扭雙工字型透水框架防沖機理試驗研究

馬愛興，曹民雄，2，譚倫武，付中敏，王秀紅，蔡國正

(1. 南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京 210029； 2. 長江南京以下深水航道建設(shè)工程指揮部，江蘇南京 210017； 3. 長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，湖北武漢 430011)

透水框架是一種減速防沖的透水整治建筑物，由于具有消能減速進而守護岸灘免受水流沖刷的功能，近20年來，在護岸、護灘工程中得到廣泛應(yīng)用。工程中常用的透水框架為四面六邊透水框架，由6根長度相等的預(yù)制鋼筋混凝土框桿相互連接組成，呈三棱錐，桿件之間采用焊接，為防止銹蝕，焊接點進行防銹處理。一些學(xué)者對四面六邊透水框架的水動力特性、防沖促淤效果等開展了試驗研究工作[1-6]，在理論及工程應(yīng)用方面取得了一些進展，但對四面六邊透水框架防沖功能的闡述大都基于流速削減的角度。事實上拋投框架后近底床面紊動增強，需綜合考慮流速、紊動對床面防護的影響。另一方面，在工程實踐中發(fā)現(xiàn)了四面六邊透水框架存在一些不足：如框架之間鉤連性較弱，在水流作用下容易產(chǎn)生位移，在大水作用下又易沖散、走失，整體穩(wěn)定性較差；6根加筋混凝土桿件焊接點容易銹蝕，桿件散落，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，失去防沖功能。

針對四面六邊透水框架存在的不足，長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院提出了一種新型消能護灘結(jié)構(gòu)——扭雙工字型透水框架，該結(jié)構(gòu)為開敞式構(gòu)件，陸上振動試驗表明新型透水框架整體穩(wěn)定性明顯優(yōu)于四面六邊透水框架[7]。水槽波流穩(wěn)定性及動床試驗表明[8]，扭雙工字型透水框架拋投2層后，空間上交錯嵌套，整體穩(wěn)定性較好，拋投于床面后護灘效果顯著。圖1為該透水框架在原型拋投密度2.2個/m2、水深7.6 m、流速2 m/s、灘面泥沙中徑0.15 mm清水沖刷后的地形變化?？梢钥闯觯るp工字型透水框架群作用后灘面沖刷沿縱向可分為5個區(qū)段：上游灘面沖刷區(qū)、框架群頭部頂沖區(qū)、框架群內(nèi)部防護區(qū)、框架群下游防護區(qū)以及下游灘面沖刷區(qū)；灘面橫向沖刷則可分為：灘面沖刷區(qū)、框架群邊緣側(cè)蝕區(qū)以及框架群內(nèi)部防護區(qū)。新型透水框架護灘后，在流速2 m/s的清水沖刷下，框架群內(nèi)部完全守護，甚至出現(xiàn)淤積。

本文主要在變坡水槽上精細測量了扭雙工字型透水框架附近的水流結(jié)構(gòu)，分析了框架群對縱向、側(cè)向水流流速、紊動強度的調(diào)整作用，并綜合考慮框架拋投后的流速、紊動對床面防護的影響，從單位質(zhì)量水體能量(動能+紊動能)的角度探明扭雙工字型透水框架削減水體能量的能力及其防沖作用機理，研究成果可為扭雙工字型透水框架的設(shè)計、應(yīng)用提供技術(shù)參考。

(a) 縱向變化 (b) 橫向變化 (c) 沖淤照片圖1 扭雙工字型透水框架護灘后周邊灘面沖淤變化Fig.1 Changes in erosion and deposition near the twist double H permeable frames

1 扭雙工字型透水框架及水槽試驗簡介

1.1 扭雙工字型透水框架

扭雙工字型透水框架由2個工字型構(gòu)件垂直交叉組成，單個框架由6根桿件構(gòu)成，桿件原型尺寸為10 cm×10 cm×80 cm，材料為鋼筋混凝土，密度為2.4 g/cm3，結(jié)構(gòu)如圖2所示?？紫堵试囼瀃7]表明，該透水框架孔隙率為89.3%，略高于相同桿件尺寸的四面六邊透水框架87.6%的孔隙率。

(a) 四面六邊透水框架 (b) 扭雙工字型透水框架 (c) 扭雙工字型透水框架模型圖2 透水框架結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of permeable frame

室內(nèi)水槽試驗中，按幾何相似、質(zhì)量相似對扭雙工字型透水框架進行縮尺模擬，并進行了比尺為1:20和1:40的水動力試驗，分析表明兩種比尺均能有效反映扭雙工字型透水框架附近流速、紊動以及能量的變化特性[8]。本文主要介紹模型幾何比尺為1:20的成果，模型桿件尺寸為5 mm×5 mm×40 mm，采用密度為2.4 g/cm3的材料注塑制成，經(jīng)抽樣檢驗，框架模型尺寸、質(zhì)量的誤差均小于2%，保證了透水框架模型與原型的幾何相似和質(zhì)量相似。

1.2 水槽試驗簡介

1.2.1試驗水槽 扭雙工字型透水框架防沖機理試驗在南京水利科學(xué)研究院矩形變坡水槽上進行，該水槽全長44 m，寬0.8 m，深0.8 m，水槽底部、兩側(cè)均為玻璃壁面，通過底部安裝的鋼結(jié)構(gòu)支撐可實現(xiàn)槽底坡度調(diào)節(jié)，可調(diào)最大底坡14‰。水流循環(huán)運行是由泵房從地下供水庫中抽水到平水塔，由平水塔經(jīng)管道下泄穩(wěn)定流至水槽，再由水槽出水口及回水槽將水流送回地下供水庫。其中水槽進水口采用直徑2.5 cm，長50 cm的PVC管群進行消能，使進口水流沿水槽寬度方向均勻分布，進口流量由電動閥進行控制并由電磁流量計測量，水槽出口通過步進電機控制格柵尾門的開度進而控制尾門水位。

1.2.2試驗布置及水流條件 工程中透水框架一般成群隨機拋投于灘面，為了研究扭雙工字型透水框架群對周邊水流結(jié)構(gòu)的調(diào)整作用，在水槽中部沿寬度方向隨機拋投5 m長的透水框架，模擬原型100 m長度的框架群，在框架群內(nèi)部及上下游進行垂線三維流速測量。透水框架沿水槽寬度方向分滿拋與半拋兩種?？蚣軡M拋時主要研究水流結(jié)構(gòu)沿縱向的調(diào)整，半拋時則研究橫向變化。以消能管出口與水槽側(cè)壁交界處作為零點，滿拋時，沿水槽中縱線布置測流垂線1#～16#(圖3)；水槽右側(cè)半拋時，沿水槽橫向布置測流垂線17#～21#，對位于框架群中心的7#(里程22.1 m)及框架群下游10 cm處的9#(里程24.6 m)垂線流速進行詳細測量，且近底區(qū)及框架附近垂線測點加密。根據(jù)水深的不同，垂線測流點為20～30不等，其余垂線測量相對水深(z/h)分別為0.1，0.2，0.4，0.6，0.8和0.9的測點。在測流垂線處同時測量該處水深，試驗水槽底坡1‰。

圖3 試驗水槽布置Fig.3 Layout of an experimental flume

試驗原型水流條件考慮1，2和3 m/s三種，對應(yīng)水深分別取2.0，3.5和5.0 m；透水框架拋投層數(shù)考慮1，2，3層，共進行9組試驗，各試驗透水框架完全淹沒，模型水流條件及水力要素詳見表1。

表1 試驗水流條件Tab.1 Experimental flow conditions

1.2.3三維流速量測儀器 試驗中流速測量采用聲學(xué)多普勒點式流速儀Vectrino(小威龍)，為挪威Nortek公司生產(chǎn)，是ADV的升級替代產(chǎn)品，可測量單點三維流速。Vectrino聲學(xué)傳感器包括1個發(fā)射換能器和4個接收換能器。由發(fā)射換能器發(fā)射1個短的聲學(xué)脈沖，當(dāng)該脈沖經(jīng)過4個接收換能器的聚焦點時，“回聲”被4個聲學(xué)接收換能器同時接收。通過處理反射回來的聲波，得到多普勒頻移，多普勒頻移根據(jù)水中聲波的傳播速度進行調(diào)整，流速的矢量數(shù)據(jù)以很快的速率傳送到計算機。基本參數(shù)為：采樣點距離探頭距離為5 cm，采樣點直徑6 mm，高度3～15 mm，采樣頻率0～200 Hz，測量精度為測量值的0.5%或1 mm/s。試驗中水流垂線點流速測量頻率采用90 Hz，測量時間40 s，每個垂線點流速樣本數(shù)據(jù)3 600個。

2 試驗結(jié)果分析

(1)

式中：ui為第i個瞬時流速；n為流速樣本數(shù)。對于y，z方向的流速、紊動強度瞬時流速分別換成v，w。

設(shè)單位質(zhì)量的水體沿水流方向的能量E為動能與紊動能之和，即

(2)

為書寫方便起見，下文時均流速采用u表示。根據(jù)模型相似律，對于正態(tài)模型，模型測流垂線位置xm、流速um、紊動強度σxm以及單位質(zhì)量的水體能量Em與原型測流垂線位置xp、流速up、紊動強度σxp以及水體能量Ep之間有如下關(guān)系：

(3)

式中：模型幾何比尺αL=20。為便于對比分析，下文流速、紊動強度、水體能量以及測流垂線位置均換算至原型值。

2.1 局部流場變化

圖4為淹沒扭雙工字型透水框架群附近的流場變化(試驗組次5)，可見水流進入透水框架群后，流速迅速減小，愈靠近框架群底部，流速減小愈明顯。一般而言，水流的挾沙能力與水流流速的高次方成正比，由此可以推斷，具有較大流速的清水進入框架群后將難以攜帶床面泥沙，而挾沙水流進入框架群后水體中的泥沙可能淤積于床面。水流出框架群后，在框架群下游一定范圍內(nèi)，底層流速同樣表現(xiàn)出減小的特征，這對框架群下游床面的防沖促淤起到一定作用?？蚣苋簷M向側(cè)緣的流場如圖4(b)所示，可見，框架群高度內(nèi)流速迅速減小，底部出現(xiàn)渦旋，框架頂附近水流受桿件挑流作用流向朝向水面，而框架群外側(cè)側(cè)緣流速明顯較大。

(a) 縱 向 (b) 橫 向圖4 水流穿越扭雙工字型透水框架群的流場(試驗組次5)Fig.4 Flow field passing through the twist double H permeable frames (Test 5)

2.2 流速、紊動強度、能量沿垂向變化

圖5為扭雙工字型透水框架群內(nèi)部(7#測點，下同)x,y,z方向流速、紊動強度沿垂向變化(試驗組次5)?？梢钥闯?，水流穿越框架群時，在框架群頂以下位置縱向流速u、垂向流速w減小，而橫向流速v有所增大，即框架群內(nèi)水體縱向、垂向交換減弱，而橫向交換增強，對于框架群頂部以上位置，u，v，w均加大，受框架對水體擾動影響，3個方向的紊動強度均增強，最大紊動強度出現(xiàn)在框架群頂部附近。圖6為x向垂線流速分布沿程變化，與框架群拋投之前相比，框架群內(nèi)部及其下游一定范圍內(nèi)垂線流速明顯發(fā)生調(diào)整，水流出框架群后框架頂以下水流流速仍削減，框架頂以下流速仍加大，隨著水流距離框架群尾端增大，垂線流速分布逐漸恢復(fù)至原有分布。

影響床面泥沙輸移的主要是x方向的動力要素。圖7給出了透水框架群內(nèi)及下游2 m處縱向流速、紊動強度、單位水體能量垂向變化?？梢钥闯?，框架群拋投于床面后垂線流速分布發(fā)生顯著調(diào)整：近底層水流遭受框架群消能作用，流速大幅度削減；表層水流則受到框架群擠壓，流速增大；過渡層垂線流速梯度加大，垂線流速分布不再服從對數(shù)律。從床面至水面的垂線流速大致可分為3個區(qū)段，分別為近底流速驟減的框架層、流速梯度加大的過渡層、流速增大且基本服從對數(shù)律的表層。相同水流條件下，隨著框架層數(shù)的增加，近底層減速率及表層增速率均加大?？蚣苋赫{(diào)整垂線流速分布的同時，改變了水流紊動強度沿垂向分布。

圖5 扭雙工字型透水框架群內(nèi)7#測點xyz方向流速、紊動強度沿垂向變化(試驗組次5)Fig.5 Vertical velocity distribution and turbulence intensity inside the frames (Test 5)

圖6 扭雙工字型透水框架群上下游垂線流速分布(框架范圍x=19.5～24.5，試驗組次5)Fig.6 Vertical velocity distribution in the upstream and downstream of the frames (Test 5)

(a) 框架群內(nèi)部

(b) 框架群下游2 m處圖7 縱向流速(u)、紊動強度(σx)及單位水體能量(E)的垂向變化(試驗組次5)Fig.7 Vertical variations in vertical velocity distribution， turbulence intensity and flow energy (Test 5)

由圖7可以看出，框架群拋投于床面后，紊動強度呈現(xiàn)底表層小、中間層大的分布規(guī)律，最大紊動強度出現(xiàn)在框架群頂部附近。相同水流條件下，最大紊動強度隨著框架層數(shù)的增加而加大；緊鄰框架群下游的紊動強度明顯強于框架群內(nèi)部。

扭雙工字型透水框架拋投于床面后，近底層流速驟減，但紊動強度增強。一般而言，床面推移質(zhì)輸沙率與流速的高次方成正比，框架群近底層流速的驟減必將引起輸沙率的大幅減小，而近底層水體紊動的加強，則有助于水流對床面泥沙的懸浮作用，進而沖刷床面?？蚣苋簝?nèi)部流速減小、紊動增強，兩者對床沙的綜合影響是利于床面防護還是促使床面沖刷，需綜合考慮。本文采用了單位質(zhì)量的水體能量E(動能+紊動能)來綜合反映兩者對床沙運動的影響。由圖7可以看出，框架群作用后，近底層水流能量顯著消減，即扭雙工字型透水框架群有利于對拋投區(qū)及其下游灘面起到防護作用。

統(tǒng)計框架群高度內(nèi)垂線平均流速、平均紊動強度及平均能量的變化(表2)，可以看出，無框架時，平均流速u明顯大于紊動強度σx；框架拋投后，框架群高度內(nèi)流速驟減、而紊動強度則增強，從而使得平均流速、紊動強度量值相當(dāng)，對緊鄰框架群下游側(cè)個別試驗組次甚至出現(xiàn)紊動強度大于平均流速的現(xiàn)象?？蚣苋簝?nèi)，框架高度內(nèi)平均流速的減速率達0.57～0.80，而紊動強度增大率約0.41～1.21；緊鄰框架群下游2 m處，減速率達0.38～0.89，而紊動強度增大率達1.71～2.85?？蚣苋鹤饔煤?，框架群內(nèi)，框架高度單位水體消能率達0.63～0.92，框架群下游2m處水流消能率為0.28～0.85。

表2 扭雙工字型透水框架群高度內(nèi)平均流速、平均紊動強度變化Tab.2 Variations in average velocity and turbulence intensity within height of frames

注：u和σx單位為m/s，E單位為J；變化率=(有框架-無框架)/ 無框架，“-”表示減小，“+”表示增大，下同。

2.3 流速、紊動強度、能量沿縱向變化

扭雙工字型透水框架群拋投于床面后，沿程流速、紊動強度及水體能量發(fā)生調(diào)整，圖8為近底層(z/h=0.1)、表層(z/h=0.8)相對流速u/u0、相對紊動強度σx/σx0及相對能量E/E0(下標(biāo)0代表無框架)沿流程變化。框架群上游受壅水作用底層、表層流速均有所減緩，且變化平緩；水流進入框架區(qū)一定距離后，框架群內(nèi)部的底層水流受框架消能作用流速大幅度降低，降幅達80%以上，并隨框架層數(shù)的增加而加大，而表層水流受框架擠壓影響流速加大，增幅約30%以上；水流出框架群后，近底流速沿程逐漸恢復(fù)至無框架時的流速。

底層、表層水體紊動強度的沿程變化規(guī)律基本一致：框架群上游紊動強度變化平緩，水流進入框架群后紊動強度逐漸加強，出框架群后紊動強度達到極值，之后水流受框架影響逐漸減弱，紊動強度逐漸衰減直至恢復(fù)至無框架時的紊動強度；底層、表層水流受框架影響程度的差異，兩者紊動強度極值的位置發(fā)生偏離，表層位置較底層偏下游側(cè)；相同水流條件下，框架層數(shù)越多，紊動強度沿程變化幅度越大，對應(yīng)紊動強度極值也越大。

單位水體能量的沿程變化與流速變化基本一致，框架群內(nèi)近底層水體能量大幅消減，而表層水體能量則增強，框架拋投層數(shù)越多，底層流速消減幅度、表層流速增大幅度越大。近底層水體能量的大幅消減有利于對灘面的防護，水流出框架群后，水體能量逐漸增大并恢復(fù)至正常狀態(tài)，即框架群下游水體能量恢復(fù)區(qū)內(nèi)，灘面將受到一定程度的防護作用，防護能力隨偏離框架群尾端的距離的增加而削弱。

表3統(tǒng)計了框架群內(nèi)部近底層(z/h=0.1，0.2)平均流速及水體能量的變化?？蚣苋簰佂队诖裁婧?，z/h=0.1的近底層流速減速率為0.79～0.95，水體消能率達0.93～0.99，框架群下游能量恢復(fù)至無框架時能量的距離約38～56 m；z/h=0.2的近底層流速減速率約0.53～0.86，消能率0.71～0.96。

(a) 近底層(z/h=0.1)

(b) 表 層(z/h=0.8)圖8 相對流速、紊動強度、能量沿程變化(試驗組次5)Fig.8 Variation in relative velocity， turbulence intensity and flow energy (Test 5)

z/h=0.1u0/ (m·s-1)E0/ Ju/ (m·s-1)E/ JuE/mz/h=0.2u0/ (m·s-1)E0/ Ju/ (m·s-1)E/ JuE120.910.420.190.03-0.79-0.93380.980.490.240.04-0.76-0.92 11.831.770.260.08-0.85-0.96472.002.040.640.35-0.68-0.83221.831.770.150.05-0.92-0.97472.002.040.490.22-0.76-0.89 31.831.770.100.02-0.95-0.99472.002.040.290.09-0.86-0.96321.832.600.240.09-0.87-0.97562.673.531.261.03-0.53-0.71

2.4 流速、紊動強度及能量沿橫向變化

沿水槽寬度方向半拋框架群后，近底層及表層相對流速、紊動強度及水體能量沿水槽寬度方向的變化如圖9所示，可以看出，扭雙工字型框架群內(nèi)流速、紊動強度及水體能量較拋投框架群之前有所減小，而表層則加大；由于框架群消能作用及拋投區(qū)阻力增加，主流偏向無框架區(qū)，框架群外側(cè)流速、能量均加強；底表層最大紊動強度位置出現(xiàn)偏離，近底層最大紊動強度位于框架群外側(cè)邊沿，而表層最大紊動強度則出現(xiàn)于框架群內(nèi)側(cè)。

從近底層水體能量變化來看，框架群引起外側(cè)水流能量加強，將導(dǎo)致框架側(cè)沿岸灘局部沖刷，這是由框架拋投后周邊流速加大、紊動加強引起的。

(a) 近底層(z/h=0.1) (b) 表層(z/h=0.8)圖9 相對流速、紊動強度、能量沿橫向變化(試驗組次9)Fig.9 Cross-section variations in relative velocity， turbulence intensity and flow energy (Test 9)

3 結(jié) 語

對扭雙工字型透水框架按比尺1:20進行正態(tài)縮放，在變坡水槽上對框架群縱向、橫向的水流結(jié)構(gòu)進行了精細測量，主要結(jié)論如下：

(1)扭雙工字型透水框架拋投于床面后底層流速大幅削減、表層流速增大、過渡層流速梯度加大，整個垂線流速分布不再服從對數(shù)律；透水框架高度內(nèi)流速平均減速率約0.57～0.80，近底層減速率達0.79～0.95，減速率隨拋投層數(shù)的增加而加大。

(2)紊動強度呈底表層小、中間層大的分布規(guī)律，最大紊動強度出現(xiàn)在框架群頂部附近；水流進入框架群后紊動強度逐漸加強，出框架群后達到極值；底表層紊動強度極值的出現(xiàn)位置在縱向、橫向上發(fā)生偏離，縱向上表層位置較底層偏下游側(cè)，橫向上表層位置較底層偏框架群內(nèi)側(cè)；框架層數(shù)越多紊動強度沿程變幅越明顯，對應(yīng)紊動強度極值也越大。

(3)以單位質(zhì)量的水體能量綜合反映流速、紊動對床沙運動的影響，框架拋投于床面后，底層水體能量大幅衰減、表層能量加大，框架群高度內(nèi)水流消能率0.63～0.92，近底層(z/h=0.1)水體消能率達0.93～0.99，框架群下游能量恢復(fù)距離約38～56 m。

(4)具有較大流速的水流行近扭雙工字型透水框架群時，框架群頭部處于頂沖區(qū)、水體能量較大，灘面易沖刷，進入框架群內(nèi)部后，水體能量大幅消減，灘面完全守護，水流出框架群后，水體能量由極小值逐漸增大并恢復(fù)至正常狀態(tài)，該恢復(fù)區(qū)內(nèi)灘面得到有效防護，其防護能力隨偏離框架群尾端距離的增加而減弱；框架群易增強側(cè)向邊緣流速及水體紊動，從而造成框架群側(cè)沿岸灘局部沖刷。

參 考 文 獻：

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