仿生水草墊對(duì)水流運(yùn)動(dòng)影響研究

黃 偉

(長(zhǎng)江航道局，湖北 武漢 430014)

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仿生水草墊對(duì)水流運(yùn)動(dòng)影響研究

黃 偉

(長(zhǎng)江航道局，湖北 武漢 430014)

文章介紹了水草墊的結(jié)構(gòu)型式、制作材料及應(yīng)用環(huán)境，并通過(guò)試驗(yàn)研究，研究其及對(duì)水流運(yùn)動(dòng)影響，為更好地應(yīng)用到工程現(xiàn)場(chǎng)打好基礎(chǔ)。

航道整治；仿生水草墊 ；特性分析

1 概述

在國(guó)內(nèi)，植物護(hù)坡技術(shù)在一些省區(qū)開(kāi)始應(yīng)用并進(jìn)行了一些試點(diǎn)。山西省地處黃土高原，降雨量少，多集中在7、8月份，洪水集中來(lái)勢(shì)迅猛，河水速漲速落、淤積較快，河道多寬淺型。岸坡緩長(zhǎng)，很適宜植樹(shù)護(hù)坡。內(nèi)蒙古莫力廟水庫(kù)砂壩長(zhǎng)達(dá)10km，采用可防止老化的土工織物，結(jié)合植物措施護(hù)坡。哈爾濱市水利局于在松花江北岸進(jìn)行“土工織物結(jié)合植草”的護(hù)坡試驗(yàn)，采用120g以下薄土工織物，下面植草、草芽穿過(guò)土工膜生長(zhǎng)，利用草根固定土工織物，土工織物又可防沖刷。

植物受水流沖刷時(shí)，間隙使水流通過(guò)，而其枝葉可以降低流速，抵御沖刷，形成透水結(jié)構(gòu)型式。但對(duì)于過(guò)于湍急的水流，守護(hù)坡植物會(huì)被水沖走，難以抵御淘刷。植物除了具有耐沖刷的特性外，還需具有耐淹抗旱的功能，以適應(yīng)河道水位的變化。對(duì)于長(zhǎng)江這樣的大江大河，流量大，水位流量年內(nèi)和年際變化大。目前柔性植被的防沖促淤作用已經(jīng)為多數(shù)研究者所共識(shí)，采用仿柔性植被的守護(hù)型式加工制作合適的仿植被材料的產(chǎn)品，既可以發(fā)揮其防護(hù)效果，又可以避免使用天然植被材料選種難、投資大、養(yǎng)護(hù)要求高、防沖能力不足等缺點(diǎn)。本項(xiàng)研究提出一種用于長(zhǎng)江中游荊江河段局部緩流區(qū)的仿生水草墊結(jié)構(gòu)，在水槽中開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究，確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)和布置形式，以便更好地在航道整治工程中應(yīng)用。

2 水草墊結(jié)構(gòu)型式及制作材料

水草墊的基本結(jié)構(gòu)型式是：將較長(zhǎng)網(wǎng)片逆水流方向縫制在網(wǎng)墊上，模擬水草形態(tài)，在洲灘緩流區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)促淤的效果，水草葉片寬0.12m，長(zhǎng)1m，縫制在加筋并系結(jié)砼塊的三維網(wǎng)墊上，見(jiàn)圖1。

圖1 水草墊的結(jié)構(gòu)型式

水草墊制作所需材料要求具有柔韌性好、耐磨、吸水率小、抗沖刷、耐疲勞、環(huán)保經(jīng)濟(jì)等特性。目前，可用于水草墊葉片設(shè)計(jì)的柔性材料主要有：TPU、PA612、PEEK、聚丙烯等。綜合考慮各種因素后，聚丙烯材料制作的仿柔性植被以其優(yōu)良的抗彎曲疲勞性、抗沖刷性、低吸水率、易加工性和經(jīng)濟(jì)的價(jià)格成為最終用于水草墊的制作材料。選用聚丙烯細(xì)絲，加熱壓制成一定厚度的、具有三維形態(tài)的仿水草片(抗拉強(qiáng)度1.5KN/m)。為了加速水體能量向小尺度渦體傳遞，葉片具有不規(guī)則網(wǎng)孔，其抗彎剛度較低。

由于仿生水草墊屬于柔性結(jié)構(gòu)，應(yīng)用的目的在于促淤固灘，不適用于水流較急的河道，適用于緩流區(qū)。

3 試驗(yàn)條件及水草墊置方式

在大、中、小三種流速條件下，對(duì)應(yīng)的水深為0.25-0.33m，水草葉片在水下為全淹沒(méi)狀態(tài)。水草葉片寬度為0.15m，相鄰葉片左右相距0.15m，前后兩排相距0.50m；葉片長(zhǎng)度設(shè)計(jì)有0.25m、0.80m、0.40m、1.20m四種情況，試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。流速測(cè)量位置主要有水草葉片根部(對(duì)應(yīng)工況A)，前后兩葉片間中部(對(duì)應(yīng)工況B)及葉片邊緣(對(duì)應(yīng)工況D)。

表1 試驗(yàn)組次

4 水草葉片附近的流速分布

4.1 水草葉片不同位置的水流運(yùn)動(dòng)特性分析

試驗(yàn)A流速測(cè)量位置位于水草葉片根部前端，試驗(yàn)B測(cè)量位置位于前后相對(duì)的兩片水草中間，試驗(yàn)D流速測(cè)量位置位于左右相鄰的水草葉邊緣連線的中點(diǎn)上，見(jiàn)圖1。試驗(yàn)A、B、D在同一流速條件下所測(cè)流速沿垂線分布與無(wú)葉片覆蓋時(shí)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖2)可以看出，葉片附近的流速分布已不滿足對(duì)數(shù)分布律。在0.8倍水深以下，A、B、D流速均較無(wú)葉片時(shí)明顯減??；在葉片倒伏高度以下，D的流速減小幅度最大。由于葉片受水流作用形成較大的彎曲，在彎曲范圍內(nèi)A、B流速減小，在彎曲高度之上葉片向后倒伏，A、B流速隨之增加；在葉片倒伏高度以下，受葉片的遮蔽作用，A的減速作用強(qiáng)于B；倒伏高度以上，A、B流速分布接近。

A、B的流速分布與剛性、柔性淹沒(méi)植被水流的流速剖面和分層模型十分類似，A流速分布類似于稀疏植被流速分布，B流速類似于密集植被流速分布。對(duì)于B流速分布，葉片倒伏高度以下對(duì)應(yīng)于分層模型的外植被；葉片倒伏高度以上0.6倍水深，對(duì)應(yīng)于分層模型的內(nèi)植被，B的流速分布符合密集植被的定義。

圖2 水草葉片不同位置的流速沿垂線分布

從圖3可以看出，A、B位于葉片前后，其紊動(dòng)強(qiáng)度的分布相似，在葉片倒伏以上，紊動(dòng)強(qiáng)度明顯增加，這說(shuō)明在葉片端部會(huì)形成流動(dòng)分離，同時(shí)葉片端部的擺動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致紊動(dòng)增加。

圖3 水草葉片不同位置的湍流強(qiáng)度沿垂線分布

4.2 不同水流條件下水流運(yùn)動(dòng)特性分析

試驗(yàn)B、F、H、I，流速測(cè)量位置均為于前后兩葉片中間，其對(duì)應(yīng)的流速條件分別為：0.30m/s、0.45m/s、0.63m/s、0.73m/s。從圖4可以看出在倒伏高度以下，流速變化趨近于線性，這說(shuō)明隨著流速增加，葉片遮蔽的減速作用減弱(隨著流速增加，葉片倒伏高度相應(yīng)降低，為了便于說(shuō)明，圖中僅給出流速為0.30m/s的倒伏高度，下同)。對(duì)比圖3、圖4可以看出，隨著流速的增加，對(duì)于大柔性的水草葉片來(lái)說(shuō)，內(nèi)外植被層趨于一致。

對(duì)于不同的水流條件，其紊動(dòng)能沿垂線有類似的分布。從圖5可以看出，隨著流速的增加，倒伏高度減小，紊動(dòng)能最大值沿垂線出現(xiàn)的位置隨之降低。

圖4 不同流速條件下流速沿垂線分布

圖5 不同流速條件下紊動(dòng)能沿垂線分布

5 水草葉片變形

根據(jù)上一小節(jié)的分析，大、中、小不同流速條件下，對(duì)應(yīng)了水草葉片的不同變形，流速、紊動(dòng)能的垂線分布存在較大差異。在極緩流條件下，25cm的水草葉片挺立于水中，其根部發(fā)生了較小的彎曲變形；當(dāng)流速增加到0.30m/s后，彎曲變形加大，此時(shí)水流作用于葉片上的力與葉片的彎曲恢復(fù)力基本平衡，葉片端部穩(wěn)定；流速進(jìn)一步增加到0.45m/s，紊動(dòng)能在葉片倒伏高度附近達(dá)到最大值，葉片端部既有前后擺動(dòng)，也有上下擺動(dòng)，這說(shuō)明水流作用在葉片上的脈動(dòng)壓力有所增強(qiáng)，但還未超越葉片的彎曲恢復(fù)力，同時(shí)葉片端部紊動(dòng)增強(qiáng)，導(dǎo)致渦體脫落流動(dòng)分離；增加到試驗(yàn)最大流速0.73m/s時(shí)，葉片端部擺動(dòng)停止，葉片上的脈動(dòng)壓力大于葉片的彎曲恢復(fù)力，葉片向床面貼合。替換長(zhǎng)度為120m的水草葉片繼續(xù)上述試驗(yàn)，葉片根部變形相差不大，端部則貼附在床面上。

圖6 極緩流條件下的葉片變形

圖7 U=0.30m/s條件下的葉片變形

圖8 U=0.45m/s條件下的葉片變形

圖9 U=0.73m/s條件下的葉片變形

圖10 長(zhǎng)葉片變形(小流速)

圖11 長(zhǎng)葉片變形(大流速)

水草葉片彎曲角度的計(jì)算，既要考慮變形形態(tài)，也要考慮阻水面積。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，隨著流速的增加，葉片的彎曲幅度逐漸減小，當(dāng)流速大于0.45m/s后，阻水面積相差不大。在極緩流速條件下整個(gè)葉片均有阻水作用；流速在0.30m/s時(shí)，葉片的3/4仍然阻水；流速達(dá)到0.45m/s后，阻水長(zhǎng)度不足1/2，在計(jì)算用于水槽模型試驗(yàn)葉片彎曲角度時(shí)宜用平均值。計(jì)算方法為，從葉片端部到葉片阻水位置末端，兩點(diǎn)取直線(L)，與倒伏高度(H)，一同利用三角函數(shù)計(jì)算彎曲角度。對(duì)于流速為0.73m/s葉片彎曲角度為30度。

6 結(jié)論

6.1 水草葉片對(duì)雷諾應(yīng)力的影響分析

水草墊中的水草葉片對(duì)水流阻水作用影響較大，在這部分區(qū)域中，存在紊流的等雷諾應(yīng)力層，而范圍大大地超過(guò)無(wú)工程時(shí)的近壁范圍。水草墊中水流受密集水草葉片阻水效應(yīng)時(shí)，水草葉片有效阻水部位的紊動(dòng)強(qiáng)度劇烈，但該部位雷諾應(yīng)力偏小，且出現(xiàn)等應(yīng)力層，說(shuō)明該范圍內(nèi)流層能量的上下遷移加速度相若，動(dòng)量傳遞相抵，雷諾應(yīng)力數(shù)量級(jí)差別大，說(shuō)明水流受底壁影響，同時(shí)受更明顯的水草葉片粘滯應(yīng)力和繞流阻力影響，且繞流紊動(dòng)應(yīng)力占主要影響地位。

6.2 水草墊阻力特性分析

對(duì)于柔性結(jié)構(gòu)的水草墊，由于淹沒(méi)后受水流影響水草葉片發(fā)生一定倒伏和葉片偏轉(zhuǎn)，有效阻水面積減小，水草葉片阻力也隨之減小，所以在非淹沒(méi)和淹沒(méi)情況下，水草墊阻力隨流速的增大呈先增大后減小的過(guò)程。當(dāng)水草墊非淹沒(méi)時(shí)，水草葉片阻力隨水深的增加而增加，淹沒(méi)后水草葉片阻力隨水深的增加而減小，因此，水草墊選擇實(shí)施部位水深不能太深。

當(dāng)水面高于水草葉片頂部后，水流斷面結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，更多的水流會(huì)從水草葉片頂部阻力小的地方流過(guò)，水草葉片高度段內(nèi)水流流速相對(duì)減小。說(shuō)明了水草葉片阻力其實(shí)是水流條件和水草葉片本身的形態(tài)、剛?cè)岫?、密度等相關(guān)特性共同決定的。水草墊的垂線流速分布類似于雙曲線型，且淹沒(méi)情況下流速拐點(diǎn)要比非淹沒(méi)情況出現(xiàn)的更早。

2016-06-20

黃 偉(1981-)，男，湖北陽(yáng)新人，長(zhǎng)江航道局荊江航道整治工程建設(shè)指揮部工程師，主要從事長(zhǎng)江航道整治工程項(xiàng)目管理工作。

10.3969/j.issn.1672-9846.2016.03.017

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