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(jié)構(gòu)的建筑物種類繁多，有護堤、溝壩、護岸、堰等，通過相關(guān)防護措施可減少河岸侵蝕[1-4]。近年來，我國大力倡導(dǎo)保護河流生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，恢復(fù)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(xué)者研究了各種構(gòu)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(yīng)從河道景觀、水質(zhì)修復(fù)治理和生態(tài)護坡三方面出發(fā)；黃建權(quán)[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(jié)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(jié)構(gòu)在河道整治中的應(yīng)用鮮有對比分析。本文提出一種透水排樁結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，并使泥沙在河岸附近沉積，而上部(不透水部分)封閉，導(dǎo)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(gòu)筑物進行了分析，對比不透水丁壩和透水排樁結(jié)構(gòu)，研究了三種類型的結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)的不同而變化。用盾構(gòu)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(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)

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(gòu)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(yīng)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(shè)置在遠離凹槽區(qū)域的地方，假設(shè)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(xué)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(yīng)力、臨界切應(yīng)力和有效切應(yīng)力；

u*、u*c——摩擦速度和臨界摩擦速度。

3 結(jié)果和討論

3.1 速度分布

3.1.1X-Y平面結(jié)構(gòu)體周圍速度分布

水平面內(nèi)不同類型結(jié)構(gòu)周圍實測和計算的流速分布結(jié)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(jié)果和模擬結(jié)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(jié)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(jié)果和模擬結(jié)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??；在水流經(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(jié)構(gòu)之間的區(qū)域。從圖5可以看出，水流經(jīng)過上游結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)周圍復(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)僅2.25cm，Y=72.0cm(縱截面)位于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)附近形成的垂直渦與計算結(jié)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(dǎo)到主流道，減小了對結(jié)構(gòu)附近床層的影響。縱向截面清楚地顯示了在兩個不透水丁壩結(jié)構(gòu)上游的向下水流，這導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)上游形成渦流。在每個結(jié)構(gòu)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(jié)果與模擬結(jié)果的對比，半透水排樁(案例3)的試驗結(jié)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(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)可用作河岸防護。

4 結(jié)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(guān)規(guī)律，在相同的水力條件下，考慮結(jié)構(gòu)周圍的流速分布和河床變形，對不透水和透水的結(jié)構(gòu)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(jié)論：

a.分析了半透水排樁構(gòu)造對泥沙輸運過程的影響規(guī)律，結(jié)構(gòu)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(dǎo)致河流中形成更深的溝。

b.數(shù)值模型的計算結(jié)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(fù)雜結(jié)構(gòu)周圍的流動。通過對泥沙沉積進行計算，可預(yù)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(jié)構(gòu)。

d.在試驗中觀察到的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行水下模擬。