方形薄壁生態護岸結構水力特性試驗研究*

李 健，王平義，譚順欽，付中敏，王梅力

(1.重慶交通大學，水利水運工程教育部重點試驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學，國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；3.貴州省航電開發投資有限公司，貴州 貴陽 550083；4.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430014)

河岸岸坡是水體與陸地的過渡帶，具有水域和陸地雙重特性，發揮著水、陸生態系統間物質、能量和信息交流的作用[1]。長江中下游位置易出現崩岸現象，對兩岸的生命財產以及河道生態環境是一種威脅[2-3]。傳統護岸工程主要采取河道岸坡硬質化措施，使岸坡和水流隔絕，防止岸坡崩岸發生，卻忽略對生態環境、周圍景觀以及水質的重要性[4-6]。隨著生態文明建設的要求越來越高，基于保護長江中下游穩定性和為水生動、植物提供良好的生存環境的目標，中國近年來在長江中下游實施了一系列具有強大生態功能的工程項目[7-9]，防止崩岸發生，保證河流-岸坡-生物之間的物質、信息和能量交換，為河流生態系統穩定提供保障。

筆者提出一種方形薄壁生態護岸結構，在河岸景觀、生態修復和促進沿岸帶生物多樣性等方面均取得創新性成果。通過模擬不同河道岸坡類型，采用物理模型試驗，研究分析方形薄壁生態護岸結構下水動力特性；分析不同孔隙率條件下護岸結構附近的水動力特性分布情況。

1 物理模型試驗

1.1 試驗水槽

物理模型試驗在長30 m、寬2 m、高1 m的玻璃水槽內進行(圖1)。水槽分為上、下游過渡段和試驗段：上游過渡段的作用是調節進水口來流量，滿足進入試驗段的水流為充分發展水流；下游過渡段的作用是調節出試驗段水流，減小下游尾門對試驗段影響。上、下游各12.5 m；直道水槽試驗段位于中線位置，長度5.0 m。

圖1 試驗水槽(單位：m)

在進水口布置流量控制系統對變頻器發送指令，控制抽水水泵功率，實現對流量的控制；在出水口設置尾門，通過調節尾門高度改變試驗水槽水深。通過流量控制系統和尾門的協同作用改變試驗水力參數。

由于試驗場地尺寸的限制，重點研究近岸岸坡附近的水流水力特性，采用“流帶法”模擬近岸附近的水流。

1.2 生態護岸結構

方形薄壁生態護岸結構采用收口式設計以減少岸坡被高速水流淘刷；四周采用圓弧面連接上、下底以保證水流平順經過；塊體內部為空腔設計，從而給魚類和岸坡水生植物提供良好的生存環境(圖2)。單個的生態護岸塊體在岸坡上緊密排列鋪設，達到對岸坡整體防護的目的。

圖2 方形薄壁生態護岸結構(單位：mm)

該生態護岸結構的生態性主要表現在以下方面：生態護坡結構作為岸坡河水流的緩沖，減少了護坡和水流的直接接觸，降低岸坡沖刷崩岸的風險；空腔式設計為魚類提供生存環境，保護河道生物的多樣性。

1.3 護岸塊體布置方式

護岸塊體鋪設長度為2 m，位于試驗段中部，沿岸坡共規則鋪設9層。結合實際護岸工程，試驗段護岸塊體頂部應和岸坡頂部平齊(圖3)。

圖3 岸坡側視圖及護塊布置(單位：mm)

1.4 試驗工況

本正態物理模型試驗是根據物理試驗水槽的尺寸，采用局部模擬方法，僅模擬靠近河岸的局部區域，平面和垂直比尺λL=3，速度比尺λv=1.732。

長江中游的周天河段流量一般在2 900～55 200 m3/s，斷面平均流速枯水期為0.5～2.0 m/s，洪水期為1.2～2.5 m/s，從水力學角度分析不同洪水流量情況下岸坡附近的水力特性，原型流速的選擇范圍確定在0.8～2.0 m/s。收集長江中游荊江河段典型岸坡破壞前的坡度范圍，選取岸坡破壞的典型坡度，取1:3。

試驗利用流帶法以及水力學分析方法，研究不同洪水流量下護岸結構附近一定范圍內的水流水力特性。在試驗過程中水位是確定不變的，通過控制流量達到控制流速的目的，使流速達到模型要求的流速。

為了更好地模擬不同洪水流量下護岸結構周圍的水流流態，選取規律性較強的數據進行分析。15、22 cm兩種水深對應不同流速，結合3種孔隙率的護岸結構，共產生12組試驗工況，見表1。

表1 生態護岸結構試驗工況

1.5 試驗觀測斷面布置

由于不同試驗水深條件下岸坡上護岸塊體的淹沒情況不同，故不同水深下斷面測點有所增減，鋪設護岸結構時斷面測點布置相同。水深22 cm時水位、流速測點分別如圖4、5所示。

圖4 水深22 cm下水位測點布置(單位：cm)

2 護岸塊體周圍水流流場分布特性

2.1 水位

當控制水深為22 cm時，不同孔隙率下護岸區水位二維分布如圖6所示。相同流量條件下，取工況1～4。

圖6 工況1～4護岸區水位分布

等值線圖中橫坐標零點位于1#橫斷面，向下游為X軸正方向；縱坐標以右岸邊界為零點，從右向左為Y軸正方向，其中50 cm以上為岸坡區域。

工況1護岸區水位從上游到下游呈先增大再減小的趨勢，橫向水位上左、右兩岸水位差異不大，整個護岸區水位的二維分布無明顯規律，流態比較復雜。護岸后水位整體二維分布隨著過流斷面增至最大，護岸塊體對河道水流的影響達到最大，主流區明顯向右偏移，護岸區出現更多的渦漩水流，水流在運動過程中將耗費更多的能量。

對比分析不同孔隙率下水面線的二維分布發現，孔隙率較小的工況2、3水位等值線比較稀疏，護岸區內水位變幅較小，由此產生的水流紊動較弱；孔隙率較大的工況4在增大河道阻力、壅高水位等方面效果較好，同時主流區水位等值線密集，水位梯度大，水流紊動較強，增加了水體能量的耗散。

2.2 流速

2.2.1不同孔隙率下橫斷面流速分布

試驗采用三點流速測量法分別測量相對水深為0.2H、0.6H、0.8H的斷面流速。沿斷面水深不同，水體受到護岸塊體的影響有所不同，因此不同水深處的流速分布也不相同。圖7為某工況下9#橫斷面不同水深下的流速分布。

圖7 9#斷面不同水深下橫斷面流速分布

由圖7可知，護岸后，相對水深0.2H時橫斷面流速分布無明顯變化；0.6H時橫斷面流速分布改變不明顯，岸坡附近的流速略微減緩，橫斷面流速的整體變化趨勢不改變；0.8H處橫斷面流速分布發生了顯著改變，岸坡流速明顯減小，斷面流速重分布。這與楊思宇[10]、吳龍華[11]、馬愛興等[12]針對透水框架結構流速分布的研究結果一致。因此本節主要針對護岸結構周圍相對水深0.8H處的流速進行分析。

2.2.2測區內流速的二維分布

當控制水深為22 cm時，不同孔隙率下測區整體流速的二維分布如圖8所示。在相同控制水深、相同流量條件下，取工況5～8。

由圖8可知：試驗水深22 cm，過流斷面寬度大，主流區面積大，流速等值線密集，水流紊動強，流速從測區上游至下游逐漸減小，從整體上看流速分布比較均勻，水流平順，水力條件較好。

圖8 工況5～8的0.8H處流速在測區的分布

試驗流速沿縱向沒有衰減，主流區下游流速甚至大于上游流速，整個水槽流速最大值均出現在右岸的主流區，測區的上游受護塊影響較小，與工況5下無護塊的天然河道相比因水位壅高而流速略有減小；護岸區依然以縱軸50 cm處為分界線，此處流速等值線密度最大，水流紊動最強，右側主流區受護塊的挑流頂沖作用，流速均明顯大于工況5下天然河道的流速，左側岸坡區域因護塊分散水流的阻滯作用形成緩流區，流速大幅降低；距護岸區一定距離的測區下游也受到護塊群的影響，主流區流速相比工況5有所增加，岸坡流速基本相同。

工況6～8的3組工況流速二維分布規律基本一致。在主流區流速、岸坡低流速帶面積等方面略有不同，隨著孔隙率增大，主流區流速、低流速帶面積逐漸增大，流速等值線更密集，岸坡水流減速效果更好。

2.3 紊動強度

在相同控制水深、相同流量條件下，取工況9～12分別繪制4組工況下護岸塊體周圍紊動強度在相對水深0.8H處的等值線(圖9)。

圖9 工況9～12的0.8H處紊動強度分布

當Q=90 L/s、H=15 cm時，護岸前的工況9下測區內紊動強度等值線較為稀疏，紊動強度沿縱向變化不明顯，在橫向上紊動強度從右至左呈先增大再減小的趨勢，最小值出現在右岸靠近邊壁的部分，最大值位于縱軸上50 cm附近，說明岸坡與主槽交界處水流紊動最為強烈，左岸等值線密度略微大于右岸。

工況9～12護岸后測區內紊動強度的分布發生了明顯變化，3組不同孔隙率工況下紊動強度分布趨勢基本一致，鋪設護岸塊體實質是向河道加入新紊源，在護塊的影響范圍內水流紊動更強，紊動強度等值線整體分布更加密集，測區上游受護塊擾動較小且有明顯壅水，紊動強度小于中下游，上游岸坡區域出現了明顯的弱紊動區；水流進入護岸區后，與護岸前相比紊動強度值明顯增大，強紊動區主要集中護岸區中部、尾部和左側岸坡區域，岸坡上水體紊動加劇，加大了能量消耗，從而達到消能減速、減沖促淤的守護效果。從圖9可以看出，工況12(P=75.1%)下紊動強度峰值最大，強紊動區面積最大，等值線更為密集，說明孔隙率越大對水流的擾動作用越強。

2.4 邊界剪切應力

通過繪制測區內剪切應力二維分布圖，從整體上分析測區內剪切應力的變化。取工況5～8，分別繪制測區的剪切應力分布(圖10)。

圖10 工況5～8測區內剪切應力的二維分布

從圖10可知：4組工況下剪切應力在測區內整體分布趨勢大致相同，順水流方向剪切應力無明顯變化，剪切應力均在縱軸上50 cm附近達到峰值，最小值均出現在右岸主槽靠近邊壁處。工況5剪切應力等值線稀疏，左右兩岸差值很小，水流紊動較弱；不同孔隙率的剪切應力分布改變十分明顯，除右岸靠近邊壁部分剪切應力數值都較護岸前有所增大，其中交界面處提升最為明顯，縱軸上50 cm附近剪切應力等值線密度最大，此區域內剪切應力變動幅度最大，說明該區域內水體動量交換最為強烈。工況6～8剪切應力分布基本一致，無論是剪切應力峰值還是等值線密集程度均相當，大水深條件下孔隙率對護塊守護效果影響較小。

3 結論

1)鋪設護岸塊體后護岸區上游壅水效果顯著，測區水流沿縱向更加平順，右岸水面線明顯高于左岸。不同孔隙率下水面線變化趨勢基本一致，大孔隙率的護岸結構壅水效果略好。

2)鋪設護岸塊體后測區上游在壅水影響下斷面流速與護岸前相比整體減?。蛔o岸區內橫斷面流速在灘槽交界面出現流速間斷面。以此處為分界線，右側主流區流量、流速增大；左側護岸區流速明顯減小，流速梯度顯著增大，水流紊動加劇。孔隙率越大，護岸區內水流減速效果越好。

3)強紊動區主要集中于護岸區中部和尾部，岸坡與主槽交界處等值線最密集，此區域內紊動強度分布最不均勻，水流紊動最強。從整體上看，孔隙率越大，紊動強度越大，等值線越密集，說明對水體的擾動消能作用也越大。

4)護岸前、后斷面剪切應力沿橫向分布規律基本一致，整體上呈先增大再減小的趨勢，右岸主槽部分剪切應力比較平緩，剪切應力最大值出現在灘槽交界面附近，距灘槽交界面一定距離的主槽與岸坡邊界剪切應力分布趨于穩定。

5)剪切應力在灘槽交界面附近達到最大值，這與橫斷面流速分布規律相吻合，此處應力梯度最大，最易出現剪切破壞，在工程應用中應重點保護。