適用于中小河流受損岸坡修復(fù)的楔形丁壩群水力特性初探

，，

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456；2.長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010)

1 研究背景

近年來，隨著河流治理工程理念的更新和變化，在滿足水資源開發(fā)利用和防洪安全的前提下，如何兼顧河流利用對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，促進(jìn)人與自然的和諧相處，實(shí)現(xiàn)河流利用的長期可持續(xù)性發(fā)展，已然成為現(xiàn)代水利科學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)。水利工程的生態(tài)影響問題已引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，同時(shí)也逐漸成為制約水利水電建設(shè)發(fā)展新的瓶頸[1]。鑒于此，河流再自然化日益成為人們新的必然的選擇[2-3]。

新型的河道內(nèi)流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)物，不同于傳統(tǒng)護(hù)岸單純以增強(qiáng)岸坡防護(hù)剛度為重點(diǎn)，是通過主動(dòng)調(diào)整近岸處的流動(dòng)形態(tài)，將高流速水流挑離至遠(yuǎn)離河岸位置，以達(dá)到保護(hù)堤岸免受沖蝕的目的。此外，經(jīng)河道內(nèi)流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)物作用下流場(chǎng)調(diào)整所形成的沖坑還具有附帶的生態(tài)效益[4]。流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)物作用下河道內(nèi)將形成新的流動(dòng)形態(tài)和沖淤格局，構(gòu)造出急流-緩流交替、深潭-淺灘交錯(cuò)的水流條件和多樣性地貌，使其更貼近天然河流的形態(tài)特征，為魚類或其他底棲生物提供適宜的棲息和產(chǎn)卵場(chǎng)地，從而有助于河流生物種群多樣性的提高。

國內(nèi)外自20世紀(jì)90年代以來，已逐步開展河道內(nèi)新型流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)物的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究工作，如導(dǎo)流屏[5-8]、堰壩[9-12]等。而楔形丁壩群以其阻水性小、穩(wěn)定性好和節(jié)省材料的優(yōu)點(diǎn)在中小河流岸坡修復(fù)領(lǐng)域正獲得廣泛的應(yīng)用[13-17]，并初步形成了具有實(shí)踐指導(dǎo)意義的工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，而國內(nèi)對(duì)于楔形丁壩目前還鮮見有相關(guān)的研究報(bào)道。

2 河道內(nèi)流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)物

目前，國外在傳統(tǒng)丁壩形式基礎(chǔ)上衍生出了多種河道內(nèi)流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)物類型，已廣泛用于河道生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域，分類詳細(xì)，多數(shù)已形成可用于指導(dǎo)工程實(shí)踐的設(shè)計(jì)指南，并積累了較為豐富的安裝、監(jiān)測(cè)和維護(hù)等工程經(jīng)驗(yàn)。而國內(nèi)對(duì)其劃分不甚明確，且多數(shù)還停留在河道控導(dǎo)工程等治河或通航領(lǐng)域，主要以工程應(yīng)用為導(dǎo)向，對(duì)其分類命名較為籠統(tǒng)，且對(duì)生態(tài)效益的關(guān)注較少。

為與傳統(tǒng)丁壩形式相區(qū)分，選取幾種常見的河道內(nèi)流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)物(見圖1)，就其各自的特點(diǎn)和適用性進(jìn)行介紹。

圖1 常見的河道內(nèi)流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)物類型Fig.1 Illustrations of typical instream flow control structures

2.1 單一型堰(rock vane)

單一型堰是一種獨(dú)臂導(dǎo)流結(jié)構(gòu)物，從河岸伸出突入河道當(dāng)中，突出部分約占河道寬度的1/3，并與來流構(gòu)成一定的角度，突入河道的一端直接插入河床，從而自河岸至另一端形成一定坡度，致使突入河道一端即使在小流量時(shí)依然被淹沒在水下，而其余部分則裸露在外。單一型堰通過將高流速水流挑離河岸，在河岸附近形成靜水區(qū)域，從而減弱水流對(duì)河岸的侵蝕，以達(dá)到保護(hù)河岸的目的。

2.2 J型堰(J-hook vane)

J型堰是對(duì)單一型堰的一種改進(jìn)，在突入水中的一端額外布置留有間隔的漂石塊，從而在平面上呈“鉤”狀分布，“鉤”狀部分約占整個(gè)河道寬度的1/3?！般^”狀部分漂石間隔消散了來流部分能量，在下游形成漩渦，有利于泥沙輸移并為魚類提供掩蔽，相比單一型堰能形成更加寬大和更深的沖坑，從而更加利于底棲生物棲息。J型堰同單一型堰一樣，主要布置在河流彎道的凹岸一側(cè)，通過降低河道坡降、流速和切應(yīng)力來防止河岸侵蝕。

2.3 交叉堰(cross vane)

交叉堰是將左右兩岸2個(gè)獨(dú)臂的單一型堰通過與來流相垂直的漂石體相連，三者各占河寬的1/3，垂直來流的中間堰體即使在小流量情況下依然被淹沒在水下。交叉堰主要用來控制坡降并將高流速水流挑離河岸，降低河床切應(yīng)力，從而減弱對(duì)河岸的侵蝕，形成穩(wěn)定的寬深比。交叉堰下游所形成的沖坑，在堰體結(jié)構(gòu)的掩蔽之下，能為底棲生物提供良好的棲息和產(chǎn)卵場(chǎng)地。

2.4 W型堰(W-weir)

W型堰結(jié)構(gòu)同交叉堰類似，同樣是一種跨河道的結(jié)構(gòu)物，通過兩列“V”型漂石體將左右兩岸2個(gè)單一型堰相連。從上游朝下游方向看去，該堰體外型呈“W”型，與交叉堰類似，該結(jié)構(gòu)物同樣起到控制坡降和挑離高流速水流作用以達(dá)到保護(hù)河岸的目的。與交叉堰不同的是在堰體下游構(gòu)成2條平行的河道深泓線，形成多樣化的流態(tài)特征，對(duì)改善魚類棲息地具有積極意義。

2.5 導(dǎo)流屏(submerged vanes/Iowa vanes)

導(dǎo)流屏是一種小型導(dǎo)流結(jié)構(gòu)物，垂直安裝在河床上，與水流構(gòu)成一定的角度，通過人工環(huán)流來重新分布水流與河道斷面內(nèi)的泥沙運(yùn)動(dòng)，從而控制河床的沖淤形態(tài)。導(dǎo)流屏一方面激發(fā)次生環(huán)流，用以消除河流彎段離心力引起的橫向環(huán)流，改變近河床的切應(yīng)力分布，將含沙量較大的水流導(dǎo)入導(dǎo)流屏區(qū)，促進(jìn)導(dǎo)流屏控制區(qū)的淤積；另一方面，它可增大局部水流阻力，減小導(dǎo)流屏控制區(qū)的流速和輸沙能力，有利于含沙水流與推移質(zhì)泥沙的淤積。

2.6 丁壩(spur dike/groyne)

丁壩是從河道岸邊伸出，在平面上與岸線構(gòu)成丁字形的河道整治結(jié)構(gòu)物。其主要作用有束窄河床、導(dǎo)水歸槽、調(diào)整流向、改變流速和導(dǎo)引泥沙等方面。按不同的設(shè)置目的、丁壩布置與水流不同的夾角,丁壩分為正丁壩、上挑丁壩和下挑丁壩。丁壩直接挑托水流遠(yuǎn)離堤岸，從而降低近岸流速和河床切應(yīng)力，促使泥沙在近岸淤積，以達(dá)到保護(hù)堤岸的目的。丁壩少數(shù)情況下也可能被完全淹沒，在壩頂形成過流，造成導(dǎo)流方向的改變。

2.7 楔形丁壩(stream barb/bendway weir)

楔形丁壩是一種低姿態(tài)的獨(dú)臂導(dǎo)流結(jié)構(gòu)物，主要用來保護(hù)堤岸免受沖刷。不同于丁壩單純挑托水流的功能，楔形丁壩壩體自河岸至突入河道一端形成一定坡度，分段淹沒在水下，從而在壩頂形成過流，即使在小流量情況下部分結(jié)構(gòu)物依然淹沒在水下，不但節(jié)省了材料，而且對(duì)水流阻礙作用小。壩體逆水流方向布置，與來流構(gòu)成一定角度(壩體軸線與沿壩根和岸堤交點(diǎn)切線的夾角)，經(jīng)導(dǎo)流后的水流方向與壩體軸線相垂直，既不能因角度過小而使結(jié)構(gòu)物布置失去意義，也不能因角度過大而造成上游過分雍水并威脅結(jié)構(gòu)物自身安全。單個(gè)楔形丁壩的控制范圍有限，而彎道需要防護(hù)的岸坡則一直延伸至下游順直段，壩體通常沿彎道凹岸成群布置，分段保護(hù)岸坡免受沖蝕并發(fā)揮其聯(lián)合作用，最終將河道深泓線移至河道中心線的理想位置。

楔形丁壩通過對(duì)彎道二次流結(jié)構(gòu)的調(diào)整，將高流速水流挑離河岸至河道中心線附近，繼而影響近岸的流速和河床切應(yīng)力分布。由于楔形丁壩被淹沒在水下，垂直壩頂軸線的過流與壩頭附近的收縮流交匯碰撞所形成的水流紊動(dòng)以及壩頂水躍均能就地削減河道內(nèi)的水流能量，避免將水流能量轉(zhuǎn)移至下游河段。合理的楔形丁壩布置會(huì)在上游岸線和結(jié)構(gòu)物附近形成一定范圍的回流區(qū)域，不僅能阻止高流速水流對(duì)河岸的淘刷，而且回水區(qū)穩(wěn)定的水流條件也有助于泥沙沉積。在楔形丁壩持續(xù)水力條件的作用下，丁壩壩頭和緊鄰結(jié)構(gòu)物下游形成沖坑，構(gòu)造出急流-緩流交替、深潭-淺灘交錯(cuò)的水流條件和地貌特征，能夠?yàn)榈讞锘螋~類提供良好的棲息庇護(hù)和覓食場(chǎng)所。此外，楔形丁壩群的聯(lián)合作用還能使河道深泓線從原先貼近凹岸岸線附近遷移至河道中心線的理想位置，從而有助于河勢(shì)的穩(wěn)定。

3 楔形丁壩群導(dǎo)流特性

3.1 193°彎曲水槽試驗(yàn)

本節(jié)選取193°強(qiáng)彎曲水槽試驗(yàn)[18]，參照國外楔形丁壩群的水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在該水槽凹岸布置1組(3個(gè))楔形丁壩群，通過三維數(shù)值模擬的方法對(duì)比結(jié)構(gòu)物布置前后水槽內(nèi)主要水力要素的變化，探討楔形丁壩群的水力特性，以此闡述楔形丁壩群在彎道凹岸岸坡治理的防護(hù)效果。該水槽試驗(yàn)的幾何尺寸和主要水力條件如下：寬度B=1.3 m的193°矩形彎曲水槽在其上游入口和下游出口分別連接9 m長和5 m長的矩形直段，彎段中心線的曲率半徑為Rc=1.7 m，水槽中心線總長為19.7 m，水槽底部為平底。入口流量Q=0.089 m3/s，平均水深H=0.159 m，平均流速V=0.43 m/s，弗勞德數(shù)Fr=0.34。水槽曲率半徑和寬度的比率為Rc/B=1.3，<3，屬強(qiáng)彎曲水槽，二次流效應(yīng)明顯。有關(guān)楔形丁壩的布置參照國外的相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[13]，結(jié)構(gòu)物突入寬度不超過河寬的1/4，突入角度控制在20°～30°之間，坡度≤1/5(入水一端高度為水深的一半)，相鄰間距為長度的1～1.5倍，寬度通常為漂石直徑的2～3倍(本節(jié)考慮模擬需要，寬度取0.1 m)。193°強(qiáng)彎曲水槽內(nèi)楔形丁壩群的平面布置和剖面形狀如圖2所示。

注：A，B，C表示楔形丁壩群編號(hào)；B150表示150°彎段斷面；D0.5表示距彎段出口0.5 m下游順直段斷面，其他類推圖2 彎曲水槽內(nèi)楔形丁壩群布置Fig.2 Layout of stream barbs in channel bend

3.2 三維數(shù)值模擬

對(duì)水槽試驗(yàn)內(nèi)三維水流的模擬采用三維自由表面數(shù)值模型。模型求解以雷諾時(shí)均N-S方程和k-ε紊流模型作為控制方程的三維自由水面模型，數(shù)值方法見文獻(xiàn)[19-21]，對(duì)雷諾時(shí)均N-S方程的求解采用壓力投影的方法。首先，對(duì)控制方程進(jìn)行分層積分，得到半離散化的方程，在前一時(shí)刻壓力值的基礎(chǔ)上，求解包含對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)的動(dòng)量方程，得到中間時(shí)刻的速度場(chǎng)，其中，水平對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)采用Perot’s格式進(jìn)行離散求解；其次，求解由離散連續(xù)性方程和動(dòng)量方程聯(lián)立所得到的壓力Poisson方程，對(duì)中間時(shí)刻速度場(chǎng)進(jìn)行修正，得到新時(shí)刻的速度場(chǎng)；然后，通過滿足自由水面邊界條件的水位演化方程計(jì)算新時(shí)刻的自由水面；最后，求解紊流封閉模型，計(jì)算渦黏系數(shù)。

對(duì)水槽試驗(yàn)內(nèi)三維水流的模擬驗(yàn)證見文獻(xiàn)[19-21]。對(duì)布置有楔形丁壩群情況的模擬，除在彎道凹岸增設(shè)1組(3個(gè))楔形丁壩之外，其余如水槽尺寸、形態(tài)、網(wǎng)格劃分及相關(guān)水力參數(shù)等均保持不變。模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，時(shí)間步長取0.03 s，水平方向共劃分8 428個(gè)網(wǎng)格單元，垂向均勻分30層，糙率取值0.021，模擬時(shí)間150 s，直至水槽內(nèi)流動(dòng)達(dá)到恒定狀態(tài)為止。

3.3 結(jié)果分析

從水槽內(nèi)平面流場(chǎng)和流線分布、典型剖面上水面線和河床切應(yīng)力變化、典型斷面水位、垂向流速分布和二次流變化等幾個(gè)方面，對(duì)布置楔形丁壩群前后的模擬結(jié)果進(jìn)行分析和討論。

圖3為楔形丁壩群作用下彎曲水槽內(nèi)的水位、局部流場(chǎng)和流線分布。從圖3中可以看出，受楔形丁壩群布置的影響，不論是水位還是流場(chǎng)或流線在結(jié)構(gòu)物附近及上方均有明顯的變化，水位在靠近凹岸一側(cè)的均勻梯度分布被打破，結(jié)構(gòu)物上游普遍形成雍水，水位抬升，過結(jié)構(gòu)物后水位下跌，從而水流能量得以部分削減。凹岸流線遇結(jié)構(gòu)物后方向發(fā)生改變，流向向凸岸一側(cè)偏轉(zhuǎn)，在結(jié)構(gòu)物上方基本呈垂直結(jié)構(gòu)物走向流動(dòng)，表明結(jié)構(gòu)物初步達(dá)到將主流挑離凹岸的目的。尤其是在楔形丁壩A和B之間還形成了明顯的局部回流區(qū)域，為泥沙在靠近岸坡一側(cè)沉積創(chuàng)造有利條件。

圖3 布置楔形丁壩群后彎曲水槽內(nèi)的水位和流場(chǎng)(線)分布Fig.3 Contours of water level and streamlines or flow field in channel bend with stream barbs

圖4 布置楔形丁壩群前后3個(gè)典型剖面上水面線與河床切應(yīng)力變化對(duì)比Fig.4 Water surfaces and bed shear stresses at three typical profiles along the channel bend with and without stream barbs

圖4顯示布置楔形丁壩前后典型剖面上水面線和河床切應(yīng)力的變化對(duì)比，3條剖面從150°斷面起始，沿水槽軸線計(jì)算沿程距直至下游出口，分別距凹岸岸壁1/8,1/4,1/2河寬，在研究結(jié)構(gòu)物沿水流方向影響的同時(shí)，也能注意其在橫向上的影響。與布置前相比，楔形丁壩群布置在結(jié)構(gòu)物上游形成雍水，過結(jié)構(gòu)物后水面迅速下跌，并且離岸壁距離越遠(yuǎn),對(duì)水面線的影響越弱，在水槽軸線剖面靠上游位置仍存在雍水現(xiàn)象，但水面線已相當(dāng)平緩。

同樣，沿程河床切應(yīng)力變化表現(xiàn)出類似的現(xiàn)象，河床切應(yīng)力反映出近河床處的水流強(qiáng)度情況。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在靠近岸壁1/8河寬位置，楔形丁壩布置高程相對(duì)較高，流速所受影響最大，雖然因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)物的影響河床切應(yīng)力波動(dòng)較為劇烈，但切應(yīng)力大小相對(duì)結(jié)構(gòu)物布置前已有大幅減弱。1/4河寬剖面上的河床切應(yīng)力也存在微弱的波動(dòng)，切應(yīng)力大小同樣也有所減弱，但在水槽軸線剖面上沿程河床切應(yīng)力明顯增強(qiáng)，說明楔形丁壩群布置已將主流挑托遠(yuǎn)離岸壁的位置，主流向靠近水槽軸線位置發(fā)展，其長期作用能使河道深泓線穩(wěn)定在河道軸線位置。楔形丁壩群布置前岸壁附近的河床切應(yīng)力最大，靠近水槽軸線方向切應(yīng)力較小；而楔形丁壩群布置之后靠近岸壁處的河床切應(yīng)力明顯減弱，相應(yīng)地，水槽軸線位置的河床切應(yīng)力顯著增強(qiáng)，說明楔形丁壩群布置使最大河床切應(yīng)力從凹岸岸壁處向水槽軸線位置偏移，從而起到保護(hù)堤岸免受沖蝕的目的。

圖5為楔形丁壩群布置前后180°斷面上的水位和沿水深平均流速變化對(duì)比，圖5中左側(cè)是彎道凸岸，水面降低；而右側(cè)是凹岸，水面抬升。相較布置之前該斷面上水位均有所抬升，其中在靠近凹岸附近抬升較大。楔形丁壩群布置前斷面上流速大小保持均勻分布，布置后凹岸流速明顯減弱，流速梯度較強(qiáng)；而凸岸流速隨著離凹岸距離越來越遠(yuǎn)則逐步增強(qiáng)。楔形丁壩群布置使該斷面水位雍高，凹岸流速降低，高流速水流被挑托至遠(yuǎn)離凹岸位置，但同時(shí)還應(yīng)防止凸岸一側(cè)被沖蝕的可能。

圖5 布置楔形丁壩群前后180°斷面上的水位和水深方向平均流速對(duì)比Fig.5 Water level and depth-averaged velocity at section 180° with and without stream barbs

圖6 布置楔形丁壩群前后180°斷面上典型測(cè)點(diǎn)垂線流速分布(縱向和橫向流速)對(duì)比Fig.6 Streamwise velocity and transverse velocity at typical points of section 180° with and without stream barbs

圖6為布置楔形丁壩群前后180°斷面上典型測(cè)點(diǎn)位置垂向流速分布對(duì)比，2個(gè)典型測(cè)點(diǎn)均距離凸岸和凹岸0.477 m。從圖6中可以看出，布置楔形丁壩群之后，凹岸一側(cè)縱向流速大小有顯著減弱，垂向流速分布也有較大變化；凸岸一側(cè)縱向流速增大，垂向流速分布基本保持不變，可能帶來凸岸沖刷的不利影響。凹岸一側(cè)橫向流速分布基本與布置前呈對(duì)稱分布，表明表底層流速方向恰恰相反，即由原來的表層流向凹岸，底層向凸岸流動(dòng)的態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)楸韺酉蛲拱读鲃?dòng)，而底層向凹岸流動(dòng)的情況?？拷拱兑粋?cè)的橫向流速表層流速基本不變，中底層流速布置后有所增大。

圖7為楔形丁壩群布置前后180°斷面上二次流流線分布變化，左側(cè)水位抬升為凹岸，右側(cè)水位降低為凸岸。從圖7中可以看出，布置楔形丁壩群之前整個(gè)斷面只存在一個(gè)逆時(shí)針方向的二次環(huán)流，表層向凹岸流動(dòng)，底層流向凸岸。而布置楔形丁壩群之后，在斷面靠近凹岸一側(cè)新形成了一個(gè)順時(shí)針方向的環(huán)流渦，與布置前的二次渦流向正好相反，底層向凹岸流動(dòng)，表層流向凸岸，從而削弱主渦環(huán)流將河床上的沙粒向凸岸一側(cè)輸移，達(dá)到保護(hù)凹岸岸坡免受沖蝕的目的。圖7中的二次流環(huán)流結(jié)果說明，楔形丁壩群布置能有效地改變彎曲水槽內(nèi)的二次流分布，進(jìn)而影響彎道內(nèi)的流速和切應(yīng)力分布。

圖7 楔形丁壩群布置前后180°斷面二次流流線分布變化Fig.7 Secondary flow streamlines at section 180° with and without stream barbs

4 結(jié) 論

在當(dāng)前河流再自然化，強(qiáng)調(diào)適度人工干預(yù)措施進(jìn)行河流生態(tài)修復(fù)以恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的背景下，應(yīng)拓展傳統(tǒng)丁壩水力學(xué)的生態(tài)效益，完善并推廣我國河流生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域河道內(nèi)流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)物的研究工作，進(jìn)行科學(xué)分類與命名，并研究其水力特性。

(1)通過對(duì)彎道內(nèi)楔形丁壩群水力特性的初步研究，從水面形態(tài)、流速和切應(yīng)力及二次環(huán)流等幾方面變化對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，在彎道凹岸岸坡布置楔形丁壩群能達(dá)到將高流速水流挑離凹岸，避免岸坡遭受沖蝕的目的，其作用機(jī)制主要是通過調(diào)整彎道內(nèi)的二次流結(jié)構(gòu)，以發(fā)揮其挑托水流的目的。楔形丁壩群布置會(huì)造成彎道內(nèi)水位雍高，高流速水流向凸岸一側(cè)偏移，其雍水高度和偏移程度與楔形丁壩群的布置方式密切相關(guān)。

(2)本文所采用的三維自由水面模型在成功模擬彎曲水槽三維水流結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，同樣適用于對(duì)河道內(nèi)流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)物作用下水槽內(nèi)三維水力特性的模擬，該數(shù)值模型可以作為進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)物導(dǎo)流特性的有效工具。