潜没式治河建筑物水流特性研究综述

葛 瑶,陈长英

(1.河海大学 水利水电学院，南京 210098；2.南京水利科学研究院，南京 210029)

潜没式治河建筑物水流特性研究综述

葛 瑶1，2,陈长英1，2

(1.河海大学 水利水电学院，南京 210098；2.南京水利科学研究院，南京 210029)

针对潜没式治河建筑物(潜坝、潜没导板、潜没圆柱体、护滩带等)附近的复杂水流形态，结合国内外的研究成果，对其影响下的流速分布、剪应力分布、涡流结构、紊动动能、比尺效应、分离区、糙率和潜没度等进行了综述，讨论了其冲刷、壅水等机理。相关研究结果表明：潜没建筑物对水流的扰动程度决定了其水流特性，其诱导的漩涡及回流对水流结构产生巨大影响，增大了局部河床阻力，使得综合糙率重新分布。进而指出现有研究成果及其不足之处，并结合已有成果提出展望，为后续的工程及研究工作提供参考。

潜没式治河建筑物 ；潜坝 ; 水流特性； 冲刷； 壅水

我国河流众多，在大江大河的治理与航运建设中，都要考虑河工建筑物与水流以及河床的相互作用。整治建筑物对水流过度干扰，不仅达不到应有的工程效果，反而会造成严重的水毁事故[1]。以守护(护岸固滩)为主的长江等大型河流的河工整治工程建筑物大都潜没在水中，潜没建筑物(包括潜坝、潜没导板、潜没圆柱体、护滩带等)附近水体因边界挤压而绕流分离进而紊动频发，三维特性十分显著，研究潜没式建筑物作用下的水流特性有助于定量分析其对局部区域过流能力(过流量)的重新分配以及建筑物本身的安全，从而为潜没式治河建筑物设计提供参考。

1 非潜没式建筑物研究的影响

丁坝属于最常见的非潜没式建筑物，表面上与本文探讨的潜没式建筑物没有多大关系，但其应用十分广泛，国内外学者对丁坝等非潜没建筑物的研究颇丰，这些成果影响了后来兴起的潜没式建筑物的研究；因此在这里稍作篇幅介绍。

窦国仁[2]就丁坝坝后的回流长度作了系统的研究，给出了丁坝回流长度随坝长及水深的变化规律和基于动量交换的相关计算公式；在其研究中还给出了一些定性分析及预测，譬如：当坝长、水深增加时，回流长度增大；糙率增加时，回流长度减小；流速与回流长度的关系不甚明显等。他的研究得到了广泛认可与应用，随后关于丁坝以及潜坝的相关研究大都受到了其方法的影响。然而其采取的一些简化如：槽壁影响忽略不计，回流末端流速梯度为0，回流长度范围内水位默认为常值等，使其预测精度受到限制。

陆永军等[3]就丁坝下游区流场掺混区流速分布做了理论推导以及试验论证，提出了相关公式。张定邦[4]在窦国仁公式的基础上考虑工程整治前后水深变化的影响得出回流长度估算公式。孔祥柏[5]研究了丁坝对水流的影响，探讨了丁坝壅水、冲刷等的机理。随后程年生[6]、乐培九[7]、韩玉芳[8]、陈稚聪[9]等对丁坝下游回流区做了相关试验研究。以上这些研究都采用半经验半理论方法，得出了某些水流因素的相关表达式，但它们或受限于试验条件而缺乏试验实测资料验证，或考虑的因素不够充分，或公式复杂需率定参数从而影响了其推广与应用。

Ettema等[10]进行的一系列的小比尺丁坝水槽试验证实，渠道附加有阻碍物时，深泓线方位及分离区范围与模型比尺不统一，即不同的模型比尺对应的相关数据差异较大。这对动床小比尺模型有一定参考作用(对于平整床面，深泓线用最大流速线代替)。这表明在不同的试验比尺条件下，得出的结论会有所不同，需要特别注意。

2 潜没式建筑物水流特性

国内外学者对潜没式治河建筑物的研究，主要集中在潜坝(漫水丁坝或淹没丁坝)、潜没导板、潜没圆柱体、护滩带等方面。潜坝主要用于护岸和导流，潜没导板适用于改变局部河床地形，护滩带大量用于长江中下游固滩工程，潜没圆柱体则是研究一般阻碍物的概化型式。

2.1 潜坝水流特性

学者们主要围绕潜坝坝田内物质交换[11-12]、坝体相对高度[13]、冲刷坑发展机理[14]、坝体后紊动漩涡[15-16]、水流分离[17]、壅水[18]、等价糙率[19]、流场分布[20-21]、泥沙输移特性[22-23]等问题做了深入研究。

Yossef等[12]认为潜坝坝田内与主流区的物质交换主要受淹没程度(H/Hg或ΔH/H，见图1)和窄缩比(Bg/B)的影响：当淹没度增加时，混合层(于坝田与主流接触面处形成的掺混区)的特性会发生变化，其中紊动强度和流速梯度变小，这也反过来消弱了大尺度涡流结构的能量(该部分能量对河流及坝田泥沙交换起主要作用)。Uijttewaal等[11]则认为这种交换模式分为2种：首先混合层中产生的大尺度涡体导致交换发生，然后在一定条件下，更大的涡体从坝头上游处随水流泄下，流场在这些漩涡的突然干扰下造成更大程度的物质(主要指泥沙)交换。但是还无法给出表征混合层特性的关系式，因而无法定量表达其影响程度。

图1 潜没建筑物淹没程度表示 及其附近过流区域简图

Thiemann等[13]发现潜坝坝体相对高度影响着近坝区流型和流速分布，随着相对高度的增加，悬沙浓度呈先增后减的趋势，H/Hg=1.7时达到最大(H为水深，Hg为坝体高度)。当潜坝用于护岸时，H/Hg最好大于1.4。因为水槽试验显示在非淹没情况下沿岸出现冲刷。在保证主流区不淤积的情况下，淹没度最好不低于1.7。王德胜[24]研究了潜坝的局部冲刷，发现潜坝局部冲刷深度主要与有效冲刷速度(U0-US)/U0及丁坝与水深的相对尺寸、丁坝挑角、泥沙的粒径与级配等有关。并根据试验数据得出了既适用于潜坝也适用于非潜没丁坝的局部冲刷深度计算公式。且认为潜坝有一敏感水深区，H/Hg=1.40～1.80时,冲刷较为显著。然而他们的试验采取的相对水深范围过小，只关注了H/Hg较小时的情况。

Koken[14]的研究表明潜坝坝头附近冲刷坑的发展主要受马蹄涡紊动强度的影响，冲刷的形成和发展取决于竖向的紊动强度而非床面剪应力，床面剪应力引起的大量床沙输移可能不会造成床面冲刷，真正的原因是紊动猝发(扫流和射流)带起床面泥沙并导致冲刷坑形成，因此Duan[25]认为当紊动强度不足以带起床面泥沙时，冲刷坑就达到了冲淤平衡状态。但是紊动猝发很难测量与确定，导致无法进一步定量分析。

Fox等[15]发现潜坝附近涡体分布有以下规律：主流区的大漩涡经过潜坝时，其频率及尺度有微小调整；潜坝的存在缩窄了过流空间，对水流有加速作用，从而减小了大涡体经过时的纵向尺寸，增加了能耗；激发的小涡充满着主流区；在剪力层和回流区出现一定数量的被坝体遮蔽或激发的小涡体。Jamieson等[16]建议在弯道水流中，凹岸潜坝在使水流偏转的同时，应减小坝头附近水流紊动以及避免产生更多紊动。然而涡体(或紊动)的分布对区域过流能力的影响具体体现在哪里仍然没有给出解释。

Christodoulou[19]认为由于渠道底部加了阻碍物，渠底的糙率n值远远大于边壁的n值，并导出了相关公式定量表达等价糙率。然而即使给出了等价糙率，阻碍物附近流速分布也会因为边界的突变而变得复杂，其过流能力仍无法定量表达。

Andrew[20]的试验结果表明：潜坝下游表层处，流向较平顺，主流由于潜坝的作用有所偏转，至坝头平面处，坝田中间靠近边壁处出现小的竖轴漩涡，再至坝体中部所在的平面(见图1)，坝田与主流区中间有一带明显的流线非常密集的地方——剪切分离层(混合层)，且坝体上下游均出现范围较大的竖轴漩涡回流区。靠近渠底处，回流中心较靠近主流区，回流强度亦有所减小，同时剪切分离层的宽度有所增加。上述结论仅限于对潜坝附近三维特性的定性描述，无法实质地说明各种水力因子之间的关系。

于守兵[26]从潜坝端坡以及淹没度出发，详细探讨了淹没丁坝对水流结构的调整作用，认为潜坝坝头附近流线曲率、流速梯度以及压力梯度均很大；且由于端坡的存在，下沉水流与漩涡不能直接作用于坝头附近河床，因而减小了冲刷；其研究表明：在较小淹没程度下(ΔH/H=0.17)，存在一定端坡时，临底床面强流速范围和床底大切应力范围显著减小或消失。采用合适的m值(端坡)能在一定程度上减小坝头附近流量的分配。在ΔH/H=0.29时，回流区消失(指水面)。坝头附近冲刷的主因可归结为：坝头单宽流量q的集中、临底流速的增大和马蹄形漩涡。然而坝头处绕流分离现象明显，其没有把潜没丁坝坝头平面以下和以上的水域分开对待，所以对单宽流量(q=Hu)的计算处理得不够细致。

2.2 潜没导板水流特性

潜没导板在国内应用不多，主要集中在欧美国家。通常使用潜没导板群，大范围实施整治，针对中小型河流十分有效[27-28]。

Rodrigue-Gervais等[29]在潜没导板周围冲刷坑的瞬态发展过程的研究中，发现对应最大淹没度时，最大冲深处出现在导板上游面；然而对于较小淹没度时，最大冲深处却出现在导板头部靠近下游处。很明显，流型(主要包含漩涡分布、紊动强度等)对于潜没程度的变化很敏感。由于试验条件的限制，作者没能给出导板上、下游均出现冲刷坑时的淹没程度范围。

Jacob Odgaard[22-23]对导板的研究表明，其通过产生二次流改变床面剪切力的大小和方向，引起相关区域流速、水深以及泥沙输运的重新分布，从而河床断面在一部分区域抬高，另一部分区域冲刷，达到发展和维护理想床面地形的效果。按一定规则排列的小型潜没导板群可通过相对较小地改变床面剪切力，调整局部床面高程，对河渠中流速及水深分布产生显著影响。

然而在我国，淹没导板的工程应用不多，相关的研究成果也少之又少。对于这种有效的治河建筑物不加以利用，亦是我们的损失。

2.3 护滩带水流特性

软体排护滩带在航道整治的应用中主要是利用其隔离和反滤功能，进行河床的护底和固滩，防止水流直接冲刷河床(滩体)和因水流渗透作用而造成河床(滩体) 的局部变形破坏。研究人员就软体排护滩带的优缺点做了详细的分析，提出了相关应对措施[30-34]。护滩带破坏形式主要有：塌陷、悬挂、架空、鼓包；破坏的动力因素为流速和块体间脉动力；诱因是局部冲刷坑的形成和发展；直接原因是其抗拉强度不够，尤其是接缝处的强度。因此有人提出了护滩带边缘抛透水框架(四面六边体透水框架、扭双工字型透水框架、马叉等)，增大抗拉强度和选择合理平面布置形式的办法[32]。

张秀芳等[35]对长江中游沙市河段三八滩软体排护滩带导流效果的研究表明：三八滩滩头经守护后，随着水深的增大，即心滩淹没程度升高，三八滩左汊的分流比有增加的趋势。但总的来说，心滩守护后与守护前相比，左右汊道的分流比变化都不大，最大变化幅度没有超过5%，说明软体排护滩带对汊道的分流比影响较小。

由于护滩带本身相对于水深来说，其相对高度可以忽略不计；且从整体上来看，其对河床过水断面的影响亦很小。因此国内外对护滩带的研究，主要集中在其防冲、稳定性、护滩效果等方面上，对其导流效果的研究不足，且缺乏定量的分析。然而因一些工程的需要，仍希望护滩带具有一定的导流功能，设想在其上部增加特定高度的加强带，以加大其对水流的干扰能力。为了明确这种组合方案(护滩带+加强带)与水流的相互作用，则需深入研究其水流特性。

2.4 潜没圆柱体水流特性

一些修建在水中的建筑物，其边缘通常都具有圆角的型式，从而避免尖锐的棱角所带来的不利影响[36-37]。潜没圆柱体作为一种概化的整治建筑物，在国内外获得了广泛的研究[38]。

Subhasish Dey等[39]研究了恒定流条件下潜没圆柱体附近的冲刷情况，发现当潜没度增大时，冲刷深度减小，也对应着马蹄涡的维度和能量(以环量作为依据)减小。并且潜没条件下对应的冲刷坑要比非潜没条件下对应的冲刷坑小得多。

Chii-tau Tang等[40]对孤立波过潜没圆柱体的水流分离情况进行了研究，采用流函数-涡量法及动边界网格系统对完全非线性自由界面进行模拟计算。试验水槽采用Re=82 000时对水流注入染料达到可视化追踪。结果表明：在孤立波行至阻碍物时，一个大的涡体首先在阻碍物背部形成，同时下部紧跟着一个二次涡；然后涡体膨胀并随时间减弱；随着大涡体衰退，二次涡继续增大到相同尺度和能量级。此数模包含漩涡脱落及涡量输运，与试验结果吻合良好。

严斌等[41]采用基于域内源造波技术的时域高阶边界元方法建立了波浪与潜没圆柱体相互作用的完全非线性数值水槽模型，并通过两点法分离得到潜没圆柱体后的高阶自由波和锁定波。其数值试验表明：随着入射波浪非线性增强，基频波幅值逐渐减小，高阶自由谐波幅值逐渐增大至一最高值，并最终呈饱和状态或变化很小；而锁定波波幅尽管也随着入射波幅增大而增大，但在量级上远小于对应的自由波；潜体淹没水深越小，高阶自由谐波贡献越大，基频波衰减越大。这说明淹没程度的影响不容忽视。

3 结论与展望

结合以往研究成果，可得出以下结论：

(1) 潜没建筑物对水流的扰动程度决定了其水流特性。相同水流条件下，大的潜没度对应水流扰动较小，流速梯度、涡量输运、紊动能量相对也较小，从而其附近地形变化较平缓(对应较小的冲刷坑)。相同潜没度下，不同的水流条件，也会对应着不同的扰动结果：当水流流速较小时，潜没建筑物对水流影响很小；逐渐加大流速之后，将会产生漩涡和回流，使水流流态紊乱复杂，难以描述。

(2) 潜没建筑物诱导的漩涡及回流对水流结构产生巨大影响。由于流速梯度的存在以及边壁无滑动制约，潜没建筑物在其遮蔽区内形成不同程度的回流，且水流经过潜没建筑物时，形成一定范围的分离区。分离区外侧单宽流量增大，分离区内侧回流现象显著，分离区内流向紊乱且紊动猝发，流态极不规则；比尺效应影响着潜没建筑物诱导漩涡的具体维度。

(3) 潜没建筑物增大了局部河床阻力，使得综合糙率重新分布。然而当流量变大时，综合糙率反而有减小的趋势。紊动动能的分布与河床平衡地形有着极大关系，紊动动能最大的地方，对应冲刷坑深度最大。且竖向紊动动能对冲刷的作用比平均流速对冲刷的作用明显；雷诺应力以及床面剪力的分布都与冲刷坑有关。

综上所述，对潜没式治河建筑还需从以下几个方面进行深入研究：

(1) 潜没式建筑物对其顶部高度以下的水体起类似于丁坝的挑流作用，而其顶部以上的水体则受该分界面处水流切应力分布的影响。因此以后的研究应着眼于水流分层的结构，从微观机理上把握潜没式建筑物的水流特性。

(2) 不论是潜坝、潜没导板还是护滩带，都具有一定的导流功能，如何利用各种水力因子综合表征对整个断面过流能力的分配仍缺乏有效的成果，从而无法量化潜没式治河建筑物对河势的影响，因此其导流效果值得深入研究。同时要加强导流板的工程应用研究，验证其在我国河流治理中的合理性。

(3) 以往研究的潜没度范围不够，对大水深条件下潜没建筑物的水流特性还缺乏试验资料，尤其是护滩带等航道整治建筑物，近年来在长江中下游护滩工程中得到了广泛应用，其对应的大淹没度下的水流特性需要进行深入研究。

(4) 对于已有的一些半经验半理论公式，仍缺乏一定的试验资料验证，或受限于试验条件，或考虑的因素不够充分，或公式复杂需率定参数从而影响了其推广与应用，所以应在公式验证方面做些补充。同时，一些涉及到整治建筑物附近水流的紊动猝发、混合层交换、涡体变迁之类的研究时，总是受限于关键数据的获取。一方面是现有水流测量仪器研究的滞后；另一方面是测得的数据(如ADV，PIV等)经过复杂处理才能获知一些初步情况(如涡体尺度，涡体脱落等)，从而阻碍了及时合理的调整试验进行科学研究。因此，先进水流测量仪器的研发亦是进行相关试验研究的必要前提。

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(编辑：曾小汉)

Research Advances in Flow Characteristics Near SubmergedRiver Regulation Structures

GE Yao1,2, CHEN Chang-ying1,2

(1.Hydraulics and Hydropower Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2.Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)

On the basis of research achievements in China and abroad, we made a review on the complex flow characteristics (flow velocity, shear stress distribution, eddy flow structure, turbulent kinetic energy, scale effect, separation zone, roughness coefficient and immersion ratio) near submerged river improvement structures (submerged groyne(dikes), vanes, cylindrical and beach-protection belt). We also discussed the mechanism of scouring and backwater effects. Research results indicate that the flow characteristics are determined by the disturbance of these submerged structures to flow. The induced eddy flow and backwater greatly affect the flow structure, increase local bed resistance, and redistribute the comprehensive roughness coefficient. Finally we present the shortcomings of the achievements and put forward prospects to future research.

submerged river regulation structures; submerged dike; flow characteristics; scour; backwater effect

2014-09-12；

2015-01-04

葛 瑶(1989-)，男，陕西安康人，硕士研究生 ，从事水力学及河流动力学研究，(电话)15996310895(电子信箱)geyaolove@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.013

2015,32(05):66-71

TV135

A

1001-5485(2015)05-0066-06