局部阻水物附近水流结构研究综述

姚仕明 曹向楠 丁 兵

(长江科学院河流研究所，湖北 武汉 430010)

随着我国经济社会的快速发展，河道中各种不同用途、形式各样的阻水建筑物越来越多，规模也越来越大。如：用于交通运输的跨江大桥；用于航运的港口、船舶；用于防洪导流的丁群坝、透水桩；用于生态环保建设的人工鱼礁等。本文将河道中人工修建的阻碍河道水流流动的物体统称为阻水物。这些阻水物的存在及规模的扩大，显著改变了河道水流流态及泥沙输移规律。阻水物附近水流结构对于河道演变规律研究、河道治理与保护、河道防洪以及航运发展等都至关重要。目前许多学者开展了局部阻水物的水流结构方面的研究，观点也不尽一致，因此有必要对阻水物附近水流水位、流场、流速分布等水流结构方面的研究成果进行全面阐述与分析并提出后续研究建议，为后续研究以及河流治理与保护提供技术支撑。为了便于分析，本文将河道中较为常见的各式局部阻水物(局部阻碍水流运动的物体，不包括直接将河道截断的大坝、水闸、船闸等)归纳整理，按照阻水形式及在河道中水流垂向上所处的位置分为三类：贯穿式阻水物(阻水物底部与河道底部相接，阻水物的上部露出水面，阻水物不会全部被淹没)、河道底部阻水物(阻水物全部淹没于河道底部)以及河道上部阻水物(阻水物漂浮于河道水流上部)。

1 贯穿式阻水物

河道中存在着许多贯穿式的阻水物，如人工修建的各种涉河建筑物：桥梁、非淹没丁坝等。下文将围绕水位以及流场两个方面总结典型贯穿式阻水物对于水流结构的影响。

1.1 水位

河道水流过阻水物时过水断面面积减少，水流流速发生变化，会引起局部水位壅高。对于贯穿式阻水物水位的研究，出于河道防洪治理等方面的需要，多以壅水水位计算公式的推导为主，探讨主要的影响因素。

1.1.1 桥墩

桥墩引起的河道局部壅水一般发生在桥梁的上游，其最大壅水高度与河道中的水流流量、水流流速、河道水深、河道宽度、河道糙率以及桥梁的阻水面积和桥梁的桥墩桥台形式等因素有关[1]。研究人员通过对桥墩开展物理模型实验、数值模拟研究以及理论推导来研究桥墩引起的河道水位变化，推导出适用于不同情况的水面壅高计算公式。目前在防洪评价中，与河道正交的桥墩所产生的水位壅高计算运用比较广泛的计算公式有陆浩公式[1-2]、实用水力学公式[3]、Yarnell公式[3]、道不松(D’Aubuioson)公式[3]以及Henderson公式[3]等。

1.1.1.1 陆浩公式

(1)

式中：ΔZ为桥墩的最大壅水高度，m；KN为定床壅水系数；KV为建桥后壅水系数；Vq为建桥后平均流速，m/s；Voq为建桥前平均流速，m/s。

1.1.1.2 实用水力学公式

(2)

式中:α为动能校正系数；V为天然河道断面平均流速，m/s；ε为过水断面收缩系数；∑b为建桥后过水断面总宽，m；B为无桥墩时水面宽，m；h为建桥前断面平均水深，m。

1.1.1.3 Yarnell公式

(3)

式中:KY为墩形系数；V3为桥后平均流速，m/s；α为阻水比。

1.1.1.4 道不松(D’Aubuioson)公式

(4)

1.1.1.5 Henderson公式

(5)

式中:η为桥墩壅水系数；V2为建桥后平均流速，m/s；V1为建桥前平均流速，m/s。

图1 最大壅水高度ΔZ随平均流速的变化

1.1.2 丁坝

非淹没丁坝作为河道中常用的航道整治建筑物，其用来束窄河床，阻挡水流，降低水流流速，壅高上游水位。相关研究表明非淹没丁坝的水面高程与丁坝的束窄度相关，在束窄度较小时，水位会降低，大约在束窄度(丁坝阻挡的过水面积与丁坝断面总过水面积的比值)为30%时，丁坝断面处的水位最低，然后上升，束窄度为60%左右时，丁坝断面水位与无丁坝水面水位基本一致，之后水位一直上升[6]。透水丁坝同传统丁坝一样,会使河道丁坝处上游水位局部壅高。透水丁坝局部壅水高度的研究最初借鉴了传统丁坝与墩柱的壅水研究结果。相关研究表明透水正挑丁坝壅水高度与河道水深成正比,随坝长或弗劳德数的增大而增大,而增大透水率则会导致壅水高度的减小[7]。根据水力学原理，丁坝的水位壅高计算一般可下按下式进行：

(6)

式中：ΔZ为丁坝的最大壅水高度，m；V2为丁坝坝后水流平稳处断面平均流速，m/s；V1为丁坝坝前水流平稳处的断面平均流速，m/s；hw为丁坝的局部水头损失，m。

由式(6)可以看出，丁坝的壅水计算主要在于确定局部水头损失，传统丁坝的壅水计算可按下式计算：

(7)

式中：Qb为丁坝阻挡的流量，m3/s；Q为天然河道流量，m3/s；V0天然河道坝头处流速，m/s。

透水丁坝的局部水头损失计算目前一般有拦污栅水头损失[8]与下游断面突然扩大水头损失[9]两种方法，两者在实际运用中各有利弊，都存在一定缺陷，对于透水丁坝局部水头损失的研究还有待更加深入。

1.2 流场

河道中由于贯穿式阻水物的存在，在阻水物附近的水流结构会发生变化，水流途径阻水物时产生的绕流流场一直是研究的重点，下文将选取桥墩以及丁坝这两类典型的贯穿式阻水物展开分析。

1.2.1 桥墩

桥墩附近绕流流场变化一直是桥梁研究者关注的重点。目前，桥墩单墩附近的水流结构一般可以分为墩前向下水流、墩前水面涌波、马蹄形旋涡和尾流旋涡四部分。双墩在单墩的基础上，在两墩之间存在上升流，在河床底部形成共脱落流态，水面形成再附着流态[10-13]。桥墩单墩附近的水流流场如图2[14]所示。河道水流流经桥墩形成的向下水流、马蹄形旋涡以及尾涡一般认为是造成桥墩局部冲刷的重要原因。

图2 墩柱周围流场

河道水流的行近流速呈不均匀分布，自水面以下逐渐减少，在河床床面处为零，流经桥墩时会形成向下的压力梯度，向下的压力梯度使水流向下运动，从而形成墩前向下水流。对向下水流的研究进行统计，见表1。从表1可以看出(仅限试验数据)，在没有冲刷坑形成的时候，墩前最大向下水流流速为行近流速的0.30～0.40，距墩柱表面大约0.02～0.05倍墩径，距床面的距离数据比较分散；在形成冲刷坑的情况下，墩前表面附近最大向下水流流速达到了行近流速的0.80～0.95倍，其距床面的距离数据比较分散。

表1 墩前最大向下水流(竖直对称面)研究统计

桥墩尾流流态研究是桥梁研究的热点，桥墩尾流旋涡与雷诺数、桥墩排列形式、排列间距、桥墩的直径等密切相关。本文选取了部分较为典型的双圆柱绕流时尾流流态的研究成果，其对比结果见表2。

表2 双圆柱绕流时尾流流态的研究成果

此外，王珠桥[23]还研究了不同截面型式的桥墩周围的流场。研究发现：不管是类椭圆形桥墩(前半圆形、后半圆形、圆端形)，还是方形桥墩，它们的流场变化规律一致，在桥墩的上游侧出现马蹄形涡、在桥墩下游出现尾涡，且有明显的脱落现象。桥墩周围的最大横向时均流速约为最大来流流速的42%。

1.2.2 丁坝

研究人员通过大量的实验研究将非淹没丁坝周围的流场划分为上游壅水区、坝后回流区以及流速恢复区三部分[24]。随着对坝后回流区研究的深入发展，坝后回流区又可以分为主流区(AB线以外，流量等于河槽初始流量)、回流正流区和回流负流区(以流速等于0的AC线为界)[25]，见图3。

图3 丁坝回流区分布

在丁坝流场分布研究工作中，丁坝回流尺度研究一直是热点之一。韩玉芳[26]对于非淹没丁坝绕流的流场开展了一系列的水槽实验，提出了有效影响长度的概念，即丁坝的回流区长度。对于丁坝的回流区长度，相关研究发现，丁坝的坝长越长、水深越深，则回流区长度越长；糙率越大，回流区长度越短[27-28]。为了确定丁坝的合理布置间距，往往需要确定丁坝的回流尺度，为此，窦国仁[29]通过水槽实验并结合理论推导出了回流区长度的计算公式：

(8)

式中：l为非淹没丁坝回流区长度，m；C0为谢才系数；H为河道水深，m；B为河道宽度，m；D为丁坝长度，m。

李国斌[28]等在窦国仁的基础上推导出了非淹没丁坝下游回流区长度及最大回流宽度计算公式[见式(9)和式(10)]，并指出回流区长度还与河宽缩窄率、面积缩窄率有关。

(9)

(10)

式中：l为非淹没丁坝回流区长度，m；C0为谢才系数；H为河道水深，m；(A-A′)/A为面积缩窄率；bmax为回流区最大宽度，m；B为河道宽度，m；D为丁坝长度，m。

透水丁坝流场分布与传统丁坝类似，相关研究发现其回流区长度的影响因素与传统丁坝类似，但其长度略小于传统丁坝[30]。不同于传统丁坝的是：周银军等[31]通过水槽实验发现透水丁坝的回流区长度还随来流弗劳德数增大而增大，但随着透水率的增大而逐渐减小,而且当透水率在20%～30%时,其坝后回流现象消失。此外，李苏[32]研究了透水丁坝对弯道水流的影响，研究发现：随着透水率的增大,弯道中坝后回流区范围均不断减小，当透水率增大到35%时,透水丁坝已不能抑制整个弯道的二次流的发展;当透水率增大到45%时,坝后几乎无回流产生。

2 河道底部阻水物

河道中除了贯穿式的阻水物外，在河道的底部还存在着淹没式阻水物，它们对于河道的水流结构同样存在不容忽视的影响。下文将以淹没式丁坝为主，分别探讨其对于水位、流场的影响。

2.1 水位

在河道整治过程中，存在于河道底部的淹没式丁坝也得到了大量运用。对于淹没式丁坝，研究人员开展了物理模型实验以及数值模拟研究来探讨淹没式丁坝的壅水规律。与非淹没丁坝相比，淹没式丁坝的水位在坝头与上游侧的水位壅高一般都较低，但下游水位仍然有明显跌落的现象出现。相关研究认为淹没式丁坝产生的壅水高度随着丁坝数量的增加而增加，但其壅水作用会逐渐减弱；还随流量压缩比、佛劳德数增大而增大，随着淹没程度(Δh/h，其中Δh为丁坝坝顶到水面的距离，m，h为河道水深，m)的增加而减少[33]。而且在淹没式丁坝群坝间淤积后，淹没式丁坝的水位壅高值与流量、丁坝的个数及整治线宽度之间满足近似正态分布函数关系[34]：

(11)

式中：ΔZ为淹没式丁坝的最大壅水高度，m；ε为丁坝群的压缩比；σ为计算河段丁坝群总数与计算水位断面处下游丁坝数的比值；X为任意级流量与整治流量的比值。

此外，顾杰等[35]采用超声波水位和PIV流速测量技术研究发现随着水力坡度的增大，丁坝附近的水位、横比降、淹没程度和丁坝迎水面与背水面的水位差逐渐减小，最高壅水位的位置向下移动，水位恢复点的位置向上移动。陈国祥等[33]通过实验得到了淹没式丁坝壅水计算的半经验公式[见式(12)]，但该式仅适用于顺直河床、丁坝与河床正交且河道水流处于缓流的情况，在于天然河道中淹没式丁坝的壅水高度计算还有待深入研究。

(12)

式中：ΔZ为淹没式丁坝的最大壅水高度，m；ε为比能增值系数；V0为断面平均流速，m/s；Fr为弗劳德数。

近年来，闫杰超等[36]通过研究得到了齿型丁坝壅水预测模型，得到壅水计算公式：

(13)

式中：h1为上游水深，m；Fr1为断面1处的弗劳德数;Ar=A/(Bh1)为阻水比；CD为水流阻力系数，按式(14)计算：

(14)

式中：k=8.2,为形状阻力平均值；P为坝高，m；h为水深，m；L为坝长，m；B为河宽，m。

2.2 流场

非淹没丁坝的水流流场在平面上一般分为上游壅水区、坝后回流区以及流速恢复区三大部分，淹没式丁坝的水平面水流流场与非淹没丁坝类似。而在纵剖面上，由于淹没式丁坝坝顶溢流的存在，其一般可以分为底流与面流两部分，坝顶上的面流基本保持水流方向不变，底流在绕过坝顶后会形成回流区[37]，见图4(图中Δh为丁坝坝顶到水面的距离，m；h为河道水深，m；h0为丁坝高度，m；B为河道宽度，m；L0为丁坝的宽度，m)。

图4 淹没丁坝水流结构示意图[37]

在淹没式丁坝的水平面流场分布研究中，贾国珍等[38]通过水槽实验研究发现：淹没式丁坝坝后也存在明显的回流区,但是在回流区内同时存在尺度大致相同的竖轴漩涡和横轴漩涡。与非淹没丁坝相比，淹没式丁坝在坝头绕流的同时还存在坝顶溢流，其强弱与丁坝的淹没程度密切相关。于守兵[39]通过研究指出淹没程度等于0.17时，丁坝下游仍出现回流区，淹没程度大于0.17时，回流区则会消失，而且淹没式丁坝对于坝顶水流的调节作用随着淹没程度的增加而减少。此外，通过研究不同型式淹没式丁坝在不同工况下的水流流场分布发现：伸勾头丁坝对水流挑流影响最小；T形丁坝对水流流向改变较大，坝头处水流流速最大；下伸勾头丁坝坝身后存在回流漩涡与方向不同的两个横轴漩涡[40-42]。

此外，王世鹏等[43]还通过PIV研究了淹没阶梯形丁坝的水流流场，淹没式丁坝的各典型剖面纵向时均流速的垂线分布见图5(图中剖面1、2、3、4分别位于丁坝内侧、二级丁坝坝头、一级丁坝坝头以及丁坝外侧；1～6号垂线,沿程相对位置为-0.6、-0.4、-0.2、0.2、0.4、0.6)。通过图5可以发现：在剖面1处，上游1～3号垂线在流量较小时，相对水深y+≤0.6的u+基本保持为某一负值，y+>0.6时u+随y+的增大而增大，在二级坝顶附近达到最大值，下游4～6号垂线分布趋势总体相似；剖面2处的情况与剖面1相似；剖面3处u+分布曲线呈“⊃”状，这是由于丁坝坝头对于水流阻挡作用较小造成的；剖面4处u+垂线分布均呈“近槽底明显增大、中间区趋于稳定、水面区明显减小”的变化趋势。

图5 纵向时均流速的垂线分布

3 河道上部阻水物

随着长江航道整治不断进行，长江通航能力大幅提升，通航船只也在向着标准化、大型化发展。航道中日益增多的船只已经成为一种不容忽视的阻水物。停泊船只作为河道上部的重要阻水物，其对河道的影响应该受到研究人员的重视，但目前国内外有关研究主要关注于河道水流、岸壁对船舶的影响以及船舶之间的相互作用。国内外关于停泊船只对河道影响的相关研究还较少，基本还处于起步阶段。

杨庆华[44]通过水槽实验，提出用阻塞比(停泊船只引起的上下游水位差与船只吃水深之比)衡量停泊船只吃水深对河道的影响，研究发现：在同样河道宽度条件下，船只吃水越深，阻塞比越大；在相同吃水深条件下，河道越窄，阻塞比越大。周利兰[45]研究了高速船的船行波以及其产生的尾浪，运用近、远域相结合的方法计算尾浪的规模，提出尾浪过高可能危及建筑物、冲刷堤岸以及掀翻船只，作者分析了水深、船型、速度等对尾浪大小的影响以及尾浪对停泊船只的影响，没有分析船舶尾浪对河道中建筑物、河道岸壁的影响。于龙飞[46]通过数值模拟的方法研究了巴拿马型散货船的流场，其球鼻艏横剖面、船尾横剖面以及船舶中纵剖面的等流速线图见图6。

图6 船舶等流速线分布图

4 展 望

本文将河道中的常见局部阻水物按照阻水形式及在河道中水流垂向上所处的位置，分为贯穿式阻水物、河道底部阻水物以及河道上部阻水物三类。根据上述分类，本文主要对各阻水物关于河道水面壅高的影响因素、计算公式、流场的分区划分以及影响因素等方面研究进行了归纳总结。研究人员对河道中阻水物开展的研究，取得了较为丰富的成果，但仍然面临许多问题。在此，对未来的研究方向进行展望。

a.对于贯穿式阻水物、河道底部阻水物、河道上部阻水物的河道水流结构的差异化以及统一性研究还有待进一步展开，通过开展不同形式阻水物对河道水流影响的异同研究，将有助于在不同的阻水物之间探索出统一的阻水规律，揭示阻水物的普适性阻水机理。

b.对于河道贯穿式阻水物的河道水位、流场方面的研究取得了较多的成果，但在一些方面还有待深入研究，如相对于传统非淹没丁坝的回流区研究而言，非淹没丁坝恢复区的尺度研究还较少，还有待深入研究；在透水丁坝的水面壅高计算中，水头损失的假设还存在不足，还有待进一步研究。

c.河道底部阻水物相对于贯穿式阻水物对于河道水流结构的影响更加复杂，相关研究还存在完善的空间。淹没式丁坝的水位壅高计算公式的推导多基于半理论半经验，与天然河道的实际条件还存在一定的差异，还有待进一步研究完善。

d.对于河道上部阻水物对河道水流结构的影响研究还有待加强。随着航运的不断发展，河道中的船舶与日俱增，而且船舶向着标准化、大型化发展，使船舶对河道水流结构的影响正在逐步提升。大型船舶引起的河道水位壅高、河道水流流场变化以及可能引起的河道河床局部冲淤等有望成为研究的热点，取得更加丰富的研究成果。