仿生型柔性促淤護灘結構在漢江河口段航道整治工程中的試驗研究

王欣霖，張 誠

(1.長江航道規劃設計研究院，湖北 武漢 430011；2.長江航道測量中心，湖北 武漢 430010)

在長江航道整治工程中對關鍵洲灘守護多使用軟體排，因軟體排適應河床變形能力較強，能有效護底固灘[1]。軟體排多采用塊石或透水框架等偏剛性的結構壓載抗掀。剛性透水框架既阻水又透水[2]，消能促淤效果良好[3]，且便于工廠化大批量生產，施工簡單，所以應用廣泛。但是該結構也存在不足:1)偏剛性的結構適應局部沖刷變形的能力欠佳，而且當拋投量較小或遇強水流時，促淤效果較差；2)預制需要專門場地，運輸效率偏低；3)多層透水框架拋投時，層與層之間的鉤連性較弱，難以達到理想的堆積高度，經濟性較差。為此，漢江河口段整治工程研究中提出一種介于剛性和柔性之間的結構形式——仿生型柔性促淤護灘結構。該結構由促淤網箱和柔性三維網片兩部分組成，整體由輕質柔軟的網面構成。它兼具剛性和一定的變形能力，結構輕便，可在施工現場組裝，施工簡易。

為給該結構的工程應用提供理論支撐，通過動床水槽試驗對該結構防沖促淤的特性進行研究，在模型試驗結果良好的基礎上，將其首次應用于漢江河口段航道整治工程白鴿嘴灘段中并通過工程現場試驗檢驗研究成果。

1 工程概況

漢江河口段位于湖北武漢市，上起蔡甸，下至南岸嘴，全長33 km，與長江河軸線約成67°交角。從河道形態看，該河段由一系列單一彎道和介乎其間的過渡段組成。根據河道的平面特性，將本河段分為張家臺、熊家臺、胡家臺、白鴿嘴、舵落口、黃金口、閻王嘴、四明和月湖共9 個灘段(圖1)。

圖1 漢江河口段河勢

河段受上游來水來沙、下游長江頂托及大型水利工程的影響，枯水期水動力減弱，中水歷時縮短，洪水期削幅有限的大洪峰對河床的沖淤影響將因常規洪峰的幾近消失而強化。河床總體呈現洪淤枯沖，河段內流速變幅較大。河床以粉細砂為主，易沖刷。河床質中值粒徑為0.09～0.12 mm，懸移質中值粒徑為0.015～0.10 mm。

漢江河口段航道整治工程設計流速3.65 m∕s，設計低水位12.18 m，施工水位14.18 m。

2 仿生型柔性促淤護灘結構

仿生型柔性促淤護灘結構由促淤網箱和柔性網片兩部分組成。網箱尺寸為2.0 m×1.0 m×0.3 m(長×寬×高)，柔性網片尺寸為1.0 m×1.3 m(長×高)，柔性網片長邊固定于網箱寬邊，其余部位不再固定(圖2)。網箱蓋板及柔性網片選用加筋三維網，其余部分采用六邊形雙絞合鋼絲網，網箱內裝填塊石。加筋三維網由六邊雙絞合鋼絲網熱黏聚丙烯復合而成，鋼絲采用鍍高爾凡覆聚酰胺。

圖2 原型構件

3 試驗及結果

3.1 試驗

試驗在長26 m、寬3.2 m、高0.6 m 的玻璃水槽內進行，流速測量儀器采用50 Hz ADV，共布置7 條流速斷面，10 條地形斷面(圖3)。

圖3 水槽試驗段及斷面布置

天然床沙中值粒徑約為0.17 mm。根據模型相似準則，在滿足起動、沉降及懸浮擴散相似的前提下，選取d50＝0.3 mm、λd＝0.667 的復合塑料沙。

為充分研究該構件的穩定性及防沖促淤等方面的效果，動床試驗將柔性促淤護灘構件按照幾何比尺1∶10 縮小，試驗工況見表1。

表1 試驗工況

3.2 結果

3.2.1 方案1

無防護區沖刷比較明顯，形成陡坡，刷低幅度約2.6 cm；上游至防護前區地形陡然攀升，防護區內床面淤積，淤積幅度約為7.1 cm；防護后區形成縱向緩坡，淤積幅度有所減小防護前區及邊緣單元體有沖移現象。防護區內LS3＃、LS4＃斷面較防護區外LS1＃斷面流速減小60%(圖4)。

圖4 方案1 試驗結果

3.2.2 方案2

上游及防護前區略有沖刷，防護區內淤積效果逐步增強，后區淤積幅度趨于平穩，未出現明顯的峰形淤積體，防護區上游及下游坡比相較前述方案更為平緩。LS3＃、LS4＃流速分布基本一致，流速減小幅度約50%(圖5)。

圖5 方案2 試驗結果

本方案采用6 個網箱連片結構，其整體性較方案1 加強，防沖結構僅在防護前區有前傾位移的現象。

3.2.3 方案3

基于前述2 個方案促淤結構均有不同程度的位移，為避免水流對促淤結構底部床沙的沖刷，將方案優化為在促淤結構下方先鋪設1 層軟體排護底。

上游淤積體平緩過渡至防護前區，前區與后區淤積程度基本一致，無明顯區分；后區到軟體排守護擴大區域形成一個緩坡，軟體排守護區邊緣到守護區以外形成了第二個緩坡，兩段緩坡的坡度均較平緩。LS3＃、LS4＃流速分布基本一致，流速減小幅度都約50%(圖6)。

圖6 方案3 試驗結果

本方案采用軟體排護底后，因守護區域灘面不再受水流的淘刷沖失，結構的整體性和防沖促淤效果均顯著加強，成片結構未出現陷落及橫移情況，淤積厚度也較為均衡。

3.2.4 方案4

為進一步觀測該結構在大流速下的護灘效果，將方案3 平均流速提高至0.41 m∕s，其余試驗條件不變。

在大流速作用下，上游及防護前區呈沖刷狀態，但在結構前沿有粗顆粒床沙落淤形成緩坡，后區及尾流區淤積體顆粒明顯變粗，淤積幅度也有所減小。兩側過渡區床面落差變大，未防護區域灘面整體進一步刷低，沖刷幅度深達5.77 cm。側緣形成較為陡直的坡面，坡比約為0.7。LS3＃、LS4＃流速分布基本一致，流速減小幅度約50%。在大流速作用下，因有軟體排對灘面的防護，結構區域的灘面依然平整，柔性促淤結構整體性完好無沖失(圖7)。

圖7 方案4 試驗結果

4 工程現場應用

依據以上研究成果，將該結構應用在漢江河口段航道整治工程白鴿嘴灘段BGZHT1＃護灘帶(圖8～9)。工程現場歷經2 個秋汛，現場監測結果表明:仿生型柔性促淤護灘結構整體性較好，網箱已被泥沙覆蓋，平均淤高1 m。模型試驗結果與現場監測結果一致，實現了促淤護灘的目標。

圖8 結構應用區(單位:mm)

圖9 工程應用前后

5 結語

1)同一流速下，成片結構整體性、穩定性及促淤性能明顯優于單體緊密布置。網箱成片布置，柔性網片間隔布置時盡管促淤峰值有所降低，但整體守護效果更好，亦能達到防沖促淤的效果。

2)在結構下方鋪設軟體排后平均淤積幅度為無軟體排的1.6 倍，淤積厚度也更為均衡，結構整體性和防沖促淤效果進一步加強。

3)當來流流速較大時，雖然結構區域內有一定程度的淤積，但淤積幅度有所減小。兩側過渡區床面落差變大，坡度較陡，結構整體穩定，仍具有一定的促淤效果。