仿生型柔性促淤護(hù)灘結(jié)構(gòu)在漢江河口段航道整治工程中的試驗(yàn)研究

王欣霖，張 誠(chéng)

(1.長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430011；2.長(zhǎng)江航道測(cè)量中心，湖北 武漢 430010)

在長(zhǎng)江航道整治工程中對(duì)關(guān)鍵洲灘守護(hù)多使用軟體排，因軟體排適應(yīng)河床變形能力較強(qiáng)，能有效護(hù)底固灘[1]。軟體排多采用塊石或透水框架等偏剛性的結(jié)構(gòu)壓載抗掀。剛性透水框架既阻水又透水[2]，消能促淤效果良好[3]，且便于工廠化大批量生產(chǎn)，施工簡(jiǎn)單，所以應(yīng)用廣泛。但是該結(jié)構(gòu)也存在不足:1)偏剛性的結(jié)構(gòu)適應(yīng)局部沖刷變形的能力欠佳，而且當(dāng)拋投量較小或遇強(qiáng)水流時(shí)，促淤效果較差；2)預(yù)制需要專門場(chǎng)地，運(yùn)輸效率偏低；3)多層透水框架拋投時(shí)，層與層之間的鉤連性較弱，難以達(dá)到理想的堆積高度，經(jīng)濟(jì)性較差。為此，漢江河口段整治工程研究中提出一種介于剛性和柔性之間的結(jié)構(gòu)形式——仿生型柔性促淤護(hù)灘結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由促淤網(wǎng)箱和柔性三維網(wǎng)片兩部分組成，整體由輕質(zhì)柔軟的網(wǎng)面構(gòu)成。它兼具剛性和一定的變形能力，結(jié)構(gòu)輕便，可在施工現(xiàn)場(chǎng)組裝，施工簡(jiǎn)易。

為給該結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供理論支撐，通過動(dòng)床水槽試驗(yàn)對(duì)該結(jié)構(gòu)防沖促淤的特性進(jìn)行研究，在模型試驗(yàn)結(jié)果良好的基礎(chǔ)上，將其首次應(yīng)用于漢江河口段航道整治工程白鴿嘴灘段中并通過工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢驗(yàn)研究成果。

1 工程概況

漢江河口段位于湖北武漢市，上起蔡甸，下至南岸嘴，全長(zhǎng)33 km，與長(zhǎng)江河軸線約成67°交角。從河道形態(tài)看，該河段由一系列單一彎道和介乎其間的過渡段組成。根據(jù)河道的平面特性，將本河段分為張家臺(tái)、熊家臺(tái)、胡家臺(tái)、白鴿嘴、舵落口、黃金口、閻王嘴、四明和月湖共9 個(gè)灘段(圖1)。

圖1 漢江河口段河勢(shì)

河段受上游來水來沙、下游長(zhǎng)江頂托及大型水利工程的影響，枯水期水動(dòng)力減弱，中水歷時(shí)縮短，洪水期削幅有限的大洪峰對(duì)河床的沖淤影響將因常規(guī)洪峰的幾近消失而強(qiáng)化。河床總體呈現(xiàn)洪淤枯沖，河段內(nèi)流速變幅較大。河床以粉細(xì)砂為主，易沖刷。河床質(zhì)中值粒徑為0.09～0.12 mm，懸移質(zhì)中值粒徑為0.015～0.10 mm。

漢江河口段航道整治工程設(shè)計(jì)流速3.65 m∕s，設(shè)計(jì)低水位12.18 m，施工水位14.18 m。

2 仿生型柔性促淤護(hù)灘結(jié)構(gòu)

仿生型柔性促淤護(hù)灘結(jié)構(gòu)由促淤網(wǎng)箱和柔性網(wǎng)片兩部分組成。網(wǎng)箱尺寸為2.0 m×1.0 m×0.3 m(長(zhǎng)×寬×高)，柔性網(wǎng)片尺寸為1.0 m×1.3 m(長(zhǎng)×高)，柔性網(wǎng)片長(zhǎng)邊固定于網(wǎng)箱寬邊，其余部位不再固定(圖2)。網(wǎng)箱蓋板及柔性網(wǎng)片選用加筋三維網(wǎng)，其余部分采用六邊形雙絞合鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)箱內(nèi)裝填塊石。加筋三維網(wǎng)由六邊雙絞合鋼絲網(wǎng)熱黏聚丙烯復(fù)合而成，鋼絲采用鍍高爾凡覆聚酰胺。

圖2 原型構(gòu)件

3 試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)

試驗(yàn)在長(zhǎng)26 m、寬3.2 m、高0.6 m 的玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行，流速測(cè)量?jī)x器采用50 Hz ADV，共布置7 條流速斷面，10 條地形斷面(圖3)。

圖3 水槽試驗(yàn)段及斷面布置

天然床沙中值粒徑約為0.17 mm。根據(jù)模型相似準(zhǔn)則，在滿足起動(dòng)、沉降及懸浮擴(kuò)散相似的前提下，選取d50＝0.3 mm、λd＝0.667 的復(fù)合塑料沙。

為充分研究該構(gòu)件的穩(wěn)定性及防沖促淤等方面的效果，動(dòng)床試驗(yàn)將柔性促淤護(hù)灘構(gòu)件按照幾何比尺1∶10 縮小，試驗(yàn)工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況

3.2 結(jié)果

3.2.1 方案1

無防護(hù)區(qū)沖刷比較明顯，形成陡坡，刷低幅度約2.6 cm；上游至防護(hù)前區(qū)地形陡然攀升，防護(hù)區(qū)內(nèi)床面淤積，淤積幅度約為7.1 cm；防護(hù)后區(qū)形成縱向緩坡，淤積幅度有所減小防護(hù)前區(qū)及邊緣單元體有沖移現(xiàn)象。防護(hù)區(qū)內(nèi)LS3＃、LS4＃斷面較防護(hù)區(qū)外LS1＃斷面流速減小60%(圖4)。

圖4 方案1 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 方案2

上游及防護(hù)前區(qū)略有沖刷，防護(hù)區(qū)內(nèi)淤積效果逐步增強(qiáng)，后區(qū)淤積幅度趨于平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯的峰形淤積體，防護(hù)區(qū)上游及下游坡比相較前述方案更為平緩。LS3＃、LS4＃流速分布基本一致，流速減小幅度約50%(圖5)。

圖5 方案2 試驗(yàn)結(jié)果

本方案采用6 個(gè)網(wǎng)箱連片結(jié)構(gòu)，其整體性較方案1 加強(qiáng)，防沖結(jié)構(gòu)僅在防護(hù)前區(qū)有前傾位移的現(xiàn)象。

3.2.3 方案3

基于前述2 個(gè)方案促淤結(jié)構(gòu)均有不同程度的位移，為避免水流對(duì)促淤結(jié)構(gòu)底部床沙的沖刷，將方案優(yōu)化為在促淤結(jié)構(gòu)下方先鋪設(shè)1 層軟體排護(hù)底。

上游淤積體平緩過渡至防護(hù)前區(qū)，前區(qū)與后區(qū)淤積程度基本一致，無明顯區(qū)分；后區(qū)到軟體排守護(hù)擴(kuò)大區(qū)域形成一個(gè)緩坡，軟體排守護(hù)區(qū)邊緣到守護(hù)區(qū)以外形成了第二個(gè)緩坡，兩段緩坡的坡度均較平緩。LS3＃、LS4＃流速分布基本一致，流速減小幅度都約50%(圖6)。

圖6 方案3 試驗(yàn)結(jié)果

本方案采用軟體排護(hù)底后，因守護(hù)區(qū)域?yàn)┟娌辉偈芩鞯奶运_失，結(jié)構(gòu)的整體性和防沖促淤效果均顯著加強(qiáng)，成片結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)陷落及橫移情況，淤積厚度也較為均衡。

3.2.4 方案4

為進(jìn)一步觀測(cè)該結(jié)構(gòu)在大流速下的護(hù)灘效果，將方案3 平均流速提高至0.41 m∕s，其余試驗(yàn)條件不變。

在大流速作用下，上游及防護(hù)前區(qū)呈沖刷狀態(tài)，但在結(jié)構(gòu)前沿有粗顆粒床沙落淤形成緩坡，后區(qū)及尾流區(qū)淤積體顆粒明顯變粗，淤積幅度也有所減小。兩側(cè)過渡區(qū)床面落差變大，未防護(hù)區(qū)域?yàn)┟嬲w進(jìn)一步刷低，沖刷幅度深達(dá)5.77 cm。側(cè)緣形成較為陡直的坡面，坡比約為0.7。LS3＃、LS4＃流速分布基本一致，流速減小幅度約50%。在大流速作用下，因有軟體排對(duì)灘面的防護(hù)，結(jié)構(gòu)區(qū)域的灘面依然平整，柔性促淤結(jié)構(gòu)整體性完好無沖失(圖7)。

圖7 方案4 試驗(yàn)結(jié)果

4 工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

依據(jù)以上研究成果，將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用在漢江河口段航道整治工程白鴿嘴灘段BGZHT1＃護(hù)灘帶(圖8～9)。工程現(xiàn)場(chǎng)歷經(jīng)2 個(gè)秋汛，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:仿生型柔性促淤護(hù)灘結(jié)構(gòu)整體性較好，網(wǎng)箱已被泥沙覆蓋，平均淤高1 m。模型試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，實(shí)現(xiàn)了促淤護(hù)灘的目標(biāo)。

圖8 結(jié)構(gòu)應(yīng)用區(qū)(單位:mm)

圖9 工程應(yīng)用前后

5 結(jié)語

1)同一流速下，成片結(jié)構(gòu)整體性、穩(wěn)定性及促淤性能明顯優(yōu)于單體緊密布置。網(wǎng)箱成片布置，柔性網(wǎng)片間隔布置時(shí)盡管促淤峰值有所降低，但整體守護(hù)效果更好，亦能達(dá)到防沖促淤的效果。

2)在結(jié)構(gòu)下方鋪設(shè)軟體排后平均淤積幅度為無軟體排的1.6 倍，淤積厚度也更為均衡，結(jié)構(gòu)整體性和防沖促淤效果進(jìn)一步加強(qiáng)。

3)當(dāng)來流流速較大時(shí)，雖然結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)有一定程度的淤積，但淤積幅度有所減小。兩側(cè)過渡區(qū)床面落差變大，坡度較陡，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，仍具有一定的促淤效果。