，，

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究院，天津 300456；2.長江科學院 水力學研究所，武漢 430010)

1 研究背景

近年來，隨著河流治理工程理念的更新和變化，在滿足水資源開發(fā)利用和防洪安全的前提下，如何兼顧河流利用對生態(tài)環(huán)境的影響，促進人與自然的和諧相處，實現(xiàn)河流利用的長期可持續(xù)性發(fā)展，已然成為現(xiàn)代水利科學關注的熱點。水利工程的生態(tài)影響問題已引起了社會各界的廣泛關注，同時也逐漸成為制約水利水電建設發(fā)展新的瓶頸[1]。鑒于此，河流再自然化日益成為人們新的必然的選擇[2-3]。

新型的河道內流動控制結構物，不同于傳統(tǒng)護岸單純以增強岸坡防護剛度為重點，是通過主動調整近岸處的流動形態(tài)，將高流速水流挑離至遠離河岸位置，以達到保護堤岸免受沖蝕的目的。此外，經(jīng)河道內流動控制結構物作用下流場調整所形成的沖坑還具有附帶的生態(tài)效益[4]。流動控制結構物作用下河道內將形成新的流動形態(tài)和沖淤格局，構造出急流-緩流交替、深潭-淺灘交錯的水流條件和多樣性地貌，使其更貼近天然河流的形態(tài)特征，為魚類或其他底棲生物提供適宜的棲息和產(chǎn)卵場地，從而有助于河流生物種群多樣性的提高。

國內外自20世紀90年代以來，已逐步開展河道內新型流動控制結構物的模型試驗和數(shù)值模擬研究工作，如導流屏[5-8]、堰壩[9-12]等。而楔形丁壩群以其阻水性小、穩(wěn)定性好和節(jié)省材料的優(yōu)點在中小河流岸坡修復領域正獲得廣泛的應用[13-17]，并初步形成了具有實踐指導意義的工程設計準則，而國內對于楔形丁壩目前還鮮見有相關的研究報道。

2 河道內流動控制結構物

目前，國外在傳統(tǒng)丁壩形式基礎上衍生出了多種河道內流動控制結構物類型，已廣泛用于河道生態(tài)修復領域，分類詳細，多數(shù)已形成可用于指導工程實踐的設計指南，并積累了較為豐富的安裝、監(jiān)測和維護等工程經(jīng)驗。而國內對其劃分不甚明確，且多數(shù)還停留在河道控導工程等治河或通航領域，主要以工程應用為導向，對其分類命名較為籠統(tǒng)，且對生態(tài)效益的關注較少。

為與傳統(tǒng)丁壩形式相區(qū)分，選取幾種常見的河道內流動控制結構物(見圖1)，就其各自的特點和適用性進行介紹。

圖1 常見的河道內流動控制結構物類型Fig.1 Illustrations of typical instream flow control structures

2.1 單一型堰(rock vane)

單一型堰是一種獨臂導流結構物，從河岸伸出突入河道當中，突出部分約占河道寬度的1/3，并與來流構成一定的角度，突入河道的一端直接插入河床，從而自河岸至另一端形成一定坡度，致使突入河道一端即使在小流量時依然被淹沒在水下，而其余部分則裸露在外。單一型堰通過將高流速水流挑離河岸，在河岸附近形成靜水區(qū)域，從而減弱水流對河岸的侵蝕，以達到保護河岸的目的。

2.2 J型堰(J-hook vane)

J型堰是對單一型堰的一種改進，在突入水中的一端額外布置留有間隔的漂石塊，從而在平面上呈“鉤”狀分布，“鉤”狀部分約占整個河道寬度的1/3?！般^”狀部分漂石間隔消散了來流部分能量，在下游形成漩渦，有利于泥沙輸移并為魚類提供掩蔽，相比單一型堰能形成更加寬大和更深的沖坑，從而更加利于底棲生物棲息。J型堰同單一型堰一樣，主要布置在河流彎道的凹岸一側，通過降低河道坡降、流速和切應力來防止河岸侵蝕。

2.3 交叉堰(cross vane)

交叉堰是將左右兩岸2個獨臂的單一型堰通過與來流相垂直的漂石體相連，三者各占河寬的1/3，垂直來流的中間堰體即使在小流量情況下依然被淹沒在水下。交叉堰主要用來控制坡降并將高流速水流挑離河岸，降低河床切應力，從而減弱對河岸的侵蝕，形成穩(wěn)定的寬深比。交叉堰下游所形成的沖坑，在堰體結構的掩蔽之下，能為底棲生物提供良好的棲息和產(chǎn)卵場地。

2.4 W型堰(W-weir)

W型堰結構同交叉堰類似，同樣是一種跨河道的結構物，通過兩列“V”型漂石體將左右兩岸2個單一型堰相連。從上游朝下游方向看去，該堰體外型呈“W”型，與交叉堰類似，該結構物同樣起到控制坡降和挑離高流速水流作用以達到保護河岸的目的。與交叉堰不同的是在堰體下游構成2條平行的河道深泓線，形成多樣化的流態(tài)特征，對改善魚類棲息地具有積極意義。

2.5 導流屏(submerged vanes/Iowa vanes)

導流屏是一種小型導流結構物，垂直安裝在河床上，與水流構成一定的角度，通過人工環(huán)流來重新分布水流與河道斷面內的泥沙運動，從而控制河床的沖淤形態(tài)。導流屏一方面激發(fā)次生環(huán)流，用以消除河流彎段離心力引起的橫向環(huán)流，改變近河床的切應力分布，將含沙量較大的水流導入導流屏區(qū)，促進導流屏控制區(qū)的淤積；另一方面，它可增大局部水流阻力，減小導流屏控制區(qū)的流速和輸沙能力，有利于含沙水流與推移質泥沙的淤積。

2.6 丁壩(spur dike/groyne)

丁壩是從河道岸邊伸出，在平面上與岸線構成丁字形的河道整治結構物。其主要作用有束窄河床、導水歸槽、調整流向、改變流速和導引泥沙等方面。按不同的設置目的、丁壩布置與水流不同的夾角,丁壩分為正丁壩、上挑丁壩和下挑丁壩。丁壩直接挑托水流遠離堤岸，從而降低近岸流速和河床切應力，促使泥沙在近岸淤積，以達到保護堤岸的目的。丁壩少數(shù)情況下也可能被完全淹沒，在壩頂形成過流，造成導流方向的改變。

2.7 楔形丁壩(stream barb/bendway weir)

楔形丁壩是一種低姿態(tài)的獨臂導流結構物，主要用來保護堤岸免受沖刷。不同于丁壩單純挑托水流的功能，楔形丁壩壩體自河岸至突入河道一端形成一定坡度，分段淹沒在水下，從而在壩頂形成過流，即使在小流量情況下部分結構物依然淹沒在水下，不但節(jié)省了材料，而且對水流阻礙作用小。壩體逆水流方向布置，與來流構成一定角度(壩體軸線與沿壩根和岸堤交點切線的夾角)，經(jīng)導流后的水流方向與壩體軸線相垂直，既不能因角度過小而使結構物布置失去意義，也不能因角度過大而造成上游過分雍水并威脅結構物自身安全。單個楔形丁壩的控制范圍有限，而彎道需要防護的岸坡則一直延伸至下游順直段，壩體通常沿彎道凹岸成群布置，分段保護岸坡免受沖蝕并發(fā)揮其聯(lián)合作用，最終將河道深泓線移至河道中心線的理想位置。

楔形丁壩通過對彎道二次流結構的調整，將高流速水流挑離河岸至河道中心線附近，繼而影響近岸的流速和河床切應力分布。由于楔形丁壩被淹沒在水下，垂直壩頂軸線的過流與壩頭附近的收縮流交匯碰撞所形成的水流紊動以及壩頂水躍均能就地削減河道內的水流能量，避免將水流能量轉移至下游河段。合理的楔形丁壩布置會在上游岸線和結構物附近形成一定范圍的回流區(qū)域，不僅能阻止高流速水流對河岸的淘刷，而且回水區(qū)穩(wěn)定的水流條件也有助于泥沙沉積。在楔形丁壩持續(xù)水力條件的作用下，丁壩壩頭和緊鄰結構物下游形成沖坑，構造出急流-緩流交替、深潭-淺灘交錯的水流條件和地貌特征，能夠為底棲生物或魚類提供良好的棲息庇護和覓食場所。此外，楔形丁壩群的聯(lián)合作用還能使河道深泓線從原先貼近凹岸岸線附近遷移至河道中心線的理想位置，從而有助于河勢的穩(wěn)定。

3 楔形丁壩群導流特性

3.1 193°彎曲水槽試驗

本節(jié)選取193°強彎曲水槽試驗[18]，參照國外楔形丁壩群的水力設計準則，在該水槽凹岸布置1組(3個)楔形丁壩群，通過三維數(shù)值模擬的方法對比結構物布置前后水槽內主要水力要素的變化，探討楔形丁壩群的水力特性，以此闡述楔形丁壩群在彎道凹岸岸坡治理的防護效果。該水槽試驗的幾何尺寸和主要水力條件如下：寬度B=1.3 m的193°矩形彎曲水槽在其上游入口和下游出口分別連接9 m長和5 m長的矩形直段，彎段中心線的曲率半徑為Rc=1.7 m，水槽中心線總長為19.7 m，水槽底部為平底。入口流量Q=0.089 m3/s，平均水深H=0.159 m，平均流速V=0.43 m/s，弗勞德數(shù)Fr=0.34。水槽曲率半徑和寬度的比率為Rc/B=1.3，<3，屬強彎曲水槽，二次流效應明顯。有關楔形丁壩的布置參照國外的相關設計準則[13]，結構物突入寬度不超過河寬的1/4，突入角度控制在20°～30°之間，坡度≤1/5(入水一端高度為水深的一半)，相鄰間距為長度的1～1.5倍，寬度通常為漂石直徑的2～3倍(本節(jié)考慮模擬需要，寬度取0.1 m)。193°強彎曲水槽內楔形丁壩群的平面布置和剖面形狀如圖2所示。

注：A，B，C表示楔形丁壩群編號；B150表示150°彎段斷面；D0.5表示距彎段出口0.5 m下游順直段斷面，其他類推圖2 彎曲水槽內楔形丁壩群布置Fig.2 Layout of stream barbs in channel bend

3.2 三維數(shù)值模擬

對水槽試驗內三維水流的模擬采用三維自由表面數(shù)值模型。模型求解以雷諾時均N-S方程和k-ε紊流模型作為控制方程的三維自由水面模型，數(shù)值方法見文獻[19-21]，對雷諾時均N-S方程的求解采用壓力投影的方法。首先，對控制方程進行分層積分，得到半離散化的方程，在前一時刻壓力值的基礎上，求解包含對流項和擴散項的動量方程，得到中間時刻的速度場，其中，水平對流項和擴散項采用Perot’s格式進行離散求解；其次，求解由離散連續(xù)性方程和動量方程聯(lián)立所得到的壓力Poisson方程，對中間時刻速度場進行修正，得到新時刻的速度場；然后，通過滿足自由水面邊界條件的水位演化方程計算新時刻的自由水面；最后，求解紊流封閉模型，計算渦黏系數(shù)。

對水槽試驗內三維水流的模擬驗證見文獻[19-21]。對布置有楔形丁壩群情況的模擬，除在彎道凹岸增設1組(3個)楔形丁壩之外，其余如水槽尺寸、形態(tài)、網(wǎng)格劃分及相關水力參數(shù)等均保持不變。模擬采用標準k-ε紊流模型，時間步長取0.03 s，水平方向共劃分8 428個網(wǎng)格單元，垂向均勻分30層，糙率取值0.021，模擬時間150 s，直至水槽內流動達到恒定狀態(tài)為止。

3.3 結果分析

從水槽內平面流場和流線分布、典型剖面上水面線和河床切應力變化、典型斷面水位、垂向流速分布和二次流變化等幾個方面，對布置楔形丁壩群前后的模擬結果進行分析和討論。

圖3為楔形丁壩群作用下彎曲水槽內的水位、局部流場和流線分布。從圖3中可以看出，受楔形丁壩群布置的影響，不論是水位還是流場或流線在結構物附近及上方均有明顯的變化，水位在靠近凹岸一側的均勻梯度分布被打破，結構物上游普遍形成雍水，水位抬升，過結構物后水位下跌，從而水流能量得以部分削減。凹岸流線遇結構物后方向發(fā)生改變，流向向凸岸一側偏轉，在結構物上方基本呈垂直結構物走向流動，表明結構物初步達到將主流挑離凹岸的目的。尤其是在楔形丁壩A和B之間還形成了明顯的局部回流區(qū)域，為泥沙在靠近岸坡一側沉積創(chuàng)造有利條件。

圖3 布置楔形丁壩群后彎曲水槽內的水位和流場(線)分布Fig.3 Contours of water level and streamlines or flow field in channel bend with stream barbs

圖4 布置楔形丁壩群前后3個典型剖面上水面線與河床切應力變化對比Fig.4 Water surfaces and bed shear stresses at three typical profiles along the channel bend with and without stream barbs

圖4顯示布置楔形丁壩前后典型剖面上水面線和河床切應力的變化對比，3條剖面從150°斷面起始，沿水槽軸線計算沿程距直至下游出口，分別距凹岸岸壁1/8,1/4,1/2河寬，在研究結構物沿水流方向影響的同時，也能注意其在橫向上的影響。與布置前相比，楔形丁壩群布置在結構物上游形成雍水，過結構物后水面迅速下跌，并且離岸壁距離越遠,對水面線的影響越弱，在水槽軸線剖面靠上游位置仍存在雍水現(xiàn)象，但水面線已相當平緩。

同樣，沿程河床切應力變化表現(xiàn)出類似的現(xiàn)象，河床切應力反映出近河床處的水流強度情況。從計算結果可以看出，在靠近岸壁1/8河寬位置，楔形丁壩布置高程相對較高，流速所受影響最大，雖然因為結構物的影響河床切應力波動較為劇烈，但切應力大小相對結構物布置前已有大幅減弱。1/4河寬剖面上的河床切應力也存在微弱的波動，切應力大小同樣也有所減弱，但在水槽軸線剖面上沿程河床切應力明顯增強，說明楔形丁壩群布置已將主流挑托遠離岸壁的位置，主流向靠近水槽軸線位置發(fā)展，其長期作用能使河道深泓線穩(wěn)定在河道軸線位置。楔形丁壩群布置前岸壁附近的河床切應力最大，靠近水槽軸線方向切應力較小；而楔形丁壩群布置之后靠近岸壁處的河床切應力明顯減弱，相應地，水槽軸線位置的河床切應力顯著增強，說明楔形丁壩群布置使最大河床切應力從凹岸岸壁處向水槽軸線位置偏移，從而起到保護堤岸免受沖蝕的目的。

圖5為楔形丁壩群布置前后180°斷面上的水位和沿水深平均流速變化對比，圖5中左側是彎道凸岸，水面降低；而右側是凹岸，水面抬升。相較布置之前該斷面上水位均有所抬升，其中在靠近凹岸附近抬升較大。楔形丁壩群布置前斷面上流速大小保持均勻分布，布置后凹岸流速明顯減弱，流速梯度較強；而凸岸流速隨著離凹岸距離越來越遠則逐步增強。楔形丁壩群布置使該斷面水位雍高，凹岸流速降低，高流速水流被挑托至遠離凹岸位置，但同時還應防止凸岸一側被沖蝕的可能。

圖5 布置楔形丁壩群前后180°斷面上的水位和水深方向平均流速對比Fig.5 Water level and depth-averaged velocity at section 180° with and without stream barbs

圖6 布置楔形丁壩群前后180°斷面上典型測點垂線流速分布(縱向和橫向流速)對比Fig.6 Streamwise velocity and transverse velocity at typical points of section 180° with and without stream barbs

圖6為布置楔形丁壩群前后180°斷面上典型測點位置垂向流速分布對比，2個典型測點均距離凸岸和凹岸0.477 m。從圖6中可以看出，布置楔形丁壩群之后，凹岸一側縱向流速大小有顯著減弱，垂向流速分布也有較大變化；凸岸一側縱向流速增大，垂向流速分布基本保持不變，可能帶來凸岸沖刷的不利影響。凹岸一側橫向流速分布基本與布置前呈對稱分布，表明表底層流速方向恰恰相反，即由原來的表層流向凹岸，底層向凸岸流動的態(tài)勢轉變?yōu)楸韺酉蛲拱读鲃樱讓酉虬及读鲃拥那闆r?？拷拱兑粋鹊臋M向流速表層流速基本不變，中底層流速布置后有所增大。

圖7為楔形丁壩群布置前后180°斷面上二次流流線分布變化，左側水位抬升為凹岸，右側水位降低為凸岸。從圖7中可以看出，布置楔形丁壩群之前整個斷面只存在一個逆時針方向的二次環(huán)流，表層向凹岸流動，底層流向凸岸。而布置楔形丁壩群之后，在斷面靠近凹岸一側新形成了一個順時針方向的環(huán)流渦，與布置前的二次渦流向正好相反，底層向凹岸流動，表層流向凸岸，從而削弱主渦環(huán)流將河床上的沙粒向凸岸一側輸移，達到保護凹岸岸坡免受沖蝕的目的。圖7中的二次流環(huán)流結果說明，楔形丁壩群布置能有效地改變彎曲水槽內的二次流分布，進而影響彎道內的流速和切應力分布。

圖7 楔形丁壩群布置前后180°斷面二次流流線分布變化Fig.7 Secondary flow streamlines at section 180° with and without stream barbs

4 結 論

在當前河流再自然化，強調適度人工干預措施進行河流生態(tài)修復以恢復河流生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的背景下，應拓展傳統(tǒng)丁壩水力學的生態(tài)效益，完善并推廣我國河流生態(tài)修復領域河道內流動控制結構物的研究工作，進行科學分類與命名，并研究其水力特性。

(1)通過對彎道內楔形丁壩群水力特性的初步研究，從水面形態(tài)、流速和切應力及二次環(huán)流等幾方面變化對比分析可以發(fā)現(xiàn)，在彎道凹岸岸坡布置楔形丁壩群能達到將高流速水流挑離凹岸，避免岸坡遭受沖蝕的目的，其作用機制主要是通過調整彎道內的二次流結構，以發(fā)揮其挑托水流的目的。楔形丁壩群布置會造成彎道內水位雍高，高流速水流向凸岸一側偏移，其雍水高度和偏移程度與楔形丁壩群的布置方式密切相關。

(2)本文所采用的三維自由水面模型在成功模擬彎曲水槽三維水流結構的基礎上，同樣適用于對河道內流動控制結構物作用下水槽內三維水力特性的模擬，該數(shù)值模型可以作為進一步研究結構物導流特性的有效工具。