局部阻水物附近水流結(jié)構(gòu)研究綜述

姚仕明 曹向楠 丁 兵

(長江科學(xué)院河流研究所，湖北 武漢 430010)

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，河道中各種不同用途、形式各樣的阻水建筑物越來越多，規(guī)模也越來越大。如：用于交通運(yùn)輸?shù)目缃髽?；用于航運(yùn)的港口、船舶；用于防洪導(dǎo)流的丁群壩、透水樁；用于生態(tài)環(huán)保建設(shè)的人工魚礁等。本文將河道中人工修建的阻礙河道水流流動的物體統(tǒng)稱為阻水物。這些阻水物的存在及規(guī)模的擴(kuò)大，顯著改變了河道水流流態(tài)及泥沙輸移規(guī)律。阻水物附近水流結(jié)構(gòu)對于河道演變規(guī)律研究、河道治理與保護(hù)、河道防洪以及航運(yùn)發(fā)展等都至關(guān)重要。目前許多學(xué)者開展了局部阻水物的水流結(jié)構(gòu)方面的研究，觀點(diǎn)也不盡一致，因此有必要對阻水物附近水流水位、流場、流速分布等水流結(jié)構(gòu)方面的研究成果進(jìn)行全面闡述與分析并提出后續(xù)研究建議，為后續(xù)研究以及河流治理與保護(hù)提供技術(shù)支撐。為了便于分析，本文將河道中較為常見的各式局部阻水物(局部阻礙水流運(yùn)動的物體，不包括直接將河道截斷的大壩、水閘、船閘等)歸納整理，按照阻水形式及在河道中水流垂向上所處的位置分為三類：貫穿式阻水物(阻水物底部與河道底部相接，阻水物的上部露出水面，阻水物不會全部被淹沒)、河道底部阻水物(阻水物全部淹沒于河道底部)以及河道上部阻水物(阻水物漂浮于河道水流上部)。

1 貫穿式阻水物

河道中存在著許多貫穿式的阻水物，如人工修建的各種涉河建筑物：橋梁、非淹沒丁壩等。下文將圍繞水位以及流場兩個方面總結(jié)典型貫穿式阻水物對于水流結(jié)構(gòu)的影響。

1.1 水位

河道水流過阻水物時過水?dāng)嗝婷娣e減少，水流流速發(fā)生變化，會引起局部水位壅高。對于貫穿式阻水物水位的研究，出于河道防洪治理等方面的需要，多以壅水水位計算公式的推導(dǎo)為主，探討主要的影響因素。

1.1.1 橋墩

橋墩引起的河道局部壅水一般發(fā)生在橋梁的上游，其最大壅水高度與河道中的水流流量、水流流速、河道水深、河道寬度、河道糙率以及橋梁的阻水面積和橋梁的橋墩橋臺形式等因素有關(guān)[1]。研究人員通過對橋墩開展物理模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬研究以及理論推導(dǎo)來研究橋墩引起的河道水位變化，推導(dǎo)出適用于不同情況的水面壅高計算公式。目前在防洪評價中，與河道正交的橋墩所產(chǎn)生的水位壅高計算運(yùn)用比較廣泛的計算公式有陸浩公式[1-2]、實(shí)用水力學(xué)公式[3]、Yarnell公式[3]、道不松(D’Aubuioson)公式[3]以及Henderson公式[3]等。

1.1.1.1 陸浩公式

(1)

式中：ΔZ為橋墩的最大壅水高度，m；KN為定床壅水系數(shù)；KV為建橋后壅水系數(shù)；Vq為建橋后平均流速，m/s；Voq為建橋前平均流速，m/s。

1.1.1.2 實(shí)用水力學(xué)公式

(2)

式中:α為動能校正系數(shù)；V為天然河道斷面平均流速，m/s；ε為過水?dāng)嗝媸湛s系數(shù)；∑b為建橋后過水?dāng)嗝婵倢?，m；B為無橋墩時水面寬，m；h為建橋前斷面平均水深，m。

1.1.1.3 Yarnell公式

(3)

式中:KY為墩形系數(shù)；V3為橋后平均流速，m/s；α為阻水比。

1.1.1.4 道不松(D’Aubuioson)公式

(4)

1.1.1.5 Henderson公式

(5)

式中:η為橋墩壅水系數(shù)；V2為建橋后平均流速，m/s；V1為建橋前平均流速，m/s。

圖1 最大壅水高度ΔZ隨平均流速的變化

1.1.2 丁壩

非淹沒丁壩作為河道中常用的航道整治建筑物，其用來束窄河床，阻擋水流，降低水流流速，壅高上游水位。相關(guān)研究表明非淹沒丁壩的水面高程與丁壩的束窄度相關(guān)，在束窄度較小時，水位會降低，大約在束窄度(丁壩阻擋的過水面積與丁壩斷面總過水面積的比值)為30%時，丁壩斷面處的水位最低，然后上升，束窄度為60%左右時，丁壩斷面水位與無丁壩水面水位基本一致，之后水位一直上升[6]。透水丁壩同傳統(tǒng)丁壩一樣,會使河道丁壩處上游水位局部壅高。透水丁壩局部壅水高度的研究最初借鑒了傳統(tǒng)丁壩與墩柱的壅水研究結(jié)果。相關(guān)研究表明透水正挑丁壩壅水高度與河道水深成正比,隨壩長或弗勞德數(shù)的增大而增大,而增大透水率則會導(dǎo)致壅水高度的減小[7]。根據(jù)水力學(xué)原理，丁壩的水位壅高計算一般可下按下式進(jìn)行：

(6)

式中：ΔZ為丁壩的最大壅水高度，m；V2為丁壩壩后水流平穩(wěn)處斷面平均流速，m/s；V1為丁壩壩前水流平穩(wěn)處的斷面平均流速，m/s；hw為丁壩的局部水頭損失，m。

由式(6)可以看出，丁壩的壅水計算主要在于確定局部水頭損失，傳統(tǒng)丁壩的壅水計算可按下式計算：

(7)

式中：Qb為丁壩阻擋的流量，m3/s；Q為天然河道流量，m3/s；V0天然河道壩頭處流速，m/s。

透水丁壩的局部水頭損失計算目前一般有攔污柵水頭損失[8]與下游斷面突然擴(kuò)大水頭損失[9]兩種方法，兩者在實(shí)際運(yùn)用中各有利弊，都存在一定缺陷，對于透水丁壩局部水頭損失的研究還有待更加深入。

1.2 流場

河道中由于貫穿式阻水物的存在，在阻水物附近的水流結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，水流途徑阻水物時產(chǎn)生的繞流流場一直是研究的重點(diǎn)，下文將選取橋墩以及丁壩這兩類典型的貫穿式阻水物展開分析。

1.2.1 橋墩

橋墩附近繞流流場變化一直是橋梁研究者關(guān)注的重點(diǎn)。目前，橋墩單墩附近的水流結(jié)構(gòu)一般可以分為墩前向下水流、墩前水面涌波、馬蹄形旋渦和尾流旋渦四部分。雙墩在單墩的基礎(chǔ)上，在兩墩之間存在上升流，在河床底部形成共脫落流態(tài)，水面形成再附著流態(tài)[10-13]。橋墩單墩附近的水流流場如圖2[14]所示。河道水流流經(jīng)橋墩形成的向下水流、馬蹄形旋渦以及尾渦一般認(rèn)為是造成橋墩局部沖刷的重要原因。

圖2 墩柱周圍流場

河道水流的行近流速呈不均勻分布，自水面以下逐漸減少，在河床床面處為零，流經(jīng)橋墩時會形成向下的壓力梯度，向下的壓力梯度使水流向下運(yùn)動，從而形成墩前向下水流。對向下水流的研究進(jìn)行統(tǒng)計，見表1。從表1可以看出(僅限試驗(yàn)數(shù)據(jù))，在沒有沖刷坑形成的時候，墩前最大向下水流流速為行近流速的0.30～0.40，距墩柱表面大約0.02～0.05倍墩徑，距床面的距離數(shù)據(jù)比較分散；在形成沖刷坑的情況下，墩前表面附近最大向下水流流速達(dá)到了行近流速的0.80～0.95倍，其距床面的距離數(shù)據(jù)比較分散。

表1 墩前最大向下水流(豎直對稱面)研究統(tǒng)計

橋墩尾流流態(tài)研究是橋梁研究的熱點(diǎn)，橋墩尾流旋渦與雷諾數(shù)、橋墩排列形式、排列間距、橋墩的直徑等密切相關(guān)。本文選取了部分較為典型的雙圓柱繞流時尾流流態(tài)的研究成果，其對比結(jié)果見表2。

表2 雙圓柱繞流時尾流流態(tài)的研究成果

此外，王珠橋[23]還研究了不同截面型式的橋墩周圍的流場。研究發(fā)現(xiàn)：不管是類橢圓形橋墩(前半圓形、后半圓形、圓端形)，還是方形橋墩，它們的流場變化規(guī)律一致，在橋墩的上游側(cè)出現(xiàn)馬蹄形渦、在橋墩下游出現(xiàn)尾渦，且有明顯的脫落現(xiàn)象。橋墩周圍的最大橫向時均流速約為最大來流流速的42%。

1.2.2 丁壩

研究人員通過大量的實(shí)驗(yàn)研究將非淹沒丁壩周圍的流場劃分為上游壅水區(qū)、壩后回流區(qū)以及流速恢復(fù)區(qū)三部分[24]。隨著對壩后回流區(qū)研究的深入發(fā)展，壩后回流區(qū)又可以分為主流區(qū)(AB線以外，流量等于河槽初始流量)、回流正流區(qū)和回流負(fù)流區(qū)(以流速等于0的AC線為界)[25]，見圖3。

圖3 丁壩回流區(qū)分布

在丁壩流場分布研究工作中，丁壩回流尺度研究一直是熱點(diǎn)之一。韓玉芳[26]對于非淹沒丁壩繞流的流場開展了一系列的水槽實(shí)驗(yàn)，提出了有效影響長度的概念，即丁壩的回流區(qū)長度。對于丁壩的回流區(qū)長度，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，丁壩的壩長越長、水深越深，則回流區(qū)長度越長；糙率越大，回流區(qū)長度越短[27-28]。為了確定丁壩的合理布置間距，往往需要確定丁壩的回流尺度，為此，竇國仁[29]通過水槽實(shí)驗(yàn)并結(jié)合理論推導(dǎo)出了回流區(qū)長度的計算公式：

(8)

式中：l為非淹沒丁壩回流區(qū)長度，m；C0為謝才系數(shù)；H為河道水深，m；B為河道寬度，m；D為丁壩長度，m。

李國斌[28]等在竇國仁的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了非淹沒丁壩下游回流區(qū)長度及最大回流寬度計算公式[見式(9)和式(10)]，并指出回流區(qū)長度還與河寬縮窄率、面積縮窄率有關(guān)。

(9)

(10)

式中：l為非淹沒丁壩回流區(qū)長度，m；C0為謝才系數(shù)；H為河道水深，m；(A-A′)/A為面積縮窄率；bmax為回流區(qū)最大寬度，m；B為河道寬度，m；D為丁壩長度，m。

透水丁壩流場分布與傳統(tǒng)丁壩類似，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)其回流區(qū)長度的影響因素與傳統(tǒng)丁壩類似，但其長度略小于傳統(tǒng)丁壩[30]。不同于傳統(tǒng)丁壩的是：周銀軍等[31]通過水槽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)透水丁壩的回流區(qū)長度還隨來流弗勞德數(shù)增大而增大，但隨著透水率的增大而逐漸減小,而且當(dāng)透水率在20%～30%時,其壩后回流現(xiàn)象消失。此外，李蘇[32]研究了透水丁壩對彎道水流的影響，研究發(fā)現(xiàn)：隨著透水率的增大,彎道中壩后回流區(qū)范圍均不斷減小，當(dāng)透水率增大到35%時,透水丁壩已不能抑制整個彎道的二次流的發(fā)展;當(dāng)透水率增大到45%時,壩后幾乎無回流產(chǎn)生。

2 河道底部阻水物

河道中除了貫穿式的阻水物外，在河道的底部還存在著淹沒式阻水物，它們對于河道的水流結(jié)構(gòu)同樣存在不容忽視的影響。下文將以淹沒式丁壩為主，分別探討其對于水位、流場的影響。

2.1 水位

在河道整治過程中，存在于河道底部的淹沒式丁壩也得到了大量運(yùn)用。對于淹沒式丁壩，研究人員開展了物理模型實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬研究來探討淹沒式丁壩的壅水規(guī)律。與非淹沒丁壩相比，淹沒式丁壩的水位在壩頭與上游側(cè)的水位壅高一般都較低，但下游水位仍然有明顯跌落的現(xiàn)象出現(xiàn)。相關(guān)研究認(rèn)為淹沒式丁壩產(chǎn)生的壅水高度隨著丁壩數(shù)量的增加而增加，但其壅水作用會逐漸減弱；還隨流量壓縮比、佛勞德數(shù)增大而增大，隨著淹沒程度(Δh/h，其中Δh為丁壩壩頂?shù)剿娴木嚯x，m，h為河道水深，m)的增加而減少[33]。而且在淹沒式丁壩群壩間淤積后，淹沒式丁壩的水位壅高值與流量、丁壩的個數(shù)及整治線寬度之間滿足近似正態(tài)分布函數(shù)關(guān)系[34]：

(11)

式中：ΔZ為淹沒式丁壩的最大壅水高度，m；ε為丁壩群的壓縮比；σ為計算河段丁壩群總數(shù)與計算水位斷面處下游丁壩數(shù)的比值；X為任意級流量與整治流量的比值。

此外，顧杰等[35]采用超聲波水位和PIV流速測量技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)隨著水力坡度的增大，丁壩附近的水位、橫比降、淹沒程度和丁壩迎水面與背水面的水位差逐漸減小，最高壅水位的位置向下移動，水位恢復(fù)點(diǎn)的位置向上移動。陳國祥等[33]通過實(shí)驗(yàn)得到了淹沒式丁壩壅水計算的半經(jīng)驗(yàn)公式[見式(12)]，但該式僅適用于順直河床、丁壩與河床正交且河道水流處于緩流的情況，在于天然河道中淹沒式丁壩的壅水高度計算還有待深入研究。

(12)

式中：ΔZ為淹沒式丁壩的最大壅水高度，m；ε為比能增值系數(shù)；V0為斷面平均流速，m/s；Fr為弗勞德數(shù)。

近年來，閆杰超等[36]通過研究得到了齒型丁壩壅水預(yù)測模型，得到壅水計算公式：

(13)

式中：h1為上游水深，m；Fr1為斷面1處的弗勞德數(shù);Ar=A/(Bh1)為阻水比；CD為水流阻力系數(shù)，按式(14)計算：

(14)

式中：k=8.2,為形狀阻力平均值；P為壩高，m；h為水深，m；L為壩長，m；B為河寬，m。

2.2 流場

非淹沒丁壩的水流流場在平面上一般分為上游壅水區(qū)、壩后回流區(qū)以及流速恢復(fù)區(qū)三大部分，淹沒式丁壩的水平面水流流場與非淹沒丁壩類似。而在縱剖面上，由于淹沒式丁壩壩頂溢流的存在，其一般可以分為底流與面流兩部分，壩頂上的面流基本保持水流方向不變，底流在繞過壩頂后會形成回流區(qū)[37]，見圖4(圖中Δh為丁壩壩頂?shù)剿娴木嚯x，m；h為河道水深，m；h0為丁壩高度，m；B為河道寬度，m；L0為丁壩的寬度，m)。

圖4 淹沒丁壩水流結(jié)構(gòu)示意圖[37]

在淹沒式丁壩的水平面流場分布研究中，賈國珍等[38]通過水槽實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：淹沒式丁壩壩后也存在明顯的回流區(qū),但是在回流區(qū)內(nèi)同時存在尺度大致相同的豎軸漩渦和橫軸漩渦。與非淹沒丁壩相比，淹沒式丁壩在壩頭繞流的同時還存在壩頂溢流，其強(qiáng)弱與丁壩的淹沒程度密切相關(guān)。于守兵[39]通過研究指出淹沒程度等于0.17時，丁壩下游仍出現(xiàn)回流區(qū)，淹沒程度大于0.17時，回流區(qū)則會消失，而且淹沒式丁壩對于壩頂水流的調(diào)節(jié)作用隨著淹沒程度的增加而減少。此外，通過研究不同型式淹沒式丁壩在不同工況下的水流流場分布發(fā)現(xiàn)：伸勾頭丁壩對水流挑流影響最?。籘形丁壩對水流流向改變較大，壩頭處水流流速最大；下伸勾頭丁壩壩身后存在回流漩渦與方向不同的兩個橫軸漩渦[40-42]。

此外，王世鵬等[43]還通過PIV研究了淹沒階梯形丁壩的水流流場，淹沒式丁壩的各典型剖面縱向時均流速的垂線分布見圖5(圖中剖面1、2、3、4分別位于丁壩內(nèi)側(cè)、二級丁壩壩頭、一級丁壩壩頭以及丁壩外側(cè)；1～6號垂線,沿程相對位置為-0.6、-0.4、-0.2、0.2、0.4、0.6)。通過圖5可以發(fā)現(xiàn)：在剖面1處，上游1～3號垂線在流量較小時，相對水深y+≤0.6的u+基本保持為某一負(fù)值，y+>0.6時u+隨y+的增大而增大，在二級壩頂附近達(dá)到最大值，下游4～6號垂線分布趨勢總體相似；剖面2處的情況與剖面1相似；剖面3處u+分布曲線呈“?”狀，這是由于丁壩壩頭對于水流阻擋作用較小造成的；剖面4處u+垂線分布均呈“近槽底明顯增大、中間區(qū)趨于穩(wěn)定、水面區(qū)明顯減小”的變化趨勢。

圖5 縱向時均流速的垂線分布

3 河道上部阻水物

隨著長江航道整治不斷進(jìn)行，長江通航能力大幅提升，通航船只也在向著標(biāo)準(zhǔn)化、大型化發(fā)展。航道中日益增多的船只已經(jīng)成為一種不容忽視的阻水物。停泊船只作為河道上部的重要阻水物，其對河道的影響應(yīng)該受到研究人員的重視，但目前國內(nèi)外有關(guān)研究主要關(guān)注于河道水流、岸壁對船舶的影響以及船舶之間的相互作用。國內(nèi)外關(guān)于停泊船只對河道影響的相關(guān)研究還較少，基本還處于起步階段。

楊慶華[44]通過水槽實(shí)驗(yàn)，提出用阻塞比(停泊船只引起的上下游水位差與船只吃水深之比)衡量停泊船只吃水深對河道的影響，研究發(fā)現(xiàn)：在同樣河道寬度條件下，船只吃水越深，阻塞比越大；在相同吃水深條件下，河道越窄，阻塞比越大。周利蘭[45]研究了高速船的船行波以及其產(chǎn)生的尾浪，運(yùn)用近、遠(yuǎn)域相結(jié)合的方法計算尾浪的規(guī)模，提出尾浪過高可能危及建筑物、沖刷堤岸以及掀翻船只，作者分析了水深、船型、速度等對尾浪大小的影響以及尾浪對停泊船只的影響，沒有分析船舶尾浪對河道中建筑物、河道岸壁的影響。于龍飛[46]通過數(shù)值模擬的方法研究了巴拿馬型散貨船的流場，其球鼻艏橫剖面、船尾橫剖面以及船舶中縱剖面的等流速線圖見圖6。

圖6 船舶等流速線分布圖

4 展 望

本文將河道中的常見局部阻水物按照阻水形式及在河道中水流垂向上所處的位置，分為貫穿式阻水物、河道底部阻水物以及河道上部阻水物三類。根據(jù)上述分類，本文主要對各阻水物關(guān)于河道水面壅高的影響因素、計算公式、流場的分區(qū)劃分以及影響因素等方面研究進(jìn)行了歸納總結(jié)。研究人員對河道中阻水物開展的研究，取得了較為豐富的成果，但仍然面臨許多問題。在此，對未來的研究方向進(jìn)行展望。

a.對于貫穿式阻水物、河道底部阻水物、河道上部阻水物的河道水流結(jié)構(gòu)的差異化以及統(tǒng)一性研究還有待進(jìn)一步展開，通過開展不同形式阻水物對河道水流影響的異同研究，將有助于在不同的阻水物之間探索出統(tǒng)一的阻水規(guī)律，揭示阻水物的普適性阻水機(jī)理。

b.對于河道貫穿式阻水物的河道水位、流場方面的研究取得了較多的成果，但在一些方面還有待深入研究，如相對于傳統(tǒng)非淹沒丁壩的回流區(qū)研究而言，非淹沒丁壩恢復(fù)區(qū)的尺度研究還較少，還有待深入研究；在透水丁壩的水面壅高計算中，水頭損失的假設(shè)還存在不足，還有待進(jìn)一步研究。

c.河道底部阻水物相對于貫穿式阻水物對于河道水流結(jié)構(gòu)的影響更加復(fù)雜，相關(guān)研究還存在完善的空間。淹沒式丁壩的水位壅高計算公式的推導(dǎo)多基于半理論半經(jīng)驗(yàn)，與天然河道的實(shí)際條件還存在一定的差異，還有待進(jìn)一步研究完善。

d.對于河道上部阻水物對河道水流結(jié)構(gòu)的影響研究還有待加強(qiáng)。隨著航運(yùn)的不斷發(fā)展，河道中的船舶與日俱增，而且船舶向著標(biāo)準(zhǔn)化、大型化發(fā)展，使船舶對河道水流結(jié)構(gòu)的影響正在逐步提升。大型船舶引起的河道水位壅高、河道水流流場變化以及可能引起的河道河床局部沖淤等有望成為研究的熱點(diǎn)，取得更加豐富的研究成果。