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河流新型生态护岸形式有效性数值模拟研究

2024-11-02 112 上传者：管理员

摘要：山区河流具有比降和水位变动大、流速快、对岸坡冲刷强的特点，特别在汛期来临时，河道水位猛涨，水流湍急，常常造成护岸冲刷甚至发生垮塌，在山区河流护岸工程中，硬质护岸结构是优选，但对生态环境不利。文章提出新型生态护岸结构(减速格梗),运用数值模拟的方法，模拟减速格梗结构周围水流结构，研究近岸减速效果以及原理，结果表明，该护岸后会形成一段适合植物生长的低流速区，保护岸坡不被冲刷，可以为相关工程提供参考。

关键词：
数值模拟
模型
河道坡
生态护岸
边坡稳定
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山区河流的河道坡降大，水流流速也大，当上游来水时，水位变幅剧烈，对沿岸造成的冲刷严重，因此河道两侧通常较为贫瘠，不利于植物生长。在汛期来临时，强降雨造成的短时水位暴涨及水流冲刷作用易造成护岸破坏，甚至是损毁，威胁居民生命财产安全[1]。由于这种特殊性，在山区河道的护岸工程中，在对护岸形式进行选择时，通常会以安全和稳定作为第一目标，因此硬质护岸是首选，利用浆砌石及混凝土等材料自身的强度抵抗水流冲刷作用。然而，虽然此类护岸可以为工程的安全、稳定运行提供充分保障，但会加重下游防洪压力，破坏水生动植物生存环境，减弱水体自净能力，硬质护岸阻断了生态系统间的交互，不利于生态环境健康[2-4]。

研究适用于山区河道的生态护岸工程结构，对实现人与自然和谐相处的生态景观，具有重要的现实意义[5]。目前我国护岸工程相关机理研究落后于相关技术发展，导致实际应用的护岸种类较少，缺乏理论支撑[6]。同时，生态护岸多应用于河道条件简单，来水较为稳定的河流，对于山区河流的应用存在空缺。针对山区河流洪水期间流速大，易导致边坡崩岸损毁等情况，本研究设计新型减速生态护岸结构，通过改变水流与堤岸夹角，加强近岸水流与主流掺混，消耗水流动能，减小流速，维系土壤与水体间物质交互。提出的新型护岸，对推动山区河道的防洪固岸技术水平的提高，改善生态环境，保护水质，促进人与自然和谐相处具有重大意义。

1、数值模拟方法

当前基于物理模型试验的河道水流模拟是有关护岸研究的主要手段，该方法得到的结果直观清晰，可以有效反应河道状况。但考虑到此类手段需要建设相关比尺缩小后的实际模型，需要较长的建设周期和较高的投资成本，同时还会受到测量误差的影响，而采用数值模拟的方法更为经济有效[7]。对于不同的河道条件，仅需通过改变相关参数即可得到具有参考意义的结果，因此该方法也逐渐成为研究新生态护岸有关水流结构的重要手段。

1.1基本方程

在自然界中，受到河道底部凹凸不平、水中杂物、岸坡形状、风力作用等条件的影响，几乎所有的河道水流都处于湍流状态，而水流的流速分布、压力和温度等，都会受到该状态的影响。就本研究提出的新型护岸而言，主要依靠构建的水阻结构，使得原本河道中的水流发生进一步的三维掺混等过程，以达到降低流速，为植物生长提供条件的目的，因此水流需要采用三维条件下的时间平均的纳维埃-斯托克斯方程来模拟，其连续方程可以表示为：

式中：U、V、W分别为X、Y、Z方向上的时均流速。动量方程满足：

式中：ρ为密度，P为压力；τ为剪切应力。

1.2湍流模型

而水流的湍流状态需要湍流模型进行描述，通常采用基于双方程的κ-ε湍流模型，其常用的形式包括保：标准κ-ε模型、(Renormalization Group, RNGκ-ε)模型以及Realizableκ-ε模型。考虑到新型生态护岸结构对水流的扰动较为复杂，易产生分离流等各种复杂流动，因此研究中采用Realizableκ-ε模型来描述湍流，该模型可以考虑曲率与旋转对湍流的影响[8-9]。

1.3壁面函数

考虑κ-ε模型针对的是充分发展的湍流，即高雷诺数流态。而本研究中，靠近岸坡和河道底部的水流，其雷诺数必然较小，仅仅采用κ-ε模型进行计算，将导致较大误差，无法验证所提出护岸形式的有效性。考虑到本研究主要关注新护岸形式的近岸水力特性，所以在近壁区域采用壁面函数进行处理，采用非平衡壁面函数法。该方法可以有效改善压力梯度较大位置出发生的水流和壁面的分离问题，以及顶冲、附着等现象。

1.4模型网格

目前常规的流体计算软件都使用到计算网格，从数学原理上看，网格越密集，计算精度会越高，但在实际的工程应用中，随着网格数量的增高，计算精度不会呈现明显的变化，盲目地追求网格密集，只会导致计算成本增加，计算周期加长，从而压缩研究人员的研究时间。一般情况下，水流流向与网格方向一致时，因数值离散造成的虚假扩散较小，而本研究中以河道建立模型，其形状狭长，采用六面体网格可以有效减低数值离散的虚假扩散。

本研究采用压力基求解器对水流进行求解，在计算流体的流场过程中，该方法会对压力场给出估计值，然后计算速度场的估计值，再通过求解由连续方程，推导出的压力修正方程，并对压力场和速度场进行修正。本研究采用的求解器中的求解方法为半隐式方法(SIMPLE算法)。

2、模型构建

2.1河道简化模型

为了能够较便捷地观察所提出的生态护岸近岸的水流特征，分析护岸的水流减速效果，以及缩减数值计算时间，需要对河道模型进行简化。本研究根据福建九龙江流域河道特点，将原始河道简化成底宽10 m,边坡坡度为1∶1.5,水深4 m,长度为100 m的梯形河道，不考虑河道坡降，进行护岸结构下的水流数值模拟计算，护岸断面如图1所示。

图1原始河道计算断面

2.2减速格梗结构

借鉴丁坝与扶壁式挡土墙原理，将部分扶壁结构改善加厚露出岸坡一定距离，形成减速格梗，如图2所示，从而形成水阻结构，改变水流流向。减速格梗后近岸形成低流速区，在局部低流速区种植植物，同时水体流经植被时候要耗费能量，植被挡水而产生的阻力可进一步降低近岸水流流速，保护近岸不被冲刷[10-11]。减速格梗长度的确定需要慎重考虑，长度太小达到的减速效果会很差，长度太大容易造成洪水位异常抬高，阻碍汛期洪水通过。

图2河道减速结构立体示意图

为保证山区泄洪安全，设置减速格梗长为河道宽度的1/10即L=1 m,宽B=0.5 m,高H=4m,栖息地条件可利用其他结构实现，这样根据1∶1.5的边坡，减速格梗就能创造出长6 m、高0.667 m的平行四边形影响区域。

2.3边界条件设置

根据九龙江流域河道流速情况，洪水期最大流速为4 m/s,研究中假设来流为均匀定常流，设置进口流速条件为4 m/s。进口边界为均匀定常流，采用速度进口条件，入流速度为4 m/s;出口边界为压力出口条件，表压设置为0;根据刚盖假定，自由水面设置为对称边界；河道中间因为河道为对称结构也设置为对称边界；其余设置为壁面边界[12]。因为主要研究减速格梗的减速效果，模拟中采用光滑壁面达到的效果，实际中因混凝土具有一定的糙度以及护岸植物的糙度，会进一步降低近岸水流流速，保护护岸，故可假设壁面都为光滑壁面即壁面粗糙高度设置为0,使护岸结构具有一定的水力安全系数。

图3河道流速体积云图

3、结果与讨论

3.1流场及减速原理

对原始河道水流进行数值模拟，河道流速分布如图3所示，流速大小及流速区分布沿程不变，除近壁面因水流黏滞力的影响微小距离流速较小，其他流速都为4 m/s左右。设置减速格梗后，河道断面会被束窄，这会引起来流阻力的增加，水流速度降低，因此在减速格梗上游会出现雍水，水位由些许上升。此外，在上游靠结构一侧的内面上还会形成角涡。当水流绕过上游减速格梗时会产生流动分离，形成明显的主流区和回流区，同时减速格梗后局部流速降低，越过减速格梗的水流则进入因减速格梗产生的低流速区。

垂向不同平面瞬时水流流场如图4所示，平面位置分别为Y = 1 m、2 m、3 m和4 m。图中颜色越深表示水流流速越大，结果表明不同垂向平面内都出现了回流区，不同垂向平面回流区宽度差异较大，但回流区长度大致都为15 m左右。可考虑在河道中，每隔15m设置一道减速格梗，每道减速格梗形成15 m的近岸回流区即近岸低流速区，可减少水流对该区域的冲刷，有助于该区域植物生长。

图4垂向不同平面内水流流场及流速

分析可以发现，减速格梗将冲刷河岸和河床的水流进行了撕裂和分散，原本的顶冲水流在减速格梗的作用下，形成了大量的涡体，各涡体的大小、流向不同，相互交汇撞击，有效消耗了其内部的动能，以至于水流的冲刷作用减弱，对河岸和河床起到了一定的保护作用。减速格梗后形成一段适合植物生长的低流速区，有益于该区域的植物生长，且水体流经植被时候要耗费能量，植被挡水而产生的阻力可以进一步降低近岸流速，保护岸坡不被冲刷，提高岸坡稳定性。

3.2减速格梗后回流区竖直流速梯度

对减速格梗后回流区的竖直流速梯度进行分析，可以评价竖向流速梯度对挺水植物生长的影响，如图5所示。

图5减速格梗后竖直流速云图

在减速格梗后不同距离的竖直流速分布不一致，流速>5m/s的高流速区在减速格梗后5～6 m左右消失，流速大致降为4.5～5 m/s。流速<1m/s的低流速区沿着水流方向从河底慢慢上升。靠河底及边坡处的流速在减速格梗后6m左右渐渐恢复成高流速，在该区域中水流冲刷严重，植物不易成活。

4、结论

本研究以福建省九龙江河道特征为基础，提出了采用减速格梗的新型生态护岸形式，并通过建立数值模型，模拟了护岸对水流结构的影响，结果表明提出的护岸形式可以有效用于山区河道的减速，并存在适宜植物生长的低流速区，满足生态需求，研究结果可以为类似工程护坡提供参考。

参考文献:

[1]李亚娟.浅谈中低山区中小河流治理工程中护岸形式选用[J].水与水技术,2023(S1):147-153.

[2]齐凯.中小河流治理山区河道护岸处理措施[J].河南水利与南水北调,2022,51(03):6-7,20.

[3]孙宏伟,王志英.山区性河道护岸工程设计要点分析[J].中国水能及电气化,2020(05):16-20.

[4]罗小兵.浅谈山区中小河流整治工程中护岸形式选择的应用[J].珠江水运,2019(09):61-62.

[5]吴坤坤,杨嘉为.山区河道生态护岸设计[J].东北水利水电,2022,40(05):1-3,71.