護(hù)岸透水框架減速消能機(jī)理分析

陳 晗

(福建省莆田市水務(wù)集團(tuán)有限公司；福建省莆田市水利投資有限公司，福建 莆田 351100)

江河中岸坡、江心洲等迎水部位常年被來(lái)水沖刷；隨沖刷常年累積，諸多堤岸常常發(fā)生崩塌現(xiàn)象。此現(xiàn)象在尚未徹底治理的大江大河岸坡更為顯著，這造成了河道河勢(shì)不穩(wěn)，沖淤變化頻繁，岸灘沖刷崩塌的現(xiàn)象十分普遍[1]。四面六邊透水框架利用柔性構(gòu)件消殺水能原理而應(yīng)用于諸多和河道治理工程中，成效顯著[2]。自然狀態(tài)下，因河岸、橋墩、分水閘等阻水物外形上存在差異，河道內(nèi)水流流速分布迥異，透水框架達(dá)到減速滯阻的水力環(huán)境不盡相同；其長(zhǎng)寬比、架空率和框架長(zhǎng)度[3]都直接或間接地影響其消能減速促於效果。當(dāng)前，有關(guān)研究學(xué)者[4-5]已作部分基礎(chǔ)研究，但其成果并沒有定性分析透水框架各因子單獨(dú)以及組合情況下對(duì)減速消能的影響。因此，本文采用控制變量分析減速率隨架空率、長(zhǎng)寬比等因素變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選在長(zhǎng)、寬、高為1.50 m×0.50 m×0.25 m的變坡水槽中進(jìn)行，水槽用水取自恒壓水箱下部水管，流速由進(jìn)水開關(guān)控制，初始流態(tài)由橫豎型穩(wěn)流裝置控制，尾水采用移動(dòng)控制閥門控制方型出口大小進(jìn)而控制出口處水流流線收縮幅度及影響范圍。試驗(yàn)中水流速采用旋漿式光電流速儀，流速測(cè)量范圍為0.10～1.50 m·s-1。

河道治理工程中透水框架以為橫截面0.10 m的正方形且棱長(zhǎng)為1.00 m的結(jié)構(gòu)形式[6]?；诓牧蠀?shù)與幾何尺寸相似的原則[4]，采用橫截面積為5.85 mm2的圓柱形光滑鋁絲作為透水框架體材料，詳細(xì)尺寸如表1所示。

試驗(yàn)時(shí)待水槽內(nèi)水流均勻且穩(wěn)定后選擇槽內(nèi)中部偏后、水面較為平順的一定長(zhǎng)度水槽進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量測(cè)點(diǎn)流速并記錄。具體布置形式及測(cè)點(diǎn)位置選取見圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置圖見照片1。

表1 模型與原型護(hù)岸材料尺寸[4]

2 透水框架消能微觀分析

透水框架體長(zhǎng)寬比為組合支架單根長(zhǎng)度與其截面寬度之比，框架架空率則為空心體積與框架實(shí)體的體積比。試驗(yàn)中長(zhǎng)寬比變化是指框架支桿橫截面寬度不變，支桿長(zhǎng)度增加或減小，現(xiàn)從微觀力學(xué)角度進(jìn)行理論分析框架消能減速機(jī)理。取某個(gè)透水框架為例，架空率(排列空間不變)一定，考慮框架群中控制體水流受力狀態(tài)，結(jié)合流量、長(zhǎng)寬比λ進(jìn)行分析、建模。

圖1 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)設(shè)定布置示意

照片1 部分現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置圖

取透水框架處某一半徑為△r(m)、體積為△V(m3)的小球形水體作為控制體，則控制體等效阻力[7]F大小為：

(1)

式中：F為等效阻力，N；Cd為控制體的等效阻力系數(shù)，m-2；△A為控制體順?biāo)鞣较蛲队懊娣e，m2；ρ為水的密度，kg·m-3；u為水流宏觀流速，m·s-1。

控制體所受重力G為：

G=ρgΔV

(2)

均勻流時(shí)，控制體所受阻力與重力數(shù)值相等，可得控制體等效阻力系數(shù)Cd：

(3)

透水框架高度與水深之比小于0.36[7]，近似認(rèn)為控制體等效阻力系數(shù)Cd等于框架群截面糙率系數(shù)[1]n0。式中其余參數(shù)物理意義同上。

2.1 測(cè)點(diǎn)流速減小分析

當(dāng)透水框架長(zhǎng)寬比在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，框體內(nèi)支桿共同營(yíng)造的干擾環(huán)境與水體固有粘滯性[2]相互作用較為緊密，各個(gè)控制水體所受阻力較大，難于以整體形式穿越透水框架。迫于流體動(dòng)壓等動(dòng)力因素，更多控制水體變向?yàn)楦】刂扑w移動(dòng)，或是向框架體上部運(yùn)動(dòng)從而達(dá)到框架體后部。

因此，在一定范圍內(nèi)，隨著透水框架體長(zhǎng)寬比的增大，各桿件表面積增加、垂直高度增加，與周圍水體接觸面積、體積都進(jìn)一步增加；這也營(yíng)造更大體積、穿越難度高的水環(huán)境，控制水體流動(dòng)也相對(duì)更加困難。這種穿越難度較大、干擾較為強(qiáng)烈的狀態(tài)體現(xiàn)在宏觀上為水槽放置有框架體部分截面的糙率變大，框架體后流場(chǎng)流速變小。

2.2 測(cè)點(diǎn)流速增大分析

若透水框架體相互間排列方式不變，桿件長(zhǎng)寬比越大，桿件越細(xì)長(zhǎng)，透水框架群內(nèi)水流繞過桿件的能力越強(qiáng)，反之則越小；透水框架群架空率一定，桿件長(zhǎng)寬比增大，框架群截面糙率系數(shù)[5]n0減小?？刂企w內(nèi)流量變化量△Q與桿件長(zhǎng)寬比、糙率系數(shù)存在某種不確定關(guān)系，上述定量闡述用特征水體單元微觀定性表示，即為：

(4)

將式(3)代入式(4)，將常量轉(zhuǎn)化為系數(shù)k，簡(jiǎn)化可得：

(5)

式中：k為0.083 mλ2g-1NA-1；其余參數(shù)物理意義同前。

結(jié)合控制體在水流場(chǎng)中變化趨勢(shì)，分析式(5)可知，當(dāng)架空率一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)隨著框架體尺寸l0增大，控制體能保持原有體積△V的可能性增大，隨之控制體半徑△r增大，從而宏觀體現(xiàn)為流場(chǎng)流速△u增大。

3 透水框架消能因素分析

3.1 長(zhǎng)寬比對(duì)減速率影響分析

整理框架體長(zhǎng)寬比水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到各測(cè)點(diǎn)減速率隨透水框架長(zhǎng)寬比變化規(guī)律，見圖2所示。

圖2 各測(cè)點(diǎn)減速率隨長(zhǎng)寬比變化曲線

當(dāng)單個(gè)透水框架體架空率一定時(shí)，結(jié)合“透水框架消能微觀分析”中定量闡述原理，圖2各個(gè)測(cè)點(diǎn)減速率變化曲線特征及其成因概括如下：

(1)框架體長(zhǎng)寬比小于12狀態(tài)，緊靠框架的測(cè)點(diǎn)1流速變化幅度(即斜率大小)穩(wěn)中有增大趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3流速變化幅度相接近?？傮w上，長(zhǎng)寬比小于12，框架體垂直高度不大，單個(gè)透水框架的支桿表面與臨近水體相互作用較為強(qiáng)烈，特征水體單元通過框架體內(nèi)部阻力增加；因框架體垂直高度不大，較多特征水體單元以翻越框架體的可能性增大。

特征水體單元翻越框架體后在測(cè)點(diǎn)2附近存在稍微收縮狀態(tài)，流速相對(duì)增大；繼續(xù)向前流動(dòng)到測(cè)點(diǎn)3時(shí)又有擴(kuò)張趨勢(shì)，流速相對(duì)減小。這造成圖2中測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)3曲線存在兩個(gè)交點(diǎn)情形。

(2)框架體長(zhǎng)寬比處于12至16之間狀態(tài)，測(cè)點(diǎn)1減速率曲線快速上升，約16時(shí)達(dá)到峰值，但在14.8左右出現(xiàn)一個(gè)奇異點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)2所擬合的曲線一直處于穩(wěn)恒上升狀態(tài)，上下偏差不大；測(cè)點(diǎn)3所示曲線變化大體一直平順，但在15.2左右也出現(xiàn)一個(gè)奇異點(diǎn)。處于這一長(zhǎng)寬比范圍的透水框架與周圍水體所營(yíng)造的環(huán)境阻力稍弱于長(zhǎng)寬比小于12狀態(tài)，但因框架體垂直高度增加而相對(duì)增大的翻越阻力增幅大于環(huán)境阻力減小的幅度，因而總體上表現(xiàn)為流速減小幅度較大，減速率劇增。

特征水體單元受到測(cè)點(diǎn)1位置阻力而造成流速變幅較大，運(yùn)動(dòng)到測(cè)點(diǎn)2位置阻力減小，流速稍有增加，這也造成測(cè)點(diǎn)1位置與測(cè)點(diǎn)2位置流速存在較大差值；向前移動(dòng)到了測(cè)點(diǎn)3位置，基本就恢復(fù)初始狀態(tài)。由于測(cè)量、儀器抖動(dòng)等誤差測(cè)點(diǎn)1曲線和測(cè)點(diǎn)3曲線各自存在一個(gè)奇異點(diǎn)。

(3)框架體長(zhǎng)寬比大于16狀態(tài)，測(cè)點(diǎn)3曲線保持平穩(wěn)狀態(tài)，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2曲線都是處于下降狀態(tài)，并且下降的梯度值較大。由于長(zhǎng)寬比增大，桿件相對(duì)顯得較為細(xì)長(zhǎng)，框架體與周圍水體營(yíng)造的阻力環(huán)境破壞較為迅速，更小特征水體單元以整體形式“通過”框架體的可能性增大。

測(cè)點(diǎn)1曲線迅速下降直接表明，阻力環(huán)境[8]被破壞，減速率急劇下降；框架體桿件周圍存在水體紊動(dòng)，對(duì)一定范圍內(nèi)水流流場(chǎng)形成阻力，這造成流速減小趨于穩(wěn)恒狀態(tài)，隨后即有平穩(wěn)過渡趨勢(shì)。受測(cè)點(diǎn)1位置翻越和穿透的特征水體單元相交錯(cuò)影響，測(cè)點(diǎn)2曲線前期平穩(wěn)過渡；因框架體周圍水體紊動(dòng)局限在框架體周圍，特征水體單元運(yùn)動(dòng)到測(cè)點(diǎn)2位置附近時(shí)已趨于自然狀態(tài)，這造成測(cè)點(diǎn)2曲線后期急劇下降，有緊靠測(cè)點(diǎn)3曲線趨勢(shì)。

3.2 架空率對(duì)減速率影響

根據(jù)框架群架空率水槽測(cè)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制各測(cè)點(diǎn)框架群不同架空率ε的對(duì)減速率η影響散點(diǎn)圖；采用曲線立方插值、最小二乘法等方式進(jìn)行趨勢(shì)線擬合，如圖4所示。

圖3 各測(cè)點(diǎn)減速率隨架空率變化曲線

從流場(chǎng)水流控制體穿越透水框架整體角度，定量分析透水框架架空率與水流場(chǎng)定點(diǎn)減速率關(guān)系曲線。該曲線大致分為兩個(gè)過程：一是架空率小于5的上凹段；二是架空率大于5的下凹段。各個(gè)區(qū)段具體特性如下：

(1)上凹段：各測(cè)點(diǎn)曲線先穩(wěn)步變化，后急劇增加，達(dá)到峰值。架空率逐漸增大時(shí)，框架群內(nèi)部及周圍與水體結(jié)合逐漸增強(qiáng)；這種趨勢(shì)與水流控制體穿透和翻越框架群所受總阻力有相似變化。當(dāng)框架群親水阻力達(dá)最大，減速率達(dá)到峰值。

(2)下凹段：測(cè)點(diǎn)1所示曲線急劇下降，與測(cè)點(diǎn)2減速率值相差不大；測(cè)點(diǎn)2及3所示曲線穩(wěn)步下降。當(dāng)框架架空率增加到一定值時(shí)，框架群內(nèi)部及周圍與水流形成的水體環(huán)境類似于一堵水墻；控制體穿越水體環(huán)境難度增幅特別強(qiáng)烈，幾乎不能穿越透水框架群；這使控制體在框架群水體環(huán)境前形成部分滯留水體，后續(xù)控制體逐步被抬升至框架群上層可能性增大?？蚣苋汉蟛克饕晕膊课蓜?dòng)為主，這大大削弱測(cè)量小球水流動(dòng)壓，進(jìn)而使測(cè)點(diǎn)1曲線急劇下降。更多控制體翻越框架群上部后向前流動(dòng)時(shí)也逐步向下水槽底部紊動(dòng)，這造成測(cè)點(diǎn)2及3曲線平穩(wěn)下降。

3.3 長(zhǎng)寬比及架空率共同影響分析

從上述定量闡述和定性分析，知框架體長(zhǎng)寬比及群架空率對(duì)減速率影響基本具有相似性，但兩者從不同角度闡釋框架對(duì)水流能量消殺作用；它們之間關(guān)系及同時(shí)使用時(shí)對(duì)消能效果的影響仍不清晰。因此下面分析從長(zhǎng)寬比及架空率二者共同作用對(duì)減速率影響。

3.3.1 減速特征等值線分析

查閱框架群各項(xiàng)參數(shù)[8]，框架群拋投長(zhǎng)度、水流環(huán)境等因子相對(duì)固定時(shí)，長(zhǎng)寬比、架空率對(duì)減速率影響成山峰狀。試驗(yàn)中設(shè)定了3個(gè)測(cè)點(diǎn)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)之間減速率差值較大，在進(jìn)行減速率二因子分析時(shí)為盡可能多地利用已采集數(shù)據(jù)，采用各測(cè)點(diǎn)加權(quán)均值進(jìn)行減速率合并處理；其后，使用MATLAB三維繪圖功能繪制散點(diǎn)光滑曲面示意圖、SigmaPlot投影功能繪制曲面下的等高線圖，如圖4所示。

圖4 架空率及長(zhǎng)寬比對(duì)減速率對(duì)影響等高線圖

3.3.2 二因子減速特征分析

圖4所示的減速率影響程度等高線圖形象、直觀，一定程度上定性地展示了長(zhǎng)寬比與架空率對(duì)減速率的影響程度，主要有以下方面：

特征閉合環(huán)。值8所在等高線十分清晰地呈現(xiàn)閉合線，進(jìn)一步印證：在一定水力條件下存在架空率與長(zhǎng)寬比的最優(yōu)搭配使得對(duì)水流流速影響最大，進(jìn)而形成減速率曲面存在峰頂。最佳搭配近似為長(zhǎng)寬比為16，架空率為4.8。

等高線密集程度與彎曲程度。以架空率為5時(shí)的直線整體上將等高線圖分成上下兩部分。上部等高線較下部稀疏，中部較為平緩，這說明架空率對(duì)減速率影響梯度先增大再平緩后減小。上部曲線簇向上呈凹狀，下部曲線簇向下呈凸?fàn)?；這表現(xiàn)各架空率條件下，長(zhǎng)寬比對(duì)減速率影響梯度先正后負(fù)且較為均勻一致。

圖4所示曲面圖定量地體現(xiàn)了長(zhǎng)寬比、架空率與減速率之間存在某種隱含關(guān)系，其概括為如下信息：從曲面彎向坐標(biāo)軸程度，架空率對(duì)減速率的影響程度大于長(zhǎng)寬比。圖示空間曲面存在長(zhǎng)寬比軸、架空率軸兩向彎曲，架空率軸方向彎曲幅度明顯大于長(zhǎng)寬比軸，即架空率方向上的變化梯度大于長(zhǎng)寬比方向梯度。從曲面平面投影上分析，整體狀態(tài)似存在一個(gè)山峰狀，存在長(zhǎng)寬比與架空率對(duì)減速率影響程度最佳的最優(yōu)組合。

4 結(jié) 論

(1)若透水框架體相互間排列方式不變，長(zhǎng)寬比小于16時(shí)，框體內(nèi)支桿共同營(yíng)造的干擾環(huán)境與水體固有粘滯性相互作用較為緊密，水流所受框架阻力較大；宏觀表現(xiàn)為減速率隨長(zhǎng)寬比增大而增大。

(2)桿件長(zhǎng)寬比越大(超過16)，桿件越細(xì)長(zhǎng)，透水框架群內(nèi)水流繞過桿件的能力越強(qiáng)，反之則越小；透水框架群架空率一定，桿件長(zhǎng)寬比增大，框架群截面糙率系數(shù)減小。

(3)架空率逐漸增大時(shí)，框架群內(nèi)部及周圍與水體結(jié)合逐漸增強(qiáng)；這種趨勢(shì)與水流微型單元穿透和翻越框架群所受總阻力同步變化。當(dāng)框架群親水阻力達(dá)最大，減速率達(dá)到峰值。

[1] 張細(xì)兵，孫貴洲，王敏.長(zhǎng)江上游建庫(kù)后武漢至安慶段航道條件變化分析[J].人民長(zhǎng)江，2014(12)：65～69+92.

[2] 簡(jiǎn)富獻(xiàn).護(hù)岸工程中透水框架消能應(yīng)用研究綜述[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2015(14)：59.

[3] 姜聰，朱家明，李春忠.護(hù)岸框架減速效果影響因素的定量分析[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，11(7)：86～89+4.

[4] 王倩蕓，儲(chǔ)昊.透水框架的三方柱繞流數(shù)值分析[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2016(06)：61～68.

[5] 丁兵，劉同宦，雷文韜，等.四面六邊透水框架防護(hù)層穩(wěn)定性試驗(yàn)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2015，49(2)：251～256.

[6] 李長(zhǎng)鈴，柴華峰，呂品，等.四面六邊透水框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)水運(yùn)，2013(10)：43～44.

[7] 況宏偉，谷祖鵬，雷國(guó)平，等.透水框架護(hù)岸模型試驗(yàn)[J].水運(yùn)工程，2016(03)：112～119.

[8] 周生利，劉常全，張俊.混凝土四面六邊透水框架結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)江航道整治中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2012(10)：102～106+114.