潮汐河口壩田長寬比對泥沙淤積特征影響試驗研究

2020-08-14 09:45:56張功瑾羅小峰路川藤白一冰

海洋工程 2020年4期

張功瑾，羅小峰，路川藤，白一冰

(南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210029)

在航道治理工程中，常用丁壩群來實現工程整治的效果。一般將兩相鄰丁壩間的區域(丁壩與壩頭連線、與壩根相連的河岸或導堤組成的區域)稱為壩田。對于不同長寬比的壩田內的流態也存在差別[1]，但一般壩田內均會出現2個環流(如圖1所示)，包括直接由與主流的動量交換驅動的主環流和由主環流驅動的副環流[2]。

圖1 丁壩壩田流態示意[1]Fig. 1 Flow pattern of spur dike field [1]

從上游丁壩頭部分離的大渦體，沿著主槽～壩田界面前行并逐漸融入主環流，成為造成動量、質量交換的主要動因。壩田與主槽之間的泥沙存在交換，丁壩壩田通常為緩流區，是泥沙易于淤積的場所[3]。丁壩建成初期，丁壩壩田是泥沙的匯。丁壩群壩田回流區的水流結構復雜，回流區的泥沙淤積和壩頭沖刷問題也相對變得復雜，壩田內的泥沙沖淤主要受丁壩布置參數(挑角、長寬比、壩長、淹沒程度)和河道或水槽的水沙動力條件(水深、來流流速、來流角度、含沙量、泥沙粒徑)影響[4-7]。在航道整治工程中，壩田促淤效果直接決定航道的整治效果，高先剛等[8]、Karami等[9]、常福田[10]、蔣煥章和蘇治平[11]等從壩田長寬比對壩后回流長度、壩田淤積、壩田流態等方面的影響均做了試驗研究，表明在一定的水沙條件下，壩田的長寬比直接影響壩田的促淤效果，但其研究均限于定向流水槽試驗。路川藤等[12]研究長江口北槽壩田污染物擴散發現，壩田釋放污染源后，污染物隨漲落潮流在壩田與主槽內運動，污染物進入航道的量較少。此外，Uijttewaal[13]、Volker等[2]均通過物理模型釋放染料濃度研究了壩田長寬比對壩田及主槽染料濃度衰減的影響，Yossef和Vriend[14]通過物理模型試驗分析了壩田與主槽之間的水沙交換系數。已有的研究已經表明壩田長寬比的設計對主流流速、壩田淤積以及壩田與主槽的水沙交換均有一定的影響，并進行了物理模型試驗研究，但多數以單向流水槽試驗為主。因此，研究往復流條件下壩田長寬比的設計對壩田促淤效果的影響，對潮汐河口航道整治工程中丁壩群的布設具有一定的理論意義和工程應用價值。

1 典型壩田淤積

長江口深水航道治理工程分三期實施(圖2)，共建設丁壩19座，形成17座壩田，其中北側壩田9座(TM1-TM9)，南側壩田8座(TS1-TS8)。隨著一至三期工程的建設，南北側各壩田形成時間有所不同。

圖2 北槽丁壩群壩田示意Fig. 2 Schematic diagram of dam fields of North Channel of the Yangtze River estuary

通過對1998年長江口深水航道治理工程丁壩群建設以來歷年實測水深數據的分析，以2002—2009二期工程建設以來北槽丁壩群壩田的沖淤分布為例，北槽壩田呈現迅速淤漲的特征，并隨著丁壩的延長而持續調整淤積區域和淤積速度。以長江口北槽南側壩田中TS1、TS4、TS5、TS8(長寬比分別為0.16、0.26、0.36和0.51)為例，分析在壩田形成初期(形成1年、2年、3年)的相對淤積厚度(如圖3所示)。

圖3 壩田初期相對淤積厚度Fig. 3 Relative siltation thickness at the initial stage of dam field

對應不同長寬比W/L(W：丁壩長度；L：丁壩間距)的壩田，初期快速淤積過程中的淤積速率均不相同。如圖3所示，在長江口北槽壩田淤積初期(前3年)，長寬比為0.36的壩田累積相對淤積厚度最大，達到壩田容積的72%；長寬比為0.16的壩田累積相對淤積厚度最小，僅為壩田容積的50%。在壩田建成后的淤積初期階段，表現為長寬比為0.36的壩田內的平均淤積強度最大。

2 概化試驗水槽試驗

針對長江口北槽丁壩群壩田TS8，采用概化模型進行研究(如圖4所示)，試驗水槽尺寸為30 m×5 m(長×寬)，其中有效長度為25 m，受水槽尺寸的限制，物理模型設計為小變率變態模型，根據北槽S8、S9丁壩及水沙動力條件，通過模型比尺計算，模型丁壩采用高10 cm、長80 cm的不透水丁壩，兩條丁壩分別記為A和B。含沙量控制在2 kg/m3，最大流速20 cm/s，潮周期100 min，試驗進行8個周期。

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

在懸沙模型中，采用渾水循環系統，包括渾水水庫、加沙泵、輸沙管道及回水管等，輸沙管道的布置見圖4。為保證模型水體含沙量能夠達到要求，采用全潮加沙。模型采用光電式非接觸水位儀和旋漿流速儀。大范圍的流場則通過流場實時測量系統(VDMS)，地形測量采用超聲三維地形自動測量分析系統(TTMS)。

圖5 水槽試驗丁壩長度80 cm時粒子攝像Fig. 5 Particle image when the length of groyne in flume test is 80 cm

圖6 水槽試驗丁壩長度100 cm時粒子攝像Fig. 6 Particle image when the length of groyne in flume test is 100 cm

2.1 環流形態

如圖7和圖8所示，在漲潮時刻，長寬比為0.50的壩田出現上下兩個環流，其中上方的環流直接與主流進行動量交換，下方的環流受上方環流的驅動；而同一時刻長寬比為0.33的壩田內只出現了一個環流，說明不同長寬比的壩田內可能存在1或2個環流，其中驅動著壩田與主流進行水沙交換的主要環流為主環流，長寬比為0.50的壩田上方環流為主環流，長寬比為0.33的壩田內的環流即為主環流。

圖8 漲急時刻長寬比0.33壩田流態圖Fig. 8 Flow pattern of dam field with aspect ratio of 0.33 at the time of maximum velocity of flood tide

2.2 淤積形態

受壩田內環流的影響，如圖9和圖10所示，長寬比為0.50的壩田內淤積的主要部位即為主環流所在位置(壩田偏外側)，而在副環流位置，則出現微淤或沖刷的趨勢；而長寬比為0.33的壩田內的淤積分布相對比較均勻。

圖9 長寬比0.50壩田淤積厚度等值線圖Fig. 9 Contour map of siltation shape and thickness of dam field with length-width ratio of 0.50

圖10 長寬比0.33壩田淤積厚度等值線圖Fig. 10 Contour map of siltation shape and thickness of dam field with length-width ratio of 0.33

2.3 淤積過程

如圖11所示，長寬比為0.50和0.33的壩田內的淤積過程基本相似，均為初期快，后期減緩直至平衡；但無論初期還是后期，長寬比為0.33的壩田內淤積速率明顯大于長寬比為0.50的壩田，但長寬比為0.33的壩田達到淤積拐點(淤積速率明顯減小)的時間也長于長寬比為0.50的壩田。

圖11 不同長寬比壩田累積淤積過程(水槽試驗)Fig. 11 Cumulative deposition process of dam field with different aspect ratios (flume test)

3 壩田長寬比對壩田泥沙淤積影響分析

3.1 回流尺度

對比不同時刻壩田長寬比0.33和0.50時壩田內的流場，發現其壩田內回流尺度與主流流速基本無關，而與壩田長寬比有關，這與岳建平[20]在研究港池回流時的結論一致，即隨著壩田長寬比的減小，其壩田內回流中心也逐漸向壩田內側移動。

不同長寬比的壩田內的流態也存在差別，但一般壩田內均會出現2個環流，包括直接由與主流的動量交換驅動的主環流和由主環流驅動的副環流。通過觀測回流尾部水流流向的變化，確定水流在時均意義上的流向分離點，進而確定回流長度。主環流的環流長度Lr和壩田長度L之比，稱為壩田相對回流長度(見圖12所示)。長寬比為0.5的壩田內的相對回流長度為1，而長寬比為0.33的壩田內相對回流長度為0.8～0.9。

圖12 不同長寬比壩田內回流中心位置示意Fig. 12 Location of backflow center in dam field with different aspect ratios

3.2 回流強度

回流強度是表征回流的一個重要物理量，一般以整個壩田平均流速表示。壩田內回流的平均流速越大，回流強度就越大，在潮汐河口地區，漲急時回流強度達到最大，以后又慢慢減弱至消失；漲轉落時，口門處又出現一個反向回流，落急時反向回流強度達到最大。

一個潮周期內，如圖13所示，長寬比為0.50壩田內的平均回流強度為0.66 cm/s，而長寬比為0.33壩田內的平均回流強度為0.73 cm/s，長寬比為0.33壩田內的平均回流強度是長寬比為0.50壩田回流強度的1.11倍，而長寬比為0.33壩田內的平均淤積強度是長寬比為0.50壩田內平均淤積強度的1.16倍(同一時段壩田的相對淤積厚度之比)。可以判斷，不同長寬比壩田內回流強度是直接影響其淤積強度的主要因素之一，在一定水沙條件下壩田內回流強度與淤積強度成正相關關系。

圖13 不同長寬比壩田回流速度變化過程(3-9和16-23時刻為落潮，9-16和23-3時刻為漲潮)Fig. 13 Distribution of backflow intensity process in batian with different aspect ratios

3.3 壩田與主槽水沙交換對淤積的影響

由于壩田中的水體基本處于半停滯狀態，其與主流的動量和質量交換，主要是橫向的紊動交換。這種交換通常包括兩種過程，即動量和質量經過界面混合層的交換和環流中心指向混合層界面的紊動輸運。壩田長寬比的不同直接決定了壩田內水流的性質，根據兩種長寬比壩田的水槽試驗過程，討論壩田與主槽水沙交換對壩田淤積的影響。

根據Volker等[2]提出的理論模型，考慮主流與壩田區的交換為一階過程，根據物質守恒，對壩田為：

(1)

式中：M為壩田區溶解質質量；E為經壩田長度平均的進入主流的速度，即交換速度；hE為壩田進口水深；CD和CS分別為壩田區和主流的溶解物濃度。

假定交換速度正比于主流流速U：

E=kU

(2)

將上式代入示蹤物質質量M=CDLWhD，hD為壩田平均水深，并代入式(1)，得到壩田區平均濃度變化的通用公式：

(3)

式中：k為無因次進入系數。引入有量綱交換系數KD(1/時間)

(4)

在某一時刻，一些流體進入壩田而另一些則流出壩田。于是經過壩田口門長度平均的瞬時進入速度E′為：

(5)

由式(5)計算得到2種長寬比壩田潮周期內壩田與主槽的水沙交換系數KD，均在0.02～0.04之間；與Volker Weitbrecht通過大量物理模型試驗得出K0值的變化范圍為0.014～0.051相近。其中在漲急時刻，長寬比為0.33和0.50的壩田與主槽交換系數分別為0.026和0.024；落急時刻，長寬比為0.33和0.50的壩田與主槽交換系數分別為0.031和0.035；長寬比為0.33的壩田全潮平均交換系數為0.030，大于長寬比為0.50的壩田交換系數0.028。如圖11所示，潮周期內長寬比為0.33的壩田平均淤積厚度也明顯大于長寬比為0.50的壩田的淤積厚度，與其壩田與主槽的交換系數成一定的正相關關系，這是由于壩田和主流之間，由于壩田內的水動力較弱，而且壩田回流利于泥沙落淤，隨著壩田與主槽的水體交換的增強，進一步加大懸沙近底濃度和垂線平均濃度，也增加了指向壩田的凈輸沙。說明壩田口門較大的寬度(長寬比較小)有利于河流與壩田之間的水沙交換和壩田內環流的形成，利于壩田淤積。由于試驗條件和場地等限制，僅試驗了往復流條件下長寬比0.33和0.50兩組試驗，后續需增加試驗組次，并增加模型變率敏感性分析，深入研究和驗證壩田長寬比與壩田淤積強度的關系，并結合三維數值模擬試驗闡述其影響機制。