譚順欽，陳 迪

(1.重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2. 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430010)

1 概述

三峽水庫(kù)蓄水后，長(zhǎng)江中下游河道受清水下泄影響岸線發(fā)生普遍崩塌，對(duì)河道河勢(shì)穩(wěn)定產(chǎn)生明顯不利影響，河道岸線的守護(hù)愈發(fā)重要。傳統(tǒng)的河流護(hù)岸工程在設(shè)計(jì)上以水力學(xué)最佳水力半徑的理論為基礎(chǔ)，注重防洪固岸的功能性，以安全性、耐久性為優(yōu)先[1]，多采用干砌塊石、漿砌塊石、現(xiàn)澆混凝土等材料修筑硬質(zhì)護(hù)岸，阻隔了水—陸生態(tài)系統(tǒng)之間的聯(lián)系，不利于內(nèi)河生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和水土保持，且外觀單調(diào)生硬，多數(shù)情況下與周邊的景觀不協(xié)調(diào)，與目前生態(tài)友好型航道的發(fā)展趨勢(shì)相違背[2-3]。隨著綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展理念日漸深入人心，社會(huì)開(kāi)始尋求既具有護(hù)坡基礎(chǔ)功能，又具有自然、生態(tài)、景觀功能并兼顧航道水質(zhì)改善的護(hù)岸結(jié)構(gòu)，生態(tài)護(hù)岸技術(shù)受到廣泛關(guān)注。生態(tài)護(hù)岸在保證防洪能力、安全性、耐久性的前提下, 通過(guò)綠化護(hù)面層, 坡面多孔化、粗糙化, 近岸流態(tài)多樣化等加強(qiáng)水域與陸域的物質(zhì)能量交換，兼顧傳統(tǒng)守護(hù)功能與生物效應(yīng)，盡可能恢復(fù)和重建因航道開(kāi)發(fā)導(dǎo)致的河岸帶生態(tài)系統(tǒng)的退化，保證和提高沿岸帶生物多樣性。

發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)30年代就提出了生態(tài)護(hù)岸理念并將其應(yīng)用于實(shí)際。1938年，德國(guó)人Seifert率先提出“親河川整治”概念，指出治理工程在滿足傳統(tǒng)功能外，應(yīng)盡量接近自然。20世紀(jì)50年代，“近自然河道治理工程學(xué)”作為一項(xiàng)學(xué)科在德國(guó)被創(chuàng)立，提出河道的整治要符合植物化和生命化的原理[4]。隨后的半個(gè)多世紀(jì)里生態(tài)護(hù)岸逐漸從理論走向?qū)嵺`，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬3種方式對(duì)生態(tài)護(hù)岸進(jìn)行了不同層面的研究，并應(yīng)用于實(shí)際工程。Kouwen N等通過(guò)一系列的水流試驗(yàn)，總結(jié)出了水生植物與水流彼此的影響，并根據(jù)水位高低將有水生植物的河岸分為3個(gè)水流區(qū)域[5]；Marco Ghisalberti等通過(guò)水槽試驗(yàn)?zāi)M了海灘柔性水草水流過(guò)程[6]；李仟等通過(guò)仿真草皮與三棱柱磚塊模擬生態(tài)護(hù)岸，采用水槽試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法研究了護(hù)岸糙率對(duì)河道行洪能力的影響[7]；周悅針對(duì)水位變幅大的河流進(jìn)行了剛?cè)峤M合型植被消浪特性的模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)組合型防浪林在消浪效果與經(jīng)濟(jì)效益上都較單一型防浪林更合理[8]；廣州市河涌治理工程采用三維土工網(wǎng)墊等與水生植物結(jié)合以增強(qiáng)護(hù)岸強(qiáng)度[9]；武夷山市將生態(tài)混凝土應(yīng)用于防洪工程中；遼寧興城通過(guò)大量種植鹽生植物對(duì)河口海岸等進(jìn)行生態(tài)整治，構(gòu)建海岸生態(tài)防護(hù)帶[10]。

現(xiàn)階段關(guān)于生態(tài)護(hù)岸的成果主要是針對(duì)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的形式以及材料的選取，對(duì)護(hù)岸塊體周圍水流結(jié)構(gòu)的研究較少。本文通過(guò)模型試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合，重點(diǎn)研究分析護(hù)岸塊體周圍流速在流量、開(kāi)孔率等因素影響下的變化規(guī)律，為該塊體在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供一定參考。

2 模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)在重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心航道整治試驗(yàn)大廳進(jìn)行，試驗(yàn)水槽尺寸為30 m×2.0 m×1.0 m(長(zhǎng)×寬×高)，其中試驗(yàn)段為6.0 m，進(jìn)口設(shè)9 m過(guò)渡段，出口設(shè)6 m過(guò)渡段，保證試驗(yàn)段水流平順。試驗(yàn)采用旋漿流速采集系統(tǒng)測(cè)量水流平均流速，頻率為30 Hz，采樣時(shí)間為30 s，流速測(cè)點(diǎn)及斷面布置見(jiàn)圖1。

圖1 流速測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置示意(單位：cm)

本次實(shí)驗(yàn)采用的是一種預(yù)制混凝土連鎖塊體結(jié)構(gòu)，塊體形式采用了一種新型方形薄壁開(kāi)孔的鏤空結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用細(xì)砂混凝土預(yù)制，由上下兩部分組成，通過(guò)正方矩形連接，同時(shí)護(hù)塊上下面也為正方矩形，頂部開(kāi)孔，上下兩部分側(cè)壁均由曲面構(gòu)成，四面均有開(kāi)孔，相比其他連鎖塊體結(jié)構(gòu)能提供更多孔隙，與傳統(tǒng)護(hù)岸的“隔斷式”防護(hù)相比，該結(jié)構(gòu)能將水—陸生態(tài)系統(tǒng)連接起來(lái)，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗沖刷能力，塊體中空部分可供植被生長(zhǎng)或魚類活動(dòng)，增加了物種多樣性(見(jiàn)圖2)。

圖2 護(hù)岸塊體模型及試驗(yàn)布置示意

收集長(zhǎng)江中游荊江河段典型岸坡破壞前的坡度范圍，概化選取岸坡破壞的典型坡度，本次試驗(yàn)岸坡坡度選取為1：3，根據(jù)河段平面尺寸以及護(hù)岸結(jié)構(gòu)尺寸，考慮試驗(yàn)水槽及供水系統(tǒng)實(shí)際情況，水槽概化模型僅模擬部分河岸，概化模型設(shè)計(jì)為正態(tài)，平面比尺λL=3，考慮重力相似與水流運(yùn)動(dòng)相似。長(zhǎng)江中下游河道流速在0.5～3.0 m/s之間，據(jù)此本次實(shí)驗(yàn)共選取8組流量、3組水深、3種開(kāi)孔率(頂部開(kāi)孔平面尺寸占頂部平面投影尺寸的百分比)，通過(guò)組合有無(wú)護(hù)岸塊體、不同開(kāi)孔率(P=36%，P=53.8%，P=75.1%)和不同水流條件共進(jìn)行了32組工況的試驗(yàn)(見(jiàn)表1)。

表1 水深流量組合

3 斷面流速分析

流速作為描述河流水動(dòng)力學(xué)特征最基本的參數(shù)，是河道水流特性的研究基礎(chǔ)，而護(hù)岸塊體對(duì)岸坡的守護(hù)效果主要體現(xiàn)在阻滯水流、減小岸坡附近的流速，流速分布的變化可以反映出護(hù)岸塊體在空間上對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響，分析岸坡附近流速的變化規(guī)律十分必要。

3.1 護(hù)岸上游流速變化

圖3為部分工況下護(hù)坡上游1#橫斷面流速分布情況示意，由圖3可得： 1#橫斷面尚未進(jìn)入防護(hù)區(qū)，未護(hù)坡與護(hù)坡后斷面流速變化趨勢(shì)基本一致，從右岸開(kāi)始逐漸增大，受岸坡的影響，在距右岸30 cm(3斷面)附近達(dá)到最大值后逐步減小至右岸初始流速，3種塊體沒(méi)有明顯的區(qū)別。

圖3 不同工況下橫斷面1#流速分布示意

當(dāng)控制水深較低(H=10 cm)時(shí)，受到護(hù)岸結(jié)構(gòu)上游壅水的影響，護(hù)坡后斷面整體流速略小于護(hù)坡前。隨著控制水深與流量的增大，護(hù)坡前后斷面流速差異減小，說(shuō)明水深越大斷面流速所受上游壅水的影響越?。皇茏o(hù)岸塊體的擾流作用，岸坡附近靠近左岸的幾個(gè)測(cè)點(diǎn)流速變化幅度隨水深增加而增大。

3.2 護(hù)岸中游流速變化

圖4為部分工況下護(hù)坡中游8#橫斷面流速分布情況示意。由圖4可得：與護(hù)坡上游相比，各工況下護(hù)坡中游橫斷面流速分布出現(xiàn)較大變化，整體趨勢(shì)依然是先增大后減小，但8#橫斷面受上游壅水影響較小且已進(jìn)入防護(hù)區(qū)，護(hù)岸塊體明顯改變了水流結(jié)構(gòu)，影響了斷面流速的分布。

圖4 不同工況下橫斷面8#流速分布示意

護(hù)坡前斷面流速變化幅度較小，從右岸至左岸整體較為平穩(wěn)。鋪設(shè)護(hù)岸塊體后斷面流速分布明顯改變，斷面流速變化幅度顯著增大，主流區(qū)流速增大，流速最大值出現(xiàn)在距右岸40 cm(坡腳)附近；當(dāng)水流繼續(xù)向左流過(guò)岸坡時(shí)，受到護(hù)岸塊體的擾流作用，被阻滯的水流從塊體縫隙間穿過(guò)，水流動(dòng)量被大量消耗，水流流速在岸坡與主槽交界附近急劇減小，并沿程持續(xù)減小；最終形成以縱4#斷面為分界線，向左為岸坡，護(hù)坡后流速顯著減小，向右為主槽，護(hù)坡后流速明顯增大。護(hù)岸塊體對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響不僅體現(xiàn)在對(duì)邊坡上水流的減速效果，同時(shí)還能夠影響主流區(qū)的流速。

當(dāng)水深、流量較小時(shí)，水流紊動(dòng)較弱，岸坡上幾個(gè)測(cè)點(diǎn)流速變化幅度較小，但隨著水深、流量的增加，水流紊動(dòng)更加劇烈，岸坡附近流速波動(dòng)明顯變大。比較3種塊體對(duì)岸坡上水流的減速效果，從圖中可以看出開(kāi)孔率P=75.1%塊體的減速效果較好。

3.3 護(hù)岸下游流速變化

圖5為部分工況下護(hù)坡下游14#橫斷面流速分布情況示意。由圖5可得：雖然14#橫斷面處于防護(hù)區(qū)下游，但其各工況下斷面流速變化趨勢(shì)與護(hù)坡中游8#橫斷面流速變化趨勢(shì)基本一致，綜合分析說(shuō)明護(hù)岸塊體不只影響防護(hù)區(qū)內(nèi)部的水流結(jié)構(gòu)，還會(huì)對(duì)防護(hù)區(qū)下游一定范圍內(nèi)的水域產(chǎn)生影響。比較3種塊體對(duì)岸坡上水流的減速效果，從圖中可以看出開(kāi)孔率P=75.1%塊體的減速效果較好。

分析以上流速變化的原因：生態(tài)護(hù)岸塊體同時(shí)具有透水性與阻水性兩種特性，透水性是使水—陸生態(tài)系統(tǒng)平穩(wěn)過(guò)渡、實(shí)現(xiàn)“親水防護(hù)”生態(tài)效果的關(guān)鍵；阻水性則是保護(hù)岸坡免遭水流強(qiáng)力沖刷的根本[11]。鋪設(shè)護(hù)岸塊體實(shí)質(zhì)上是在岸坡近底形成了大量的孔隙，加大了岸坡近底糙率并加強(qiáng)了阻水性，當(dāng)水體流過(guò)時(shí)能夠充分的分散水流，形成無(wú)數(shù)細(xì)小的渦流，產(chǎn)生繞流阻力阻礙水流的運(yùn)動(dòng)，從而使水體能量更多的耗散，進(jìn)而形成了近底低流速帶[12]；近底低流速帶形成的同時(shí)會(huì)對(duì)高流速帶進(jìn)行頂沖，引發(fā)劇烈的紊流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致紊流切應(yīng)力重分布，改變了局部水流結(jié)構(gòu)，使得主流線向右岸偏移，從而大大減少了高速水流對(duì)河床的直接沖刷，達(dá)到護(hù)岸塊體防沖促淤、守護(hù)岸坡的目的。

圖5 不同工況下橫斷面14#流速分布示意

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)水槽概化模型試驗(yàn)，分析研究了有無(wú)護(hù)岸塊體及不同開(kāi)孔率條件下岸坡周圍流速的分布規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1)相對(duì)于沒(méi)有鋪設(shè)護(hù)岸塊體的天然岸坡，護(hù)岸塊體形成的眾多孔隙能夠顯著增大水流阻力，改變斷面流速分布，使主流線向右岸偏移，具有較好的守護(hù)效果；

2)護(hù)岸塊體不僅影響防護(hù)區(qū)內(nèi)部的水流結(jié)構(gòu)，還會(huì)對(duì)防護(hù)區(qū)下游一定范圍內(nèi)的水域產(chǎn)生影響。在同一流量、相同水深條件下，大開(kāi)孔率(P=75.1%)相對(duì)于中等開(kāi)孔率(P=53.8%)與小開(kāi)孔率(P=36%)減速效果最佳，其余兩種塊體無(wú)明顯差別。

新型方形薄壁生態(tài)護(hù)岸對(duì)岸坡附近水流結(jié)構(gòu)有顯著影響，本文只對(duì)流速分布進(jìn)行了研究分析，護(hù)岸塊體對(duì)水流流態(tài)、紊動(dòng)特性的影響還有待進(jìn)一步研究。