方案。

4.3 推荐方案试验

基于优化方案试验结果，结构开孔方案采用比选方案五(顶板包括350 mm和500 mm两种孔径、侧板350 mm孔径、前二后一交错开孔)，底板采用格栅方案，组成透水梯形结构的推荐方案。

为进一步研究推荐方案透水梯形结构的泥沙落淤效果，对其进行了平常条件下结构内侧的泥沙淤积试验。试验条件为：设计高水位为+4.32 m、涨急流v=0.87 m/s、平常波浪(H1/3=0.80 m)。当平常条件波流作用相当于原型1个月后，推荐结构内侧泥沙淤积情况见图12。

12-a 格栅表面和隔槽内泥沙状况 12-b 格栅下部泥沙状况图12 平常波流作用后结构内侧泥沙淤积情况Fig.12 Sediment siltation condition in the structure after wave and current action of the ordinary condition

由试验结果可见，对于推荐方案透水梯形结构，在平常条件波流共同作用下，结构内部发生泥沙淤积，淤积主要发生在隔槽内和格栅下部，格栅表面也有淤积；结构内后侧的泥沙淤积程度相比迎浪(迎流)侧较大。当平常条件波流累积作用相当于原型约1个月后，结构内部泥沙淤积最大厚度为0.48 m，平均淤积厚度为0.14 m，平均相对淤积厚度为11%，单个构件内的淤积量约为2.8 m3。可见，推荐方案透水梯形结构在平常条件波流共同作用下的泥沙淤积效果较好。

5 结语

(1)原方案透水梯形结构试验结果表明，波流作用下，该透水梯形结构内侧流速明显小于结构外侧流速，且结构后部及内侧发生泥沙淤积，可为生物提供栖息和避难场所。但是为适应不同水生生物对象的个体尺寸，并利于生物进出结构，对透水梯形结构进行了优化。

(2)优化方案对不同开孔结构和底板方案进行了比选。考虑利于生物进出结构，对结构前后侧板开孔后，结构内水流流速相比原方案明显变大，但是为有利于结构内侧的泥沙落淤，结构内流速不宜较大。对开孔结构的比选研究表明，减小结构前后侧的开孔孔径、减少开孔个数并将前后侧孔错开布置可减小结构内的水流流速；对底板方案的比选研究表明，格栅方案平常条件下淤积在结构内的泥沙在恶劣天气条件下的冲刷程度好于无底板方案和开孔底板方案。

(3)推荐方案透水梯形结构开孔方案采用比选方案五(顶板包括350 mm和500 mm两种孔径、侧板350 mm孔径、前二后一交错开孔)，底板采用格栅方案，推荐方案内侧泥沙淤积效果较好，可为类似工程提供参考。