毛 亮，李玉建，李 鶴，2，耿義鑫

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

1 研究背景

河道整治及水沙防治方面多以透水丁壩為主，就功能作用特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)而言，透水丁壩具有透水孔以透水為目的，產(chǎn)生的回流很小，可以起到攔沙和淤灘作用［1-2］.此前，大部分學(xué)者主要對(duì)透水丁壩水沙調(diào)控性能［3-4］、丁壩壩后回流淤積［5］、丁壩附近沖刷［6-7］等進(jìn)行了研究，隨后學(xué)者們又對(duì)丁壩攔沙機(jī)理［8］、攔沙量與減蝕量計(jì)算［9-10］和攔沙效應(yīng)時(shí)間變化［11］等展開了部分研究.何富榮等［12-13］研究了水力插板在航道攔沙過(guò)程中的應(yīng)用與其特殊的攔沙作用優(yōu)勢(shì).李浩等［14］研究了沙棘“柔性壩”阻水?dāng)r沙作用，結(jié)果表明，不同水沙參數(shù)情況下柔性壩周圍含沙量不同，從上游往下游逐漸呈減小趨勢(shì).彭程等［15］對(duì)沉沙池內(nèi)攔沙簾的攔沙特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，攔沙簾對(duì)泥沙粒徑較大的泥沙截沙率較高.Lien［16］通過(guò)試驗(yàn)分析了攔沙壩對(duì)水沙攔截效率，并且給出了過(guò)流量比例和儲(chǔ)存量比例系數(shù)定義.在2002—2003年期間新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)植物壩攔沙進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，得出了其阻水、攔沙作用以及削減水流剪切應(yīng)力，減小泥沙輸移比，起到攔沙作用［17-19］.插板透水丁壩作為一種新型結(jié)構(gòu)護(hù)岸整治建筑物，相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)型式透水建筑物具有極大的優(yōu)越性，而對(duì)于插板透水丁壩攔沙相關(guān)問(wèn)題缺乏研究，截至目前還未有人對(duì)插板透水丁壩攔沙作用進(jìn)行研究.本文通過(guò)數(shù)值模擬方法計(jì)算分析不同因素下插板透水丁壩壩前河道斷面含沙量變化來(lái)研究插板透水丁壩攔沙作用，為我國(guó)西北部地區(qū)，尤其在新疆干旱區(qū)內(nèi)陸河河道演變治理與生態(tài)修復(fù)等工作提供了新的研究思路.

2 數(shù)值模型及驗(yàn)證

2.1 控制方程

2.1.1 連續(xù)性方程

2.1.2 動(dòng)量方程

式中：u和v為垂線平均流速在x和y方向上分量；g為重力加速度，m/s2；z為水面高程，m；ρ為水密度，kg/m3；h為當(dāng)?shù)厮睿琺；fCov為科氏力系數(shù)；τb表示河床切應(yīng)力，τxx，τxy，τyy和τyx為垂線平均雷諾應(yīng)力.

2.1.3 泥沙輸移 根據(jù)CCHE2D軟件采用以懸移質(zhì)泥沙為主的全沙非平衡輸沙模型，懸移質(zhì)泥沙輸移方程如式（4）所示：

式中：Ck平均懸移質(zhì)濃度，kg/m3；C*k平衡狀態(tài)下懸移質(zhì)的容重，kg/m3；εs沉積物的湍流擴(kuò)散系數(shù)；ωsk沉積物沉降速度，m/s；α為非平衡適應(yīng)系數(shù)；k=1，2，…，N.

2.2 數(shù)值模型

數(shù)值模擬基于張凱［20］物理模型試驗(yàn)，如圖1所示.選取塔里木河新其滿河段洪水流量Q=16.03 L/s作為典型流量，在長(zhǎng)6 m、寬1.2 m、高0.45 m、底坡坡降i=1/500的混凝土水槽中進(jìn)行，模型比尺為：水平比尺λL=93，垂直比尺λH=25，幾何變率比尺e=10，流速比尺λV=5，流量比尺λQ=83 407.93，粒徑比尺λd=0.93，比降比尺λJ=0.1，時(shí)間比尺λt=50，河床糙率比尺λn=0.54.針對(duì)不同因素，共設(shè)計(jì)9種試驗(yàn)方案，選取插板透水丁壩開孔率為30%［20］，插板透水丁壩采用單一正挑布置的方式，插板均勻布置在水槽中.

根據(jù)圖1水槽模型，建立本文數(shù)值模型如圖2.首先建立模型地形文件，用CCHE-MESH結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行劃分，用邊界模塊連接各邊界點(diǎn)，以此形成模型邊界，再對(duì)邊界線進(jìn)行優(yōu)化并劃分網(wǎng)格，取Imax=100，Jmax=300，網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)30 000個(gè)（除加密網(wǎng)格點(diǎn)）.運(yùn)用雙邊界代數(shù)網(wǎng)格形成初始網(wǎng)格，為了提高計(jì)算精度，對(duì)插板透水丁壩周圍網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，并使用RL正交網(wǎng)格（帶光滑函數(shù)-1）來(lái)提高全區(qū)域網(wǎng)格的光滑性、正交性，以達(dá)到網(wǎng)格質(zhì)量?jī)?yōu)化.設(shè)定初始條件，采用實(shí)測(cè)物理模型地形高程數(shù)據(jù)，再用四邊形平面插值的方法，水槽模型設(shè)置了一個(gè)進(jìn)口邊界和一個(gè)出口邊界.初始水面高程根據(jù)實(shí)測(cè)值設(shè)置，進(jìn)口水面高程為0.841 m，出口斷面水面高程為0.826 m，壁面采用無(wú)滑移條件，糙率n=0.010.對(duì)于自由液面的處理，不需要對(duì)其設(shè)置，采用軟件默認(rèn)自由液面，將處理好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入CCHE-GUI進(jìn)行模擬計(jì)算.

圖1 水槽模型平面圖Fig.1 Plan of flume model

圖2 插板透水丁壩數(shù)值模擬及測(cè)點(diǎn)布置圖（俯視圖）Fig.2 Layout of numerical simulation and measuring points of permeable sheet piling spur dike（top view）

根據(jù)塔里木河其滿河段河床性質(zhì)、流量及泥沙特征［20］，對(duì)模擬影響因素參數(shù)進(jìn)行確定.模擬最大流量選取20 a一遇洪水流量16.03 L/s（相當(dāng)于原型1337 m3/s），由于塔里木河河床為粉細(xì)沙河床，粒徑為0.050～0.086 mm，結(jié)合其滿河段實(shí)際情況，選用有效壩長(zhǎng)為25、30、35 cm的插板透水丁壩.

當(dāng)流量為Q=16.03 L/s、泥沙粒徑d=0.050 mm、有效壩長(zhǎng)L=25 cm工況下，選取物理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩條曲線各點(diǎn)基本吻合，說(shuō)明數(shù)值模擬可以準(zhǔn)確進(jìn)行模擬試驗(yàn)，具體見圖3.

圖3 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比圖（7#縱斷面）Fig.3 Comparison of test results and simulation results（7#vertical section）

2.3 攔沙指標(biāo)

攔沙量是指有插板透水丁壩時(shí)橫斷面（8#斷面）含沙量與無(wú)插板透水丁壩（8#斷面）時(shí)橫斷面含沙量之差，即：

攔沙比是指攔沙量與有插板透水丁壩時(shí)橫斷面（8#斷面）含沙量之比，即：

式中：CS攔為插板透水丁壩攔沙量；CSy8為有插板透水丁壩時(shí)橫斷面（8#斷面）含沙量；CSw8為無(wú)插板透水丁壩時(shí)橫斷面（8#斷面）含沙量；φ表示攔沙比.

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 流量對(duì)攔沙作用影響

保持有效壩長(zhǎng)和泥沙粒徑不變，選取開孔率為30%，挑角90°，流量為10.28、13.07、16.03 L/s進(jìn)行模擬計(jì)算.取壩前8#橫斷面含沙量計(jì)算結(jié)果，并繪制含沙量相關(guān)曲線（如圖4）.

流量改變對(duì)插板透水丁壩附近水沙運(yùn)動(dòng)具有一定影響.水槽中布置插板透水丁壩，由于插板透水丁壩對(duì)水沙具有挑流消能以及阻水緩流等作用，丁壩附近泥沙含沙量發(fā)生變化.通過(guò)對(duì)有無(wú)插板透水丁壩時(shí)8#橫斷面含沙量變化分析，隨著流量減小，水流中泥沙運(yùn)動(dòng)趨于緩慢，越靠近插板透水丁壩運(yùn)動(dòng)速度越慢，這樣雖不能反映真實(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，但可以定性地反應(yīng)插板透水丁壩壩前含沙量變化.

圖4 a為插板透水丁壩壩前8#橫斷面含沙量分布、流量和攔沙比與攔沙量分布，可以看出含沙量沿著8#橫斷面從右岸往左岸逐漸增大，并在壩頭附近含沙量達(dá)到最大值.插板透水丁壩布置在河道右岸邊，插板透水丁壩壩前橫斷面隨著流量的增大，水流中泥沙含沙量增大，在壩前攔沙量減小.這是由于流量增大，同時(shí)水流流速也增大，水流中攜帶泥沙量增多并通過(guò)主流區(qū)輸送下游，丁壩具有束水攻沙的作用.由圖4 b可知，流量與攔沙比呈負(fù)相關(guān)、與攔沙量呈正相關(guān).

圖4 壩前8#斷面試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of 8#cross section in front of spur dike

結(jié)果表明，插板透水丁壩攔沙量（比）與水沙條件有密切聯(lián)系，隨著流量增大，插板透水丁壩壩前攔沙比越小，同時(shí)攔沙量減小.其他條件不變時(shí)，流量越大，水流流速越大，水流中攜帶泥沙量也越多，由于插板透水丁壩阻水緩流與挑流作用，使懸沙橫向輸移，最后通過(guò)丁壩主流區(qū)束水攻沙，最終使丁壩攔沙量（比）減小，由此看來(lái)，插板透水丁壩具有攔沙作用.

3.2 泥沙粒徑對(duì)攔沙作用影響

保持流量和有效壩長(zhǎng)不變，選取開孔率為30%，挑角90°，泥沙粒徑為0.050、0.068、0.086、0.104、0.122 mm進(jìn)行模擬計(jì)算.取壩前8#橫斷面含沙量計(jì)算結(jié)果，并繪制含沙量相關(guān)曲線（圖5）.

在流量和有效壩長(zhǎng)一定的情況下，通過(guò)改變水流中泥沙粒徑大小來(lái)觀測(cè)插板透水丁壩壩前8#橫斷面含沙量變化，分析插板透水丁壩攔沙作用.同一流量同一壩長(zhǎng)下，隨著泥沙粒徑增大，8#斷面含沙量逐漸增大，攔沙比增大，但增加幅度相對(duì)較小，攔沙效果顯著.

圖5 a為插板透水丁壩壩前8#橫斷面含沙量的變化情況，可以看出在0～0.25 m處，含沙量隨著泥沙粒徑增大而減小，而且泥沙粒徑越小，含沙量變化也越大，含沙量最大值出現(xiàn)在泥沙粒徑d=0.050 mm，最大值約2.0 kg/m3.每種不同泥沙粒徑，其含沙量最大值出現(xiàn)在壩頭附近，在距壩頭0.25 m處，含沙量變化開始趨于平緩，而且d=0.068 mm要比d=0.086、0.104、0.122 mm在主流區(qū)含沙量高，d=0.122 mm變化幅度比較大.圖5 b可以看出，泥沙粒徑與攔沙比呈負(fù)相關(guān)，與攔沙量呈正相關(guān)關(guān)系.

圖5 壩前8#斷面試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results of 8#cross section in front of spur dike

結(jié)果表明，插板透水丁壩攔沙量（比）與水流中泥沙粒徑有很大關(guān)系，泥沙粒徑越大，壩前水流流速越小，大顆粒粒徑水沙搬運(yùn)速度越低，通過(guò)丁壩作用將其攔截在丁壩前.隨著泥沙粒徑增大，攔沙量增大，同時(shí)丁壩攔沙比增大，由于粗粒徑沉降速度快，需要更大的啟動(dòng)速度，大量粗顆粒泥沙被攔截在丁壩前，從而表明插板透水丁壩在河道中具有攔沙作用，且具有攔截粗沙的作用.

3.3 有效壩長(zhǎng)對(duì)攔沙作用影響

保持流量和泥沙粒徑不變，選取開孔率30%，挑角90°，有效壩長(zhǎng)為25、30、35 cm進(jìn)行模擬計(jì)算.取壩前8#橫斷面含沙量計(jì)算結(jié)果，并繪制含沙量相關(guān)曲線（圖6）.

圖6 壩前8#斷面試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test results of 8#section in front of spur dike

流量和泥沙粒徑一定，改變插板透水丁壩有效壩長(zhǎng)來(lái)觀測(cè)8#橫斷面含沙量變化.同一流量同一泥沙粒徑下，隨著插板透水丁壩有效壩長(zhǎng)增加，丁壩前壅水面積增大，丁壩阻水緩流作用增強(qiáng)，攔沙量逐漸增加，但增加幅度不大.圖6 a所示為插板透水丁壩8#橫斷面含沙量變化情況，可以看出壩前含沙量逐漸增大，不同有效壩長(zhǎng)，含沙量最大值出現(xiàn)的位置不同，其最大值都出現(xiàn)在壩頭附近，并且在有效壩長(zhǎng)為30 cm時(shí)，含沙量最大值最先達(dá)到.主要是由于插板透水丁壩有效壩長(zhǎng)越長(zhǎng)，其阻水緩流和挑水分流作用越強(qiáng)，導(dǎo)致上游丁壩作用區(qū)面積增大，大量水沙速度減緩，水流中泥沙被其攔截，主流區(qū)束窄寬度提高.圖6 b所示為攔沙比和攔沙量與有效壩長(zhǎng)之間的關(guān)系，可以看出，有效壩長(zhǎng)與攔沙量、攔沙比呈遞增關(guān)系，有效壩長(zhǎng)越長(zhǎng)，攔沙效果越好.

結(jié)果表明，流量和泥沙粒徑一定，隨著有效壩長(zhǎng)增加，插板透水丁壩壩前緩流阻水面積增大，阻流與引水挑流能力增加，束窄寬度增加，攔截效果明顯.

3.4 插板透水丁壩某一斷面平均流速

1）天然河道

天然河道某一過(guò)水?dāng)嗝嫫骄魉俚挠?jì)算，通常采用R.Maning公式［21］：

式中：U為河道某一過(guò)水?dāng)嗝嫫骄魉?，m/s；n0為河道糙率；R為河道水力半徑，m；Jp為河道水力坡度.當(dāng)河流為天然游蕩型寬淺河床時(shí)，水力半徑可以用河道平均水深代替（即：h≈R）.

2）透水丁壩下游平均流速

透水丁壩下游平均流速公式［22］：

本文通過(guò)李玉建［22］推導(dǎo)的透水丁壩下游平均流速公式，概化徑距比（d/b）約等于L×p（壩長(zhǎng)與開孔率乘積），用數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證插板透水丁壩減緩流速及攔沙作用，即：

3）插板透水丁壩下游平均流速

無(wú)插板透水丁壩時(shí)河道下游平均流速：

河道平均水力坡度Jp=0.014 6，河道試驗(yàn)糙率n0=0.010，試驗(yàn)下游平均水深hB1=0.275 6 m，下游過(guò)水?dāng)嗝娴钠骄魉伲?/p>

有插板透水丁壩下河道下游平均流速：

丁壩長(zhǎng)L=0.25 m，p=30%，試驗(yàn)下游平均水深hB2=0.224 3 m，插板透水丁壩處水位差?z：

下游過(guò)水?dāng)嗝娴钠骄魉伲?/p>

以上計(jì)算可看出：UB1>UB2，證明插板透水丁壩有緩流作用，在插板透水丁壩作用下，下游河道平均流速降低，對(duì)水沙具有攔截作用，展現(xiàn)出插板透水丁壩在河道水沙治理的優(yōu)越性.

4 結(jié)論

1）插板透水丁壩能減小水流中懸-推移混合質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度，使壩前泥沙含沙量增大，證明了插板透水丁壩具有攔沙作用.插板透水丁壩攔沙作用除了與來(lái)沙條件、丁壩結(jié)構(gòu)型式有關(guān)外，還可能與水流含沙量、河床邊界條件有關(guān)，有待進(jìn)一步研究.插板透水丁壩對(duì)泥沙攔截作用是解決干旱區(qū)內(nèi)陸河泥沙治理的一種有效方法，并具有創(chuàng)新意義.

2）從粒徑分布來(lái)看，粗粒泥沙含沙量表現(xiàn)為先增大后減小，粗粒泥沙最先落淤，被插板透水丁壩攔截壩前；細(xì)顆粒泥沙含沙量先減小后增大，細(xì)顆粒泥沙壩前淤積少，大部分透過(guò)開水孔落淤壩后，證明了插板透水丁壩對(duì)泥沙具有“攔粗排細(xì)”分選作用.

3）隨著插板透水丁壩有效壩長(zhǎng)增加，壩前壅水面積增大，丁壩阻水緩流作用增強(qiáng)，水流中泥沙被攔截，攔沙量增加；流量越大，水流流速越大，水流中攜帶泥沙量越多，由于插板透水丁壩阻水緩流與挑流作用，使懸沙橫向輸移，從而證明了攔沙作用顯著.