新型柔性導(dǎo)流壩下游斷面水流分布特性試驗

郭 婷，姚 宇,3*，劉 璟，李鑫斐，鄧 斌,3，蔣昌波,3，唐夢君

(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，長沙 410114；2.中交(天津)生態(tài)環(huán)保設(shè)計研究院有限公司，天津 300461；3.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點實驗室，長沙 410114)

水生植物作為一種天然屏障，在護岸與水體修復(fù)等方面發(fā)揮出巨大的作用。而水流流態(tài)是影響水生植被存活與生長的重要因素。工程中常采用設(shè)置整治建筑物來改變水流特性[1-4]，為壩后初生植物生長創(chuàng)造條件。因此如何有效地設(shè)計整治建筑物對于維護水體生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

在整治建筑物對水流特性影響的研究中，對于剛性建筑物特別是丁壩的研究較為充分。例如：Tang等[5]采用大渦模型對丁壩影響下的流速、流線和渦流分布進行了模擬分析。Yazdi等[6]利用Fluent對不同流量、不同丁壩角度和長度影響下丁壩周圍的流場進行了模擬研究。還有一些學(xué)者分析了不同形態(tài)的丁壩壩后的水流特性，如正態(tài)曲面形[7]和臺階式[8]。上述剛性整治建筑物雖然能取得較好的工程效果，但是需要大量的資本投資，而且對河道的水沙動力和生態(tài)環(huán)境具有負(fù)面影響，因此近年來學(xué)者們開展了柔性壩對水流特性影響的研究。如李懷恩等[9]通過野外試驗,研究了沙棘柔性壩各種植參數(shù)對溝道水流水位及流速分布的影響。張鴻敏等[10]基于野外水流試驗探討在不同坡度條件下沙棘植物柔性壩對流速變幅值和水深沿程分布的影響。上述試驗中對柔性壩的研究都是基于天然植物作為壩體，但對于某些難以定植的河流來說是不太可行的，可采用更易于穩(wěn)固的柔性壩作為該類河流的整治建筑物。目前關(guān)于柔性壩的相關(guān)研究僅限于對柔性壩在不同流速下的運作機理和運作形態(tài)的研究[11]，并未發(fā)現(xiàn)有學(xué)者對柔性壩影響下的流速分布開展研究。

因此本文擬采用一種新型柔性導(dǎo)流壩模型，該模型由柔性透水材料制作并采用了主壩和多個支壩相結(jié)合的設(shè)計，旨在改進植物因上層水流流速過大而傾伏于河底的缺點；通過水槽物理模型試驗分析柔性導(dǎo)流壩模型下游斷面的水流特性，有助于以有利于植被生長和恢復(fù)為目的優(yōu)化柔性導(dǎo)流壩的設(shè)計，為水生植被修復(fù)工程提供一種切實可行的解決方案。

1 試驗設(shè)置

本試驗在長沙理工大學(xué)水利試驗中心的長30 m、寬1.2 m、高1.2 m的全自動通用水槽中進行(圖1-a)。根據(jù)江蘇省無錫市某地現(xiàn)場的勘測資料，綜合考慮多個河道原型中水深和流速等因素，按照Froude相似準(zhǔn)則以1：3的長度比尺換算得試驗水深與試驗流速，如表1所示，并結(jié)合原工程實際投放效果與試驗水深設(shè)計導(dǎo)流壩模型。模型由浮筒、矩形主壩和三角形支壩三部分組成(圖1-b)。主壩和支壩均采用透水性良好的柔性聚乙烯格網(wǎng)制作(圖1-c)，多個支壩均勻等距排列縫制連接在主壩兩側(cè)，塑料浮筒安裝在主壩上部，模型充分伸展時總高度為0.51 m。將整個模型用密集的螺絲釘固定在槽底，導(dǎo)流壩兩側(cè)先用鐵桿固定，再用密封劑將邊壁兩側(cè)間隙填塞。模型在沿流方向布置在水槽中段，以減小受到入流和出流口的影響，模型沿槽寬方向均勻布置于整個斷面(圖1-d和1-e)。沿水槽長度方向分別布置3個測量橫斷面，以主壩為原點位置，各試驗橫斷面距離原點的位置分別為：1.3 m、2 m和3 m(分別標(biāo)記為1#、2#、3#斷面)。在每個橫斷面上均勻設(shè)置7條流速測量垂線，相鄰垂線的間距均為0.15 m。對于單條垂線，以當(dāng)前水面下0.04 m為起始位置，自上而下每隔3.5 cm布置一個測點，一條垂線上有10～16個測點。本試驗中的流速測量采用聲學(xué)多普勒三維剖面流速儀(ADCP)，該儀器采樣起始點位于探頭以下4 cm處，測量精度為1 mm/s。為保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與可靠性，試驗中測量頻率采用50 Hz，單點的測量時間為120 s。

表1 河道的參數(shù)范圍Tab.1 The ranges of stream parameters

圖1 試驗設(shè)置(單位：m)Fig.1 Experimental setup

圖2 模型排列方式Fig.2 Model arrangement

本文僅限于研究模型沿整個河流斷面均勻布置的情況，因此并沒有按比尺考慮河流的寬度(本試驗的原型河寬為3.6 m，小于表1中現(xiàn)場觀測的范圍)，但后述試驗數(shù)據(jù)分析將證明水槽壁僅對近邊壁的水流存在一定的影響。將試驗靜水深與模型總高度(浮筒加壩體)之比定義為相對淹沒高度，本試驗擬在表1所示的范圍內(nèi)測試3種水深(0.45 m、0.55 m和0.65 m，分別對應(yīng)的相對淹沒度為0.88、1.08和1.28)、3個入流流量(0.05 m3/s、0.075 m3/s和0.1 m3/s)和3種不同排列方式的柔性生態(tài)導(dǎo)流壩物理模型。模型在保持主壩與水流方向垂直的情況下，通過改變支壩末段的位置，使支壩與主壩的夾角分別為90°、60°和30°，對應(yīng)排列A、B和C，阻水面積比A

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 相對淹沒度對壩下游斷面水平流速垂向分布的影響

水流在壩體存在的前后改變可由流速變化率η來描述，定義為η=(v2-v1)/v1，其中，v1為投放柔性生態(tài)導(dǎo)流壩前測點的流速，v2為投放導(dǎo)流壩后的流速。由上述定義可知流速變化率的值越小，模型對該測點的減速效果越好。圖3-b展示了圖3-a三種淹沒度下有模型時的流速相對無模型時的減速率：在相對淹沒度0.88和1.08工況下流速變化率較為接近，均大約以相對水深z/h=0.55為界，分界點以上斷面平均流速變化率小于0，此時模型對水流具有減速效果，且該效果隨著相對水深的減小而加強，在水面附近可以達到40%；由于整個斷面流量守恒，在分界點以下則模型對水流具有加速效果，在水底附近水流加速了近80%；而在相對淹沒度為1.28時情況則相反，以相對水深z/h=0.6為分界點，在分界點以下，斷面平均流速變化率小于0，表現(xiàn)為減速，且減速效果隨著相對是水深的增加而加強，并在z/h=0.3位置達到最強，近60%；在分界點以上則對水流具有加速效果，最大加速率約為60%。

3-a 無量綱水平平均流速(u/gh)3-b 流速變化率(η)沿相對水深(z/h)的分布圖3 模型相對淹沒度變化下3# 橫斷面上無量綱水平平均流速(u/gh)和流速變化率(η)沿相對水深(z/h)的分布Fig.3 Distribution of the dimensionless mean streamwise velocity and the velocity variation rate with the relative water depth (z/h) on the cross-section 3# under different relative model submergences

2.2 入流流量對壩下游斷面水平流速垂向分布的影響

圖4-a展示的是相對淹沒度為0.88和模型支壩與主壩角度為90°(排列A)時，試驗的三種入流流量下(0.05 m3/s、0.075 m3/s和0.1 m3/s)3#斷面(對斷面上7條垂向測線進行平均后)水平流速的垂向分布，并與無模型的情況進行的對比。從圖4-a可以發(fā)現(xiàn)：相對于無模型的情況，有模型存在時三種入流流量下垂向水流結(jié)構(gòu)均顯著改變，斷面平均流速除了底部邊界層附近外均隨著相對水深的增大而增加，這同樣是由于2.1節(jié)所述的在淹沒度0.88時上層水體由于受到浮筒的阻擋水流流速減小，此時斷面要維持流量守恒則更多的水流需要通過下層透水性較好的壩體，因此下層水體的流速顯著增大。對比不同的流量的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：上層的水流流速較為接近，斷面流量的差異主要通過下層流速差異的增大來實現(xiàn)；底部邊界層附近存在一定的測量誤差，特別是流量為0.1 m3/s時的近底位置處，這是因為流量較大時水流與模型支壩底部相互作用加強，導(dǎo)致水流更加紊亂。

圖4-b展示了淹沒度為0.88和模型支壩與主壩角度為90°(排列A)時，試驗的三種入流流量下模型的斷面水平流速相對無模型時的變化率。圖中可以發(fā)現(xiàn)入流流量變化基本上不改變模型下游相對于無模型情況時流速的減速和加速效果：三種試驗流量下流速變化率的垂向分布基本相同，流速變化率大致上均隨著水深的增大而呈線性增長，并在大約相對水深z/h=0.5位置表現(xiàn)出從減速到加速的過渡；最大的減速率約為60%，發(fā)生在測量的最小水深z/h=0.85處，不考慮近底部的誤差最大加速率約為60%，發(fā)生在測量的最大水深z/h=0.2處。

4-a 無量綱水平平均流速(u/gh)4-b 流速變化率(η)沿相對水深(z/h)的分布圖4 入流流量變化下3# 橫斷面上無量綱水平平均流速(u/gh)和流速變化率(η)沿相對水深(z/h)的分布Fig.4 Distribution of the dimensionless mean streamwise velocity and the velocity variation rate with the relative water depth (z/h) on the cross-section 3# under different inflow rates

2.3 模型支壩與主壩的夾角對壩下游斷面水平流速垂向分布的影響

圖5-a展示的是相對淹沒度為0.88和水槽流量為0.05 m3/s時，模型支壩與主壩夾角不同的三種排列下(A、B和C)3#斷面(對斷面上7條垂向測線進行平均后)水平流速的垂向分布，并與無模型的情況進行的對比。從圖4-a可以發(fā)現(xiàn)，測試的3種排列模型下游的水平流速垂向分布規(guī)律一致：斷面平均流速隨著相對水深的增加而增加，但在底部附近由于邊界效應(yīng)斷面平均流速隨著相對水深的增加而減小，其原因與2.1節(jié)相對淹沒度為0.88時工況一致。對比3種模型排列方式下的流速發(fā)現(xiàn)：在相對水深z/h=0.6以上位置，3種排列相對無模型時對水流的阻流效果類似，因為主要是受浮筒的影響；在相對水深z/h=0.6以下位置，水流相對于無模型時均得到了加速，但是流速增加幅度隨著主壩與支壩夾角的增大而增大，特別在相對水深z/h=0.2的最大流速位置，排列A(夾角90°)下的水平流速較排列C(夾角30°)下增大約15%。

圖5-b展示了相對淹沒度為0.88和水槽流量為0.05 m3/s時，3種排列下的斷面水平流速相對無模型時的流速變化率。與圖4-a流速的分布基本對應(yīng)，3種排列下的流速的變化率均隨著水深的增大而呈線性增長。在相對水深z/h=0.6以上時，3種排列的流速變化率相似，均表現(xiàn)為減速效應(yīng)；在此水深以下時，流速變化率隨著主壩與支壩夾角的增大而增大；在相對水深z/h=0.5以下時，模型的影響表現(xiàn)為加速；在相對水深z/h=0.2時排列A(夾角90°)達到的最大加速效果約為60%，排列C(夾角30°)約為40%，兩者相差20%，而排列B(夾角60°)的加速效果始終介于二者之間。

5-a 無量綱水平平均流速(u/gh)5-b 流速變化率(η)沿相對水深(z/h)的分布圖5 模型支壩與主壩的夾角變化下3# 橫斷面上無量綱水平平均流速(u/gh)和流速變化率(η)沿相對水深(z/h)的分布Fig. 5 Distribution of the dimensionless mean streamwise velocity and the velocity variation rate with the relative water depth (z/h) on the cross-section 3# under different angles between the main dike and the branch dike

6-a y/b=0.1256-b y/b=0.2506-c y/b=0.3756-d y/b=0.500

6-e y/b=0.6256-f y/b=0.7506-g y/b=0.875注:y為測線到水槽右邊壁的距離;b為水槽寬度。圖6 模型支壩與主壩的夾角變化下3# 橫斷面上各測線(y/b)的流速變化率(η)沿相對水深(z/h)的分布Fig.6 Distribution of the velocity variation rate with the relative water depth (z/h) for sampling profiles (y/b) on the cross-section 3# under different angles between the main dike and the branch dike

由于支壩角度變化后的模型排列B和C相對于水槽中心線不再對稱，水流可能會受到水槽邊壁的影響，因此有必要通過分析斷面3#上各測線上流速的分布情況，來驗證圖5中采用各側(cè)線平均后的垂線流速，作為斷面流速代表的合理性。圖6展示了與圖5對應(yīng)的工況下，3種模型排列下所有測線上的水平流速相對無模型時的流速變化率。對比3種模型排列下各測線上的流速變化率發(fā)現(xiàn)：僅在最靠近水槽兩邊壁的測線(y/b=0.125、0.750和0.875)時(y為測點到水槽右邊壁的距離，b為水槽寬度)，3種排列下的上層水流流速變化率表現(xiàn)出一定的差異；同時由于支壩偏向左岸，因此左邊壁的這種差異更大；在靠近右邊壁的y/b=0.125處時，減速率的幅值隨著主壩與支壩的角度(從排列A到排列C)的減小而減小，在靠近左邊壁的y/b=0.750和0.875處時，減速率的幅值隨著角度的增大而減小，因此當(dāng)對斷面所有的測線進行平均時，這種差異會相互抵消，故對斷面所有垂線進行平均后的水平速度變化率的垂向分布(圖5-b)與靠水槽中間側(cè)線上(y/b=0.250、0.375、0.500、0.625)的分布趨于一致，證明了本文選用斷面所有垂線平均后流速來進行分析的合理性。

3 結(jié)論

本文通過物理模型試驗研究了一種主壩與支壩相結(jié)合的新型柔性壩下游水流的分布特性。試驗分別測量了在不同淹沒度、不同流量以及不同支壩角度組合下，壩后斷面水平流速和相對于無壩時流速變化率的垂向分布，通過數(shù)據(jù)分析得到如下主要結(jié)論：

(1)相對淹沒度對水平流速的垂向分布影響十分顯著：當(dāng)相對淹沒度較小時，水流主要通過下層的壩體透過，水體上層流速減小，下層流速增大，減速區(qū)在近表層；當(dāng)相對淹沒度為增大時，水流可翻越壩體通過，上層流速增大，下層流速減小，減速區(qū)在近底層。

(2)壩后斷面水平流速的垂向分布規(guī)律受入流流量變化的影響不大，且垂線上各點的流速隨著流量的增大而增加；斷面流速變化率的垂向分布在3個流量級試驗下趨于一致。

(3)主壩與支壩呈90°夾角時對壩后斷面下層水流流速的垂向分布的改變最大，水流的變化率隨著夾角的增大而增大。

斷面上層水流的減小更適宜保護根系不著生于河床底部的浮游水生植被和漂浮水生植被；斷面下層水流的減小則更利于保護根系固定于河床底部的挺水植物與沉水植被，因此實際工程中可根據(jù)當(dāng)?shù)刂饕参锏奶匦赃x擇因地制宜的柔性壩布置方式。