新型方形薄壁生态护岸流速分布规律

2021-05-31谭顺钦

广东水利水电 2021年5期

谭顺钦，陈迪

(1.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；2. 长江勘测规划设计研究院，湖北武汉 430010)

1 概述

三峡水库蓄水后，长江中下游河道受清水下泄影响岸线发生普遍崩塌，对河道河势稳定产生明显不利影响，河道岸线的守护愈发重要。传统的河流护岸工程在设计上以水力学最佳水力半径的理论为基础，注重防洪固岸的功能性，以安全性、耐久性为优先[1]，多采用干砌块石、浆砌块石、现浇混凝土等材料修筑硬质护岸，阻隔了水—陆生态系统之间的联系，不利于内河生态环境的保护和水土保持，且外观单调生硬，多数情况下与周边的景观不协调，与目前生态友好型航道的发展趋势相违背[2-3]。随着绿色发展、可持续发展理念日渐深入人心，社会开始寻求既具有护坡基础功能，又具有自然、生态、景观功能并兼顾航道水质改善的护岸结构，生态护岸技术受到广泛关注。生态护岸在保证防洪能力、安全性、耐久性的前提下, 通过绿化护面层, 坡面多孔化、粗糙化, 近岸流态多样化等加强水域与陆域的物质能量交换，兼顾传统守护功能与生物效应，尽可能恢复和重建因航道开发导致的河岸带生态系统的退化，保证和提高沿岸带生物多样性。

发达国家早在20世纪30年代就提出了生态护岸理念并将其应用于实际。1938年，德国人Seifert率先提出“亲河川整治”概念，指出治理工程在满足传统功能外，应尽量接近自然。20世纪50年代，“近自然河道治理工程学”作为一项学科在德国被创立，提出河道的整治要符合植物化和生命化的原理[4]。随后的半个多世纪里生态护岸逐渐从理论走向实践，国内外许多学者通过现场观测、物理模型试验与数值模拟3种方式对生态护岸进行了不同层面的研究，并应用于实际工程。Kouwen N等通过一系列的水流试验，总结出了水生植物与水流彼此的影响，并根据水位高低将有水生植物的河岸分为3个水流区域[5]；Marco Ghisalberti等通过水槽试验模拟了海滩柔性水草水流过程[6]；李仟等通过仿真草皮与三棱柱砖块模拟生态护岸，采用水槽试验与数值模拟的方法研究了护岸糙率对河道行洪能力的影响[7]；周悦针对水位变幅大的河流进行了刚柔组合型植被消浪特性的模型试验，发现组合型防浪林在消浪效果与经济效益上都较单一型防浪林更合理[8]；广州市河涌治理工程采用三维土工网垫等与水生植物结合以增强护岸强度[9]；武夷山市将生态混凝土应用于防洪工程中；辽宁兴城通过大量种植盐生植物对河口海岸等进行生态整治，构建海岸生态防护带[10]。

现阶段关于生态护岸的成果主要是针对护岸结构的形式以及材料的选取，对护岸块体周围水流结构的研究较少。本文通过模型试验与理论分析相结合，重点研究分析护岸块体周围流速在流量、开孔率等因素影响下的变化规律，为该块体在实际工程中的应用提供一定参考。

2 模型试验

模型试验在重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心航道整治试验大厅进行，试验水槽尺寸为30 m×2.0 m×1.0 m(长×宽×高)，其中试验段为6.0 m，进口设9 m过渡段，出口设6 m过渡段，保证试验段水流平顺。试验采用旋浆流速采集系统测量水流平均流速，频率为30 Hz，采样时间为30 s，流速测点及断面布置见图1。

图1 流速测试断面及测点布置示意(单位：cm)

本次实验采用的是一种预制混凝土连锁块体结构，块体形式采用了一种新型方形薄壁开孔的镂空结构，该结构采用细砂混凝土预制，由上下两部分组成，通过正方矩形连接，同时护块上下面也为正方矩形，顶部开孔，上下两部分侧壁均由曲面构成，四面均有开孔，相比其他连锁块体结构能提供更多孔隙，与传统护岸的“隔断式”防护相比，该结构能将水—陆生态系统连接起来，同时具有较强的抗冲刷能力，块体中空部分可供植被生长或鱼类活动，增加了物种多样性(见图2)。

图2 护岸块体模型及试验布置示意

收集长江中游荆江河段典型岸坡破坏前的坡度范围，概化选取岸坡破坏的典型坡度，本次试验岸坡坡度选取为1：3，根据河段平面尺寸以及护岸结构尺寸，考虑试验水槽及供水系统实际情况，水槽概化模型仅模拟部分河岸，概化模型设计为正态，平面比尺λL=3，考虑重力相似与水流运动相似。长江中下游河道流速在0.5～3.0 m/s之间，据此本次实验共选取8组流量、3组水深、3种开孔率(顶部开孔平面尺寸占顶部平面投影尺寸的百分比)，通过组合有无护岸块体、不同开孔率(P=36%，P=53.8%，P=75.1%)和不同水流条件共进行了32组工况的试验(见表1)。

表1 水深流量组合

3 断面流速分析

流速作为描述河流水动力学特征最基本的参数，是河道水流特性的研究基础，而护岸块体对岸坡的守护效果主要体现在阻滞水流、减小岸坡附近的流速，流速分布的变化可以反映出护岸块体在空间上对水流结构的影响，分析岸坡附近流速的变化规律十分必要。

3.1 护岸上游流速变化

图3为部分工况下护坡上游1#横断面流速分布情况示意，由图3可得： 1#横断面尚未进入防护区，未护坡与护坡后断面流速变化趋势基本一致，从右岸开始逐渐增大，受岸坡的影响，在距右岸30 cm(3断面)附近达到最大值后逐步减小至右岸初始流速，3种块体没有明显的区别。

图3 不同工况下横断面1#流速分布示意

当控制水深较低(H=10 cm)时，受到护岸结构上游壅水的影响，护坡后断面整体流速略小于护坡前。随着控制水深与流量的增大，护坡前后断面流速差异减小，说明水深越大断面流速所受上游壅水的影响越小；受护岸块体的扰流作用，岸坡附近靠近左岸的几个测点流速变化幅度随水深增加而增大。

3.2 护岸中游流速变化

图4为部分工况下护坡中游8#横断面流速分布情况示意。由图4可得：与护坡上游相比，各工况下护坡中游横断面流速分布出现较大变化，整体趋势依然是先增大后减小，但8#横断面受上游壅水影响较小且已进入防护区，护岸块体明显改变了水流结构，影响了断面流速的分布。

图4 不同工况下横断面8#流速分布示意

护坡前断面流速变化幅度较小，从右岸至左岸整体较为平稳。铺设护岸块体后断面流速分布明显改变，断面流速变化幅度显著增大，主流区流速增大，流速最大值出现在距右岸40 cm(坡脚)附近；当水流继续向左流过岸坡时，受到护岸块体的扰流作用，被阻滞的水流从块体缝隙间穿过，水流动量被大量消耗，水流流速在岸坡与主槽交界附近急剧减小，并沿程持续减小；最终形成以纵4#断面为分界线，向左为岸坡，护坡后流速显著减小，向右为主槽，护坡后流速明显增大。护岸块体对水流结构的影响不仅体现在对边坡上水流的减速效果，同时还能够影响主流区的流速。

当水深、流量较小时，水流紊动较弱，岸坡上几个测点流速变化幅度较小，但随着水深、流量的增加，水流紊动更加剧烈，岸坡附近流速波动明显变大。比较3种块体对岸坡上水流的减速效果，从图中可以看出开孔率P=75.1%块体的减速效果较好。

3.3 护岸下游流速变化

图5为部分工况下护坡下游14#横断面流速分布情况示意。由图5可得：虽然14#横断面处于防护区下游，但其各工况下断面流速变化趋势与护坡中游8#横断面流速变化趋势基本一致，综合分析说明护岸块体不只影响防护区内部的水流结构，还会对防护区下游一定范围内的水域产生影响。比较3种块体对岸坡上水流的减速效果，从图中可以看出开孔率P=75.1%块体的减速效果较好。

分析以上流速变化的原因：生态护岸块体同时具有透水性与阻水性两种特性，透水性是使水—陆生态系统平稳过渡、实现“亲水防护”生态效果的关键；阻水性则是保护岸坡免遭水流强力冲刷的根本[11]。铺设护岸块体实质上是在岸坡近底形成了大量的孔隙，加大了岸坡近底糙率并加强了阻水性，当水体流过时能够充分的分散水流，形成无数细小的涡流，产生绕流阻力阻碍水流的运动，从而使水体能量更多的耗散，进而形成了近底低流速带[12]；近底低流速带形成的同时会对高流速带进行顶冲，引发剧烈的紊流运动，导致紊流切应力重分布，改变了局部水流结构，使得主流线向右岸偏移，从而大大减少了高速水流对河床的直接冲刷，达到护岸块体防冲促淤、守护岸坡的目的。