石梁對(duì)渠道水流特性影響的試驗(yàn)研究

王 宇，鐘 華，張 濱

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

石梁對(duì)渠道水流特性影響的試驗(yàn)研究

王 宇，鐘 華，張 濱

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

石梁作為一種生態(tài)工法，具有自然、生態(tài)、環(huán)保、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)，研究石梁對(duì)渠道水流特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：1)石梁的布置方式對(duì)流速分布、水深和水流表面流態(tài)影響顯著；2)在渠底布置石梁有利于塑造多樣化的水流條件，為生物的生存、棲息和繁衍提供適宜的生境條件；3)相對(duì)于縱向石梁，橫向石梁更有利于形成多樣化的水流條件，但其壅水效果也更為顯著。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮生態(tài)要求及上游回水條件后，決定石梁的具體布置方式。

石梁;水力學(xué)試驗(yàn);流速分布;壅水效應(yīng)

0 引 言

1938年，德國(guó)學(xué)者Seifert首先提出了近自然河溪整治的觀(guān)念，1962年H.T.Odum首次提及了生態(tài)工程一詞，1989年Mitsch給出了生態(tài)工法的定義，自此生態(tài)工法正式成為一個(gè)研究學(xué)科。近年來(lái)，德國(guó)、日本采用河床拋石、石梁工、固床工及砌石護(hù)岸等工法恢復(fù)河川原有生態(tài)型式，已有許多成功的案例。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)在固床工程、跌水工程、生物技術(shù)工程、生態(tài)工程方面研究的相對(duì)較多，應(yīng)用生態(tài)工法的河溪整治工程有數(shù)十處。

渠道是不同水域和陸域及不同水域之間的聯(lián)系紐帶，是生物群落形成的關(guān)鍵。渠道在生態(tài)學(xué)和物理學(xué)上的功能與線(xiàn)性濕地相似[1]，是具有河流和濕地特征的、獨(dú)特的工程化生態(tài)系統(tǒng)[2]。渠道的形態(tài)、坡降、糙度、水深對(duì)水生植物生長(zhǎng)具有重要影響[3]。復(fù)式斷面、多階段跌水工、渠底地形多樣化、營(yíng)造彎曲水路等擾流結(jié)構(gòu)可創(chuàng)造多種類(lèi)的環(huán)境，為生物的棲息提供充分的緩沖空間[4]。石梁是由一定尺寸的卵石或塊石按一定次序擺放而成的工程結(jié)構(gòu)。石梁作為一種生態(tài)工法，具有自然、生態(tài)、環(huán)保、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[5]。目前，關(guān)于石梁的應(yīng)用研究，大多是從生態(tài)、親水或景觀(guān)綠化的角度切入，在工程設(shè)計(jì)上，偏重于施工設(shè)計(jì)及方法的改善，關(guān)于水力學(xué)試驗(yàn)研究的則較少。為了研究石梁工法的水力學(xué)及生態(tài)特性，結(jié)合渠道的規(guī)模尺度，開(kāi)展水工模型試驗(yàn)，研究不同的石梁布置方式對(duì)渠道水流特性的影響，為石梁在寒冷地區(qū)渠道生態(tài)環(huán)境改善中的應(yīng)用提供參考依據(jù)[6]。

1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)在黑龍江省水利科學(xué)研究院水利新技術(shù)試驗(yàn)室的玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備包括玻璃水槽、測(cè)量系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)。

1.1.1 試驗(yàn)水槽

玻璃水槽為鋼框架加鋼化玻璃可視結(jié)構(gòu)，其尺寸為25.2 m×1.0 m×1.2 m。通過(guò)控制三維自動(dòng)測(cè)橋，可實(shí)現(xiàn)在其有效測(cè)量范圍內(nèi)高效率、高精度進(jìn)行定點(diǎn)式自動(dòng)跟蹤多點(diǎn)測(cè)量；柵欄式尾門(mén)即可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制尾門(mén)開(kāi)度，也可通過(guò)電動(dòng)控制尾門(mén)開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)尾水水位的精確調(diào)節(jié)。

1.1.2 測(cè)量系統(tǒng)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)包括SCM60移動(dòng)式水位測(cè)針、南京水利科學(xué)研究院生產(chǎn)的NKY04-L1型旋槳流速儀和手持式讀數(shù)儀。

1.1.3 記錄系統(tǒng)

試驗(yàn)過(guò)程記錄：采用攝像機(jī)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的水流變化進(jìn)行全程記錄。

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)的石梁采用直徑12～18 cm的石塊。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 模型設(shè)計(jì)

為了研究石梁的不同布置方式對(duì)渠道水流特性及生態(tài)特性的影響，本文根據(jù)石梁布置方向設(shè)計(jì)了兩組試驗(yàn)，即縱向石梁和橫向石梁試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量石梁布置前后渠道的水位變化和流速分布情況，分析石梁對(duì)渠道水力學(xué)特性的影響及其生態(tài)效果。

2.1.1 縱向石梁

在玻璃水槽內(nèi)，沿渠底兩側(cè)順?biāo)鞣较驅(qū)ΨQ(chēng)布置2道縱向石梁，研究不同流量條件下不同粒徑的石塊堆石前、后對(duì)上下游水深、流速的影響，以及泥沙淤積情況。

1)布置位置：布置在水流穩(wěn)定段，與進(jìn)水口的距離為7.0 m，堆石位置在7.5～9.0 m，堆石段長(zhǎng)度為1.5 m。

2)布置要求：選用直徑接近的近似圓形的卵石在渠底兩側(cè)緊密排列。

3)測(cè)量斷面位置：在堆石前端的水平段距堆石75 cm處，布置1個(gè)參考測(cè)量斷面0，在堆石區(qū)距堆石前端分別為30、60、90、120 cm處設(shè)置4個(gè)試驗(yàn)測(cè)量斷面1～斷面4(圖1)。

4)測(cè)點(diǎn)位置：量測(cè)水面下0.2h、0.6h、0.8h處的流速。

圖1 縱向石梁布置示意圖Fig.1 Schematic of lognitudinal stone beam layout

2.1.2 橫向石梁

在玻璃水槽內(nèi)，在渠底垂直水流方向布置2道橫向石梁，研究不同的粒徑、堆石間距及傾斜角度的石梁布置前、后對(duì)上下游水深、流速的影響，以及泥沙淤積情況。

1)布置位置：布置在水流穩(wěn)定段，與進(jìn)水口的距離為7.2 m。

2)布置要求：選用直徑接近的近似圓形的卵石在渠底垂直水流方向緊密排列。

3)試驗(yàn)工況：本次試驗(yàn)橫向石梁布置分為3種工況：工況1為在渠底沿垂直水流方向布置2道橫向石梁，間距為1.5 m；工況2為在工況1的基礎(chǔ)上將上游處的石梁由橫向緊密排列向上游延伸30°，排列成三角形(圖2)；工況3為在工況1的基礎(chǔ)上將上游處的石梁由橫向緊密排列向上游延伸45°，排列成三角形。

4)測(cè)量斷面位置：在堆石前端的水平段距堆石75 cm處，布置1個(gè)參考測(cè)量斷面0，在堆石區(qū)距堆石前端分別為30、60、90、120 cm處設(shè)置4個(gè)試驗(yàn)測(cè)量斷面1～斷面4。

5)測(cè)點(diǎn)位置：量測(cè)水面下0.2h、0.6h、0.8h、1.0h處的流速。

圖2 橫向石梁布置示意圖(工況2)Fig.2 Schematic of lateral stone beam layout (condition 2)

2.2 相似模擬比尺的確定

2.2.1 幾何相似

本試驗(yàn)以大中型排水渠道為主要研究對(duì)象，綜合考慮實(shí)際渠道橫斷面寬度和試驗(yàn)用玻璃水槽寬度，確定模型試驗(yàn)幾何比尺為1∶2，即

式中l(wèi)m為模型渠寬;lp為實(shí)際渠寬。

2.2.2 運(yùn)動(dòng)相似性

根據(jù)文獻(xiàn)[7]規(guī)定，常規(guī)模型試驗(yàn)主要作用力為重力，必須遵循重力相似準(zhǔn)則，即模型與原型的佛勞德數(shù)應(yīng)保持一致。由于重力加速度在各地變化很小，一般可認(rèn)為模型和原型的重力加速度相等。因此，流速比尺與幾何比尺關(guān)系為：

又流量等于流速與過(guò)流斷面面積的乘積，故流量比尺與幾何比尺的關(guān)系為：

2.3 試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量方法

2.3.1 水深、流速測(cè)量

在各測(cè)量斷面處，沿垂直水流方向，將橫斷面分成3小段，分別測(cè)量各小段的流速和水深，取測(cè)量平均值作為該斷面的流速和水深。

2.3.2 水流流態(tài)觀(guān)測(cè)

通過(guò)攝像機(jī)錄制試驗(yàn)過(guò)程，并取典型時(shí)刻拍照，記錄試驗(yàn)過(guò)程中的水流流態(tài)變化情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 流速變化

3.1.1 縱向石梁

不同測(cè)點(diǎn)的流速沿深度分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 縱向石梁流速沿深度分布圖Fig.3 Flow velocity distribution of lognitudinal stone beam

由圖3可見(jiàn)，布置縱向石梁后，水流由原本順直的矩形渠道流入試驗(yàn)堆石段，水流斷面束窄，各監(jiān)測(cè)斷面流速的大小和分布均發(fā)生了變化。由于受渠底兩側(cè)縱向石梁的影響，相對(duì)于參考斷面0，水流進(jìn)入堆石區(qū)斷面1～斷面4后的流速明顯增大，且在0.6h處，各測(cè)量斷面的流速達(dá)到最大值。在0.6h范圍內(nèi)，進(jìn)入堆石區(qū)的水流流速沿程增加，在0.6h以下，除斷面4外，進(jìn)入堆石區(qū)的水流流速也表現(xiàn)為沿程增加。這表明，在渠底兩側(cè)布置縱向石梁可明顯改變渠道水流流速分布和水流的表面流態(tài)，有利于塑造多樣化的水流條件，產(chǎn)生低速流區(qū)和高速流區(qū)，從而使渠道內(nèi)單一無(wú)變化的水流流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄻踊膹?fù)雜的水流流態(tài)，為不同種類(lèi)的水生生物的生存、棲息和繁衍提供適宜的生境條件。多樣化的流速分布條件還有利于細(xì)泥沙的淤積，增進(jìn)植物自然生長(zhǎng)的空間，從而達(dá)到改善原有渠道生態(tài)性的目的。

另外，石梁用塊石為散粒體結(jié)構(gòu)，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，即使發(fā)生變位，仍可恢復(fù)或接近于初始位置，且石梁的塊石間發(fā)生小的錯(cuò)動(dòng)，并不影響其調(diào)節(jié)流速，改變水流形態(tài)的作用，適合在寒冷地區(qū)應(yīng)用。

3.1.2 橫向石梁

不同工況條件下各測(cè)點(diǎn)的流速沿深度分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖4～圖6。

圖4 工況1流速沿深度分布圖Fig.4 Flow velocity distribution of condition 1

圖5 工況2流速沿深度分布圖Fig.5 Flow velocity distribution of condition 2

圖6 工況3流速沿深度分布圖Fig.6 Flow velocity distribution of condition 3

由圖4～圖6可見(jiàn)，在渠底布置橫向石梁后，流速的大小和沿深度分布均發(fā)生了顯著的變化，表層流速與底層流速梯度明顯增大，水流形態(tài)發(fā)生改變。由于受渠底第一道橫向石梁的影響，水流斷面局部束窄，相對(duì)于參考斷面0，在0.8h以上各觀(guān)測(cè)點(diǎn)的流速顯著增加，且斷面1的流速值最大，隨著第一道橫向石梁影響的減弱，斷面2～斷面4的流速逐漸減小，但仍大于參考斷面流速。各測(cè)量斷面的流速在0.2h處達(dá)到最大值。

當(dāng)上游處石梁由橫向緊密排列分別向上游延伸30°和45°，排列成三角形時(shí)，相對(duì)于工況1的流速分布及變化情況，在參考斷面0處，0.8h處的流速均明顯增大；在測(cè)量斷面1～斷面4處，0.8h及以上各測(cè)點(diǎn)的流速均不同程度的減小，且隨著石梁向上游延伸角度的增加，各測(cè)點(diǎn)流速呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。這表明，在渠底布置橫向石梁會(huì)對(duì)水流起到阻隔的作用，可明顯改變渠道水流流速分布和水流流態(tài)，且橫梁的布置方式及傾斜角度也會(huì)影響水流流速分布和水流的流態(tài)。在渠底布置橫向石梁，有利于塑造多樣化的水流條件，為不同種類(lèi)的水生生物的生存、棲息和繁衍提供適宜的生境條件。

3.2 水深變化

3.2.1 縱向石梁

不同測(cè)點(diǎn)的水深沿程變化過(guò)程見(jiàn)圖7。

圖7 水深沿程變化曲線(xiàn)圖Fig.7 Curves of water depth changing along the way

由圖7可見(jiàn)，在渠底兩側(cè)布置縱向石梁后，石梁上游處參考斷面0的水深有一定程度的增加，堆石區(qū)內(nèi)的水深則變化明顯，而水深的變化又伴隨著流速的變化，堆石區(qū)內(nèi)的流速變化也較大。這表明，縱向石梁具有一定的壅水效應(yīng)，且有利于形成多樣化的流速條件。

3.2.2 橫向石梁

不同測(cè)點(diǎn)的水深沿程變化過(guò)程見(jiàn)圖8。

圖8 水深沿程變化曲線(xiàn)圖Fig.8 Curves of water depth changing along the way

由圖8可見(jiàn)，在渠底布置橫向石梁后，由于橫向石梁的阻隔作用，上游斷面處水深明顯增加，且石梁上游端參考斷面0的水深最大，兩道石梁之間的水深次之，石梁下游遠(yuǎn)端斷面的水深最小。這表明，2道石梁的壅水作用可沿程累加。

由圖8還可見(jiàn)，當(dāng)石梁逐漸向上游延伸30°和45°，排列成三角形時(shí)，相對(duì)于2道橫向石梁的情況，上游端第一道石梁的壅水效果相似，而第二道石梁的壅水效果明顯增加，隨著延伸角度的增加，壅水效果逐漸減弱，但仍大于2道橫向石梁的情況。當(dāng)石梁逐漸向上游延伸一定角度后，水深沿程變化較為劇烈，深水區(qū)和淺水區(qū)交錯(cuò)排列，且角度越大，水深的變化范圍越小，變化程度越劇烈。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，橫向石梁的壅水效應(yīng)顯著，采用橫向石梁時(shí)，壅水高度可增大0.5%，且石梁的布置方式對(duì)壅水效果及水流形態(tài)的影響較大，石梁向上游延伸30°時(shí)，其壅水高度最大。橫向石梁的布置有利于形成多樣化的水流條件。

3.3 水流流態(tài)變化

在渠底布置縱向石梁和橫向石梁后的水流表面形態(tài)見(jiàn)圖9～圖10。

圖9 布置縱向石梁后的水流表面形態(tài)Fig.9 Surface flow conformation of lognitudinal stone beam

圖10 布置橫向石梁后的水流表面形態(tài)Fig.10 Surface flow conformation of lateral stone beam

由圖9～圖10可見(jiàn)，當(dāng)在渠底布置縱向石梁時(shí)，水流表面形態(tài)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，水面較為平靜，波動(dòng)小。當(dāng)在渠底布置橫向石梁時(shí)，水流表面形態(tài)相對(duì)較為復(fù)雜，水面波動(dòng)較大，水流形態(tài)多樣。這表明，橫向石梁更有利于形成多樣化的水流條件，但其壅水效果更為顯著。

4 結(jié) 論

1)縱向石梁可明顯改變渠道水流流速的大小、分布和水流的表面流態(tài)，并具有一定的壅水效應(yīng)。

2)橫向石梁的布置方式及傾斜角度對(duì)渠道水流流速大小、分布和水流流態(tài)影響顯著。橫向石梁還具有顯著的壅水效應(yīng)，且石梁的壅水作用可沿程累加。當(dāng)石梁向上游延伸30°時(shí)，其壅水高度最大。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際條件，綜合考慮生態(tài)要求及上游回水條件后，決定石梁的具體布置方式。

3)在渠底布置石梁，有利于塑造多樣化的水流條件，產(chǎn)生低速流區(qū)和高速流區(qū)，為不同種類(lèi)的水生生物的生存、棲息和繁衍提供適宜的生境條件。由于石梁對(duì)水流的阻隔作用，可使水渠在低流量時(shí)，仍有一定的水位，而在高流量時(shí)，則會(huì)形成保護(hù)魚(yú)類(lèi)的避難場(chǎng)所，營(yíng)造出適宜生物棲息的空間。

4)石梁用塊石為散粒體結(jié)構(gòu)，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，石梁的塊石間發(fā)生小的錯(cuò)動(dòng)，并不影響其調(diào)節(jié)流速，改變水流形態(tài)的作用，適合在寒冷地區(qū)應(yīng)用。

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Experimental study on effect of stone beams on flow haracteristics

WANG Yu，ZHONG Hua，ZHANG Bin

(Heilongjiang Provincial Hydraulic Research Institute，Harbin 150080, China)

Stone beam is an eco-engineering with the merits of nature，ecology，environmental protection and convenient construction.Hydraulic model test is carried out，which researches the influence of stone beams on flow characteristics.The experimental results show that：1) The layout of stone beams has a significant influence on velocity distribution，water depth and water flow patterns; 2) It is propitious to shape diversified flow conditions，which can provide suitable habitat conditions for the survival，shelter and propagation of organisms; 3) Compared to lognitudinal stone beam，the lateral stone beam greatly benefits shaping diversified flow conditions，but the backwater effect is even more significant.In practice，we should consider ecological requirements and upstream backwater conditions before layout stone beams.

stone beam;hydraulic experiment;flow velocity distribution;backwater effect

10.13524/j.2095-008x.2015.02.021

2014-12-20;

2015-02-04

王 宇(1982-)，男，吉林松原人，工程師，碩士，研究方向：寒區(qū)河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)、工程水力學(xué)和生態(tài)水力學(xué)，E-mail:wangyu19820224@163.com。

TV131.65

A

2095-008X(2015)02-0013-06