采用透水排樁對河道影響的數(shù)值模擬分析

劉恒博

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

可作為河道整治結構的建筑物種類繁多，有護堤、溝壩、護岸、堰等，通過相關防護措施可減少河岸侵蝕[1-4]。近年來，我國大力倡導保護河流生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，恢復退化河流的魚類棲息地[5-6]。

丁壩周圍多樣化的水流創(chuàng)造了適合河岸植被和水生生物生存的條件，大多數(shù)學者研究了各種構筑物對河道的沖刷規(guī)律，傅寶龍[7]針對新疆地區(qū)的山溪性河流特點，提出了同時考慮河勢現(xiàn)狀和演變趨勢的河道整治原則，包括布置順壩、護岸或丁壩；黃春花[8]提出河道綜合治理重點應從河道景觀、水質(zhì)修復治理和生態(tài)護坡三方面出發(fā)；黃建權[9]利用二維泥沙控制方程，對沖淤和河床變形進行模擬，得出結論：經(jīng)整治后對流量和潮位影響甚微，但可增加斷面面積增強過流能力。

以上研究主要集中在穩(wěn)定水流的局部沖刷深度和速度分布上，并且對其他類型的結構在河道整治中的應用鮮有對比分析。本文提出一種透水排樁結構(分為全透水和半透水排樁)，用于改善塔里木河水流狀態(tài)。其中半透水排樁結構的特征是在其下方有一個開口(可通過部分水流)，允許流速降低的水流通過此結構，并使泥沙在河岸附近沉積，而上部(不透水部分)封閉，導致近地表水流流向主河道方向。

為了分析透水排樁對水流動力和河道形態(tài)的影響，通過室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬對河道治理構筑物進行了分析，對比不透水丁壩和透水排樁結構，研究了三種類型的結構物在非淹沒條件下對流場和河床變形的影響。

1 室內(nèi)試驗

1.1 試驗裝置

試驗研究在烏魯木齊試驗室進行，水槽長10m，寬0.80m，深0.28m(試驗區(qū)深0.45m)。試驗裝置見圖1。河道坡度為1/800。凹槽附在水槽鋼壁上，在水槽活動部分之前，在上游設置距水槽底部0.1m、長1.0m的假底板，以減小水面變化。在水槽入口安裝了Ⅴ形缺口堰，用來測量流入流量(見圖1)。水槽水深由位于下游端的鋼制后擋板調(diào)節(jié)。使用精度為±0.5mm的游標卡尺測量水位。

圖1 試驗設置(單位：cm)

1.2 試驗過程

試驗采用的水力條件見表1，每次開始試驗之前，水槽由下游的塑料管慢慢灌滿水。一旦達到所要求的水深和流量，試驗就在該沖刷條件下進行。沖刷深度隨所研究結構的不同而變化。用盾構圖確定沉積物(煤)物質(zhì)的臨界剪切速度u*c。

表1 試驗方案

試驗運行時間為6h，然后，流量逐漸減少，防止河床物質(zhì)移動。為了確定最終的河床變形輪廓，仔細地從水槽中排空剩余的水，并使用型號為LK-2500的激光位移傳感器測量不同斷面的沖刷深度。在變形床面測量后，立即將水泥粉均勻地撒在沖刷床面上以固定床面，將充分浸漬水泥粉的沉淀物干燥24h。

采用電磁測流儀測量三維速度分量，電流計的I形探頭測量水平方向(X-Y平面)的速度，另一個L形探頭測量垂直方向(X-Z平面或Y-Z平面)的速度，連接到模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器。探頭放在水中，通過游標卡尺固定，以確定所需位置的速度，通過連接電腦來存儲測量數(shù)據(jù)。

X軸、Y軸和Z軸見圖1。不透水丁壩由1.5cm厚的木制長方體制成，透水排樁由一系列直徑為0.6cm的鋼圓棒制成，設計透水率為50%，并用鋼板堵塞上半部分來代表不透水部分。試驗分三種方案進行，分別為案例1、案例2和案例3，對應不透水丁壩、全透水排樁和半透水排樁；在不透水邊界條件下測試，三種排樁的測試條件完全相同，見表1。

圖2 透水排樁結構

2 數(shù)值模擬

2.1 水動力模型

流動計算的控制方程是基于三維的平均雷諾方程和連續(xù)性方程，連續(xù)性方程的張量表示為

(1)

(2)

式中ui——時均速度分量(i=1,2,3)；

xi——坐標分量；

ρ——流體密度；

Fi——體積力；

p——時均壓力；

υ——流體的運動黏度；

u′i——脈動速度分量，湍流采用k-ε模型。

通過線性本構方程得到雷諾張量：

(3)

式中k——湍流動能；

υt——渦黏系數(shù)；υt=Cvρk2/ε，Cv為常量，ε為單位流體脈動功能的耗散率；

Sij——應變率張量；

δij——變形速度張量。

在模擬中，將入口邊界視為狄利克雷邊界，并給出了所有的數(shù)值。出口邊界設置在遠離凹槽區(qū)域的地方，假設在那里有一個零梯度的第二類邊界。在不透水邊界處采用壁面函數(shù)法，排樁的上封閉區(qū)和下透水開口用一些細網(wǎng)格表示，仿真過程遵循半隱式連接壓力法計算流體動力學方程[11-12]。

2.2 沉積物運移模型

明渠中的泥沙輸運由泥沙質(zhì)量平衡方程在水深h上的積分控制：

(4)

式中zb——基準面以上的局部層位；

λ——河床孔隙度；

qTx、qTy——總輸沙量在x和y方向的分量；

E——向上的近床流；

D——向下的近層通量。

為了計算輸沙率，將其細分為床沙和懸沙。

用蘆田-美惠的經(jīng)驗公式計算河床輸沙量。

(5)

式中qb——河床荷載；

s——沉積物比重；

d——沉積物直徑；

τ*、τ*c、τ*e——無量綱切應力、臨界切應力和有效切應力；

u*、u*c——摩擦速度和臨界摩擦速度。

3 結果和討論

3.1 速度分布

3.1.1X-Y平面結構體周圍速度分布

水平面內(nèi)不同類型結構周圍實測和計算的流速分布結果見圖3～圖4。在案例1(見圖3)中，當水流接近上游的丁壩時，流向主河道的阻塞流在丁壩頂部前形成了混合區(qū)。該水流流向下游，在丁壩之間以及在河岸附近的丁壩下游形成再循環(huán)流。通過對實測結果和模擬結果的比較，發(fā)現(xiàn)不透水丁壩周圍的流動規(guī)律非常相似。由于在模擬計算中對網(wǎng)格進行了細化，可以清楚地看到兩個丁壩之間的再循環(huán)流，以及上游丁壩頭部的流動分離。

圖3 案例1：不透水丁壩在水平面上的流速

與不透水丁壩有很大的不同，全透水排樁模擬結果表明(見圖4)，水流方向沒有發(fā)生很大的變化，實際上與水槽方向平行。試驗結果和模擬結果均表明，流向全透水排樁頭部主河道的水流方向，由于透水性的影響，水流強度較小。在排樁上游方向，靠近河岸處速度會減?。辉谒鹘?jīng)過下游后，速度減小更明顯，這對河岸形成了保護作用。

在觀察半透水排樁時，由于水流通過較低的開口，可以觀察到水流形態(tài)的差異，特別是在兩個排樁結構之間的區(qū)域。從圖5可以看出，水流經(jīng)過上游結構后，流向主河道方向，阻止了二次流的形成。此外，由于上半部分不透水擋板導致的流動分離，使近地面的流動偏離主河道方向，速度也會降低。

圖5 案例3：半透水排樁在水平面上的流速

3.1.2Y-Z平面和X-Z平面截面速度分布

通過分析見圖6～圖9的橫斷面和縱斷面的速度分布，可以更詳細地了解結構周圍復雜的三維流速分布。比較了半透水排樁和不透水丁壩情況(案例1和案例3)，分析這些結構對流型的影響，典型的流型主要包括泡狀流、彈狀流、分層流、波狀流及環(huán)狀流。對X=62.0cm(橫截面)分析，距離上游結構僅2.25cm，Y=72.0cm(縱截面)位于結構中部。

圖6 案例1中不透水丁壩在X=62.0cm處的流速

圖7 案例1中不透水丁壩在Y=72.0cm處的流速

圖8 案例3中半透水排樁在X=62.0cm處的流速

圖9 案例3中半透水排樁在Y=72.0cm處的流速

在兩種情況下，由向下流動引起的上游結構附近形成的垂直渦與計算結果非常相似。然而,半透水排樁在近地表向主流道偏移的情況下流速更高，這比不透水丁壩情況更有效，因為上彎曲板可將近地表流引導到主流道，減小了對結構附近床層的影響?？v向截面清楚地顯示了在兩個不透水丁壩結構上游的向下水流，這導致在結構上游形成渦流。在每個結構的下游，通過低滲透部分的流速降低表現(xiàn)出類似的小幅度垂直渦，會增加那里的沉積過程。

3.2 河床變形

圖10和圖11分別為案例1和案例2平衡條件下河床等值線試驗結果與模擬結果的對比，半透水排樁(案例3)的試驗結果見圖12。

圖10 案例1中不透水丁壩床面等高線

圖11 案例2中全透水排樁床面等高線

圖12 案例3中半透水排樁床面等高線

案例1中由于堵塞流而形成的向下通量是上游地區(qū)沖刷最深的主要原因，在模擬結果中可以驗證這一特征[見圖10(b)]。

案例3為半透水排樁，上部彎曲板向主河道方向的高速近地表流動和通過下部的流動，減小了下行流量的影響，在全透水排樁中也存在同樣的影響。在試驗和模擬中，由于與半透水排樁相比，流速減小幅度較小，因此導致的侵蝕比其他情況都小(見圖11)。

在案例1[見圖4(a)]中可以看到流動分離，這是在排樁之間區(qū)域形成再循環(huán)流的原因，導致了圖10(a)和圖10(b)中觀察到的河岸侵蝕。見圖10，在排樁下游，河岸附近的低速回流導致泥沙淤積。

類似的水流分離也發(fā)生在半透水排樁中(見圖5)，由于表層水流受阻礙作用和底層水流經(jīng)下部透水區(qū)，不能形成循環(huán)流，降低了河岸附近的侵蝕強度。因此，該結構可用作河岸防護。

4 結論與展望

本研究提供了非淹沒條件下半透水排樁周圍流型和河床變形的有關規(guī)律，在相同的水力條件下，考慮結構周圍的流速分布和河床變形，對不透水和透水的結構進行了研究，以驗證其與半透水排樁的異同，主要得到以下結論：

a.分析了半透水排樁構造對泥沙輸運過程的影響規(guī)律，結構體周圍的水流形態(tài)變化和河岸附近的沉積可以保護主河道不受侵蝕，而主河道的侵蝕強度增加會導致河流中形成更深的溝。

b.數(shù)值模型的計算結果對各種情況下的流型都有較好的一致性，特別是在全透水排樁和半透水排樁等復雜結構周圍的流動。通過對泥沙沉積進行計算，可預測河床變形。

c.半透水排樁作為一種有效的河道整治措施，可以替代傳統(tǒng)的丁壩結構。

d.在試驗中觀察到的結構附近的懸移質(zhì)，需要在泥沙輸運模型中加入懸浮泥沙計算進行研究，且需對相同的結構進行水下模擬。