黃建宇，張 璠，曾 濤，胡 江

(1.南昌龍行港口集團(tuán)有限公司，南昌 330006；2.長江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，重慶 400074；3.重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074)

長江中游宜昌至安慶航段屬于平原細(xì)沙河道，年際沖淤變化較大，嚴(yán)重制約了長江航運(yùn)經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮[1]。由于軟體排具有較好的適應(yīng)變形能力、良好的透水性以及較強(qiáng)的整體穩(wěn)定性[2-3]，所以通常采用軟體排對(duì)河灘以及河岸近底進(jìn)行防護(hù)。

1 概況

雖然軟體排具有良好的防沖抗變形能力，但在水流沖刷下排體邊緣容易產(chǎn)生沖刷變形，破壞排體穩(wěn)定性，在軟體排基礎(chǔ)上配合壓載體使用可以有效的避免這種問題的發(fā)生[4]。目前，在該河段采用普遍拋投2 m厚的石塊或者人工砼塊體對(duì)排體進(jìn)行壓載以增強(qiáng)其穩(wěn)定性。但排體上的普遍拋石壓載會(huì)改變水流流態(tài)，同時(shí)施工存在一定難度。所以，有必要對(duì)現(xiàn)有軟體排壓載體的布置型式進(jìn)行優(yōu)化，在減小拋石量的同時(shí)，改變近底水流結(jié)構(gòu)、促進(jìn)近底泥沙淤積，達(dá)到對(duì)軟體排壓載的效果。

本文針對(duì)長江中游航道整治工程軟體排護(hù)底結(jié)構(gòu)，在長60 m、寬5 m的水槽模型中對(duì)不同壓載體布置型式及不同參數(shù)下的水流結(jié)構(gòu)分布和泥沙促淤效果進(jìn)行對(duì)比分析，提出了軟體排壓載體的優(yōu)化布置型式。

2 水槽概化模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)與布置

2.1 水槽試驗(yàn)系統(tǒng)

水槽系統(tǒng)構(gòu)成：本次水槽系統(tǒng)布置如圖1所示，水槽系統(tǒng)由渾水?dāng)嚢璩?、前池、進(jìn)口段、試驗(yàn)段、出口段和尾門組成，幾何尺寸為：60 m×5 m×0.95 m(長×寬×高)。

圖1 水槽平面布置簡(jiǎn)圖Fig.1 Layout diagram of flume plane

在光滑明槽中進(jìn)口段長度為(78～87)h[5](h為水深)，本次試驗(yàn)水深為15 cm，進(jìn)口段長度為11.7～13.5 m，為保證水流調(diào)整充分，本次試驗(yàn)進(jìn)口段長度取為30 m；水流在經(jīng)過尾門時(shí)會(huì)受其擾動(dòng)影響，影響長度為50h[6](h為水深)，尾門影響長度為7.5 m，本次試驗(yàn)出口段長度取為30 m；水槽中部為試驗(yàn)段，在試驗(yàn)段內(nèi)水流要素沿程變化較小，為滿足試驗(yàn)布置需求，本次水槽試驗(yàn)段取為10 m。

2.2 水槽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 概化模型比尺設(shè)計(jì)

本次概化水槽模型采用水深和單寬流量控制，根據(jù)試驗(yàn)的內(nèi)容和要求、水槽模型的大小等基本水流條件，水槽模型采用幾何比尺為λ=50的正態(tài)模型[7]。根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料可知，在設(shè)計(jì)流量時(shí)，護(hù)灘帶上水深約為7 m，流速在0.7～1 m/s左右。本次水槽試驗(yàn)水深為15 cm，平均流速為0.13 m/s，換算成原型水流條件分別為水深7.5 m，流速0.91 m/s，水槽模型試驗(yàn)條件可以滿足試驗(yàn)的需求。

2.2.2 試驗(yàn)渾水含沙量的確定

本次工程河段水流含沙量分布如表1所示，本次模型沙選用天然沙，中值粒徑為0.01 mm，與原型沙粒徑基本相同。通過表1可知工程河段多年月平均含沙量最大為0.28 kg/m3，在本次試驗(yàn)中，為了使各方案的泥沙淤積效果更為顯著，試驗(yàn)效果對(duì)比更為明顯，本次試驗(yàn)渾水含沙量取為0.5 kg/m3。

表1 漢口站2003～2015年月均含沙量分布表Tab.1 Distribution of monthly average sediment concentration in Hankou station (2003～2015) kg/m3

2.3 試驗(yàn)方案

2.3.1 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)主要從壓載體布置型式、壓載體邊框?qū)挾?、網(wǎng)格間距等3個(gè)方面進(jìn)行研究，并且確定出試驗(yàn)工況總數(shù)為10組。每組試驗(yàn)時(shí)間為4 d，在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)含沙量的變化，及時(shí)補(bǔ)充泥沙保證水流中含沙量穩(wěn)定，具體試驗(yàn)工況如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Test control conditions

2.3.2 測(cè)量布置

本次水槽試驗(yàn)主要采用：正交網(wǎng)格布置、平行四邊形網(wǎng)格布置和條帶狀布置等三種布置型式，并在試驗(yàn)方案中部布置1根測(cè)量斷面，斷面位于網(wǎng)格中間處，流速測(cè)量采用ADV流速儀[8]。具體布置如圖2所示。

3 壓載體布置型式對(duì)水流結(jié)構(gòu)及泥沙促淤的影響分析

由于軟體排上的拋石壓載體對(duì)水流條件產(chǎn)生較大的影響，從而導(dǎo)致其產(chǎn)生不同的泥沙促淤效果。因此，提出正交網(wǎng)格、平行四邊形網(wǎng)格以及條帶狀三種壓載體布置型式，并在概化水槽內(nèi)研究不同的壓載體結(jié)構(gòu)型式的水流結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，包括垂線流速變化規(guī)律和垂線紊動(dòng)強(qiáng)度變化規(guī)律；再通過比較分析泥沙促淤效果，得出最優(yōu)的壓載體結(jié)構(gòu)型式。

3.1 水流結(jié)構(gòu)變化分析

3.1.1 垂線流速變化分析

垂線流速分布受底部壓載體的影響產(chǎn)生較大變化，在相對(duì)水深Z/H>0.33的區(qū)域，流速有所增加，近似呈對(duì)數(shù)分布；在相對(duì)水深0.2

不同壓載體布置型式紊動(dòng)強(qiáng)度變化如圖3所示。當(dāng)壓載體按平行四邊形網(wǎng)格布置時(shí)，流速變化幅度較大，在相對(duì)水深Z/H>0.33的區(qū)域，流速約為0.12 m/s，隨著水深增加流速迅速減小，在相對(duì)水深Z/H<0.2的區(qū)域，流速約為0.056 m/s。當(dāng)壓載體按正交網(wǎng)格布置時(shí)，水流變化幅度有所減小，在相對(duì)水深Z/H>0.33的區(qū)域流速稍有減小，減小到約0.11 m/s，在相對(duì)水深Z/H<0.2的區(qū)域流速增加較大，增加到約0.077 m/s。當(dāng)壓載體按條帶狀布置時(shí)，水流流速和變化幅度都有所減小，在相對(duì)水深Z/H>0.33的區(qū)域，流速減小到約0.105 m/s，在相對(duì)水深Z/H<0.2的區(qū)域，流速增加到約0.065 m/s，流速分布更為均勻。

3.1.2 垂線紊動(dòng)強(qiáng)度變化分析

紊動(dòng)強(qiáng)度是表示水流運(yùn)動(dòng)劇烈程度的重要參數(shù)，水流中某一點(diǎn)脈動(dòng)流速的均方根代表其紊動(dòng)強(qiáng)度[9]，在網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，水流受底部壓載體的影響變化劇烈，紊動(dòng)強(qiáng)度增加較大。垂線紊動(dòng)強(qiáng)度變化分為相對(duì)水深Z/H>0.27和相對(duì)水深Z/H<0.27的兩個(gè)區(qū)域，在這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)紊動(dòng)強(qiáng)度隨著水深增加先增大后減小，峰值出現(xiàn)在流速變化較大的相對(duì)水深Z/H=0.33和相對(duì)水深Z/H=0.2附近處，在壓載體頂部相對(duì)水深Z/H=0.27附近處，紊動(dòng)強(qiáng)度局部最小。

不同壓載體布置型式紊動(dòng)強(qiáng)度變化如圖4所示。當(dāng)壓載體按平行四邊形網(wǎng)格布置時(shí)，縱向壓載體與水流夾角呈45°，對(duì)水流影響較大，在相對(duì)水深Z/H<0.27的區(qū)域縱向紊動(dòng)強(qiáng)度稍大于其他方案，而橫向紊動(dòng)強(qiáng)度稍小于其他方案。當(dāng)壓載體按正交網(wǎng)格布置時(shí)，受底部壓載體的影響減小，縱向紊動(dòng)強(qiáng)度稍有減小，橫向紊動(dòng)強(qiáng)度有所增大。當(dāng)壓載體按條帶狀布置，因?yàn)槿鄙倏v向壓載體的影響，在相對(duì)水深Z/H<0.27的區(qū)域縱向紊動(dòng)強(qiáng)度減小到最小，橫向紊動(dòng)強(qiáng)度增加到最大。

3.2 泥沙淤積變化分析

泥沙的促淤效果主要取決于水流的挾沙能力，而水流挾沙能力又與水流流速和紊動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)，不同方案下在底部區(qū)域流速大幅減小，而紊動(dòng)強(qiáng)度增加較小，水流挾沙能力有所減小，水槽底部的泥沙淤積量都有所增加。

不同壓載體布置型式下泥沙淤積量見表3所示。壓載體按平行四邊形網(wǎng)格布置時(shí)泥沙淤積量最少，按正交網(wǎng)格布置和條帶狀布置時(shí)泥沙淤積量相差不大，但考慮到正交網(wǎng)格邊框占據(jù)區(qū)域，實(shí)際上正交網(wǎng)格布置型式下試驗(yàn)段泥沙淤積量更大。

表3 不同壓載體布置型式下泥沙淤積量Tab.3 Sediment deposition of different pressure carrier arrangements kg

同時(shí)，由于軟體排沿河寬方向?qū)挾韧ǔ＿_(dá)數(shù)百米，若采用45 m的條帶狀間距，中間不進(jìn)行壓載，在水流底部紊動(dòng)增強(qiáng)的情況下，對(duì)于軟體排自身穩(wěn)定性不利。所以，綜合從水流結(jié)構(gòu)變化及泥沙促淤效果比較，壓載體按正交網(wǎng)格布置具有較好的壓載與促淤效果，所以軟體排壓載體布置型式選擇為正交網(wǎng)格，并進(jìn)一步開展不同網(wǎng)格間距、不同邊框?qū)挾鹊葏?shù)對(duì)水流結(jié)構(gòu)和促淤效果的影響研究。

4 網(wǎng)格間距對(duì)水流結(jié)構(gòu)及泥沙促淤的影響分析

通過前面的試驗(yàn)研究確定了壓載體按正交網(wǎng)格布置時(shí)水流條結(jié)構(gòu)和促淤效果較好，為進(jìn)一步探究網(wǎng)格參數(shù)對(duì)水流結(jié)構(gòu)及泥沙促淤效果的影響，從網(wǎng)格間距和壓載體寬度兩個(gè)方面進(jìn)行研究。首先提出4種網(wǎng)格間距，并通過對(duì)比分析不同網(wǎng)格間距下的水流結(jié)構(gòu)變化和泥沙促淤效果，得出最優(yōu)的網(wǎng)格間距。

4.1 水流結(jié)構(gòu)變化分析

4.1.1 垂線流速變化分析

不同網(wǎng)格間距垂線流速變化如圖5所示。網(wǎng)格間距為一倍壓載體寬度時(shí)，網(wǎng)格間距最小，水流受底部壓載體影響最大。在相對(duì)水深Z/H>0.33的區(qū)域，垂線流速較方案前增加較大，約為0.145 m/s，隨著水深增加流速開始迅速減小，在相對(duì)水深Z/H<0.2的區(qū)域，垂線流速減小到約0.02 m/s。壓載體對(duì)水流結(jié)構(gòu)影響隨著網(wǎng)格間距的增大而逐漸減小，當(dāng)網(wǎng)格間距增大到4倍壓載體寬度時(shí)，垂線流速分布與方案前已基本一致。

4.1.2 垂線紊動(dòng)強(qiáng)度變化分析

不同網(wǎng)格間距紊動(dòng)強(qiáng)度變化如圖6所示。在網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)格間距較小時(shí)，水流受底部壓載體影響變化運(yùn)動(dòng)劇烈，紊動(dòng)強(qiáng)度大小和變化幅度較大。隨著網(wǎng)格間距的增加，底部壓載體對(duì)水體影響逐漸減小，水流運(yùn)動(dòng)更為平緩，紊動(dòng)強(qiáng)度也相應(yīng)的減小，分布更為均勻。

4.2 泥沙淤積變化分析

不同網(wǎng)格間距下泥沙淤積量結(jié)果見表4所示，網(wǎng)格間距為1倍壓載體寬度時(shí)泥沙淤積量最少，網(wǎng)格間距為3倍壓載體寬度時(shí)泥沙淤積量與2倍壓載體寬度時(shí)相差不大，但網(wǎng)格間距越大，所用壓載體數(shù)量越少，對(duì)工程河段的影響減小，工程投資也更低。

表4 不同網(wǎng)格間距下泥沙淤積量Tab.4 Sediment deposition of different grid spacing kg

同時(shí)，由于網(wǎng)格間距較小的情況下水流條件更為紊亂，對(duì)工程河段水流流態(tài)造成一定影響。所以，綜合從水流結(jié)構(gòu)變化及泥沙促淤效果比較，壓載體按正交網(wǎng)格布置、網(wǎng)格間距為3倍壓載體寬度時(shí)，具有較好的壓載與促淤效果，所以軟體排壓載體布置型式選擇為正交網(wǎng)格，網(wǎng)格間距為3倍壓載體寬度，并進(jìn)一步開展不同壓載體寬度等參數(shù)的影響研究。

5 壓載體寬度對(duì)水流結(jié)構(gòu)及泥沙促淤的影響分析

通過之前的試驗(yàn)研究確定最優(yōu)的壓載體布置型式和網(wǎng)格間距，為進(jìn)一步探究網(wǎng)格參數(shù)對(duì)水流結(jié)構(gòu)及泥沙促淤效果的影響，從壓載體寬度來進(jìn)行研究。提出3種壓載體寬度進(jìn)行研究，并通過對(duì)比分析不同壓載體寬度下的水流結(jié)構(gòu)變化和泥沙促淤效果，得出最優(yōu)的壓載體寬度。

5.1 水流結(jié)構(gòu)變化分析

5.1.1 垂線流速變化分析

不同壓載體寬度垂線流速變化如圖7所示。在網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，當(dāng)壓載體寬度為5 m時(shí)，網(wǎng)格間距最小，受底部壓載體影響最大，在相對(duì)水深Z/H>0.33的區(qū)域垂線流速約為0.13 m/s，隨著水深增加流速迅速減小，在相對(duì)水深Z/H<0.2的區(qū)域垂線流速減小到約0.025 m/s。隨著壓載體邊框?qū)挾鹊脑黾?，在相?duì)水深Z/H>0.33的區(qū)域水流流速減小，相對(duì)水深Z/H<0.2的區(qū)域流速有所增大。當(dāng)壓載體寬度增加到15 m時(shí)，在相對(duì)水深Z/H>0.33的區(qū)域垂線流速減小到約0.125 m/s，而在相對(duì)水深Z/H<0.2的區(qū)域垂線流速增加到約0.08 m/s，流速分布更加均勻。

5.1.2 垂線紊動(dòng)強(qiáng)度變化分析

不同壓載體寬度紊動(dòng)強(qiáng)度變化如圖8所示。在網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，不同壓載體寬度下紊動(dòng)強(qiáng)度基本相同，當(dāng)壓載體寬度較小時(shí)，受壓載體的影響紊動(dòng)強(qiáng)度增加較大且變化最劇烈。隨著壓載體寬度的增加，紊動(dòng)強(qiáng)度變化幅度稍有減小，分布更為均勻。當(dāng)壓載體寬度增大到15 m時(shí)，垂線紊動(dòng)強(qiáng)度整體最小。

5.2 泥沙淤積變化分析

不同壓載體邊框?qū)挾认履嗌秤俜e量結(jié)果見表5所示。壓載體寬度為15 m時(shí)水槽中間試驗(yàn)段泥沙淤積量最大，并且所用壓載體數(shù)量最少，水流條件最為均勻，對(duì)原有河段影響較小，施工也更為經(jīng)濟(jì)方便。

表5 不同壓載體邊框?qū)挾认履嗌秤俜e量Tab.5 Sediment deposition in different ballast width kg

所以，綜合從水流結(jié)構(gòu)變化及泥沙促淤效果比較，當(dāng)壓載體按正交網(wǎng)格布置，網(wǎng)格間距為三倍壓載體寬度，壓載體寬度為15 m時(shí)的水流結(jié)構(gòu)和泥沙促淤效果相對(duì)較好，所以軟體排壓載體網(wǎng)格邊框?qū)挾冗x擇為15 m。

6 小結(jié)

本文采用大型概化水槽模型試驗(yàn)，從壓載體布置型式，網(wǎng)格間距和壓載體寬度等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究，通過對(duì)軟體排壓載體布置區(qū)域的三維水流結(jié)構(gòu)和泥沙淤積量進(jìn)行測(cè)量，得出了水流結(jié)構(gòu)和促淤效果的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對(duì)軟體排壓載體布置型式進(jìn)行優(yōu)化，主要結(jié)論如下：

(1)受底部壓載體影響，網(wǎng)格內(nèi)原有的垂線流速分布發(fā)生了改變，并形成明顯分區(qū)。在相對(duì)水深Z/H>0.33的區(qū)域流速明顯增加，在相對(duì)水深0.2

(2)相較于天然條件下，垂線紊動(dòng)強(qiáng)度大小和變化幅度有較大的增加，隨著水深增加，紊動(dòng)強(qiáng)度先增大后減小再增大，在壓載體頂部附近紊動(dòng)強(qiáng)度局部最小；隨著網(wǎng)格間距和壓載體寬度的增加，紊動(dòng)強(qiáng)度大小及變化幅度減小。

(3)通過試驗(yàn)研究得出了在正交網(wǎng)格的布置型式、網(wǎng)格間距為3倍壓載體寬度、壓載體寬度為15 m時(shí)總體效果最好，未來航道整治軟體排護(hù)底的壓載體結(jié)構(gòu)型式可借鑒其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。