李健1陈迪2
（1.重庆交通大学，重庆 400074;2.长江勘测规划设计研究院有限责任公司，武汉 430000）
摘要：本文基于保护长江中下游生境，设计一种新型生态护坡结构，通过物理模型试验分析护坡结构水流特性。结果表明，近壁水流流速大小和来流量呈正相关性，和孔隙率呈负相关性；近壁水流脉动流速和流量呈正相关性；脉动频率和流量呈正相关关系；湍动能与流量呈正相关关系；脉动速度频率和孔隙率呈正相关关系；湍动能与孔隙率呈正相关关系。
关键词：生态护坡结构；脉动流速；湍动能
0 绪论
传统护坡工程阻碍岸坡和水流的直接接触，虽然保证了岸坡稳定性，却忽略了生态的重要性。随着生态的广泛提出，生态护坡结构也得到了广泛应用。刘晓菲[1]对新型生态护岸工程结构形式进行研究，取得了良好的保护效果；张桂荣[2]等人进行水槽模型试验，分析石笼网垫护坡结构在不同水流冲刷作用下变形过程与破坏规律。本文基于保护长江中下游岸坡稳定性和为水生动植物提供良好生存环境的出发点，提出一种新型生态护坡结构，研究其水流特性。为今后生态护坡工程提供合理性建议和思路。
1.物理模型试验设计
模型试验在重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心航道整治试验大厅进行。
1.1生态护坡结构设计
生态护坡块体底部为边长23 cm的正方形，顶部为边长15 cm的正方形，高度20 cm，收口式设计，四周采用圆弧面连接上下底的形式，块体内部为空腔设计。单个的生态护坡块体在岸坡上紧密排列铺设，可对岸坡整体防护。
1.2模型试验参数
岸坡斜率：收集长江中游荆江河段典型岸坡破坏前的坡度范围，选取岸坡破坏的典型坡度，本次试验岸坡坡度选取为1：3。
模型比尺：根据物理试验水槽的实际尺寸，试验采用局部模拟的方法，仅模拟靠近河岸局部区域，本次物理模型试验比尺采用=3的平面比尺，=1.732的速度比尺进行物理模型试验研究。
流速、水深选择：长江中下游河道枯水河宽在800m左右，洪水河宽在2000 m左右，流量在5000 ~ 50000 m3/s之间，流速在0.50~3.00 m/s范围内。结合实验室情况，水深选择22cm，工况设计如表：
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本次物理模型试验，共铺设9层，其中，底部两层模拟枯水期水位所能淹没的高度范围，顶部两层模拟洪水期水位能淹没的高度范围，中间5层模拟水位变动区，试验段铺设长度2m。本次试验分析护坡结构近壁处的流速分布以及水流紊动特性。
2.试验分析
2.1 不同来流量生态护坡结构近壁位置处水流流速分析
通过观测在同一水深，同一孔隙率，不同来流量情况下岸坡附近的流速分布，可以看出：岸坡上，生态护坡位置处的流速降低明显，且随着水深的降低，流速也越小，流速大小和来流量呈正相关性。同时水流流速分布情况区域复杂，流线未能保持平顺，说明生态护坡对近壁位置处流速影响巨大。
2.1 不同孔隙率生态护坡结构近壁位置处水流流速分析
通过分析不同孔隙率的生态护坡结构对岸坡附近近壁位置流速的分布，可以看出随着孔隙率的增大，对近壁处流速的影响越发明显，流速大小和孔隙率成负相关关系：护坡结构孔隙率越大，该区域的流速越小。
本次试验，通过对新型联锁式生态护坡结构块体近壁流速进行观测，分析在不同流量下，同一种孔隙率附近流速的紊动情况，以孔隙率53%为例进行分析，选择护坡块体枯水位和最高洪水位之间的中部块体A3-2为分析对象。
通过螺旋桨流速仪采集到近壁1cm附近的顺水流流速，采集时间为一分钟，分析不同流量情况下新型联锁式生态护坡结构块体近壁流速紊动特性。
2.3不同来流量生态护坡结构近壁位置处水流紊动特性研究
如图1，2所示。脉动流速和流量呈正相关关系。当流量为154L/s时，脉动流速的频率相对较短，流量182L/s时，脉动流速的频率相对较长，脉动频率和流量呈正相关关系。说明新型联锁式生态护坡结构块体对近壁流脉动流速的影响随流量的增大而增大。
通过分析得出不同流量下的湍动能，流量154L/s时，近壁湍动能9.49×J，流量182L/s时，近壁湍动能1.06×J。湍动能与流量呈正相关关系，流量增大，近壁附近的湍动能增大，能量交换剧烈。
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图1来流量154L/s新型联锁式生态护坡结构近壁脉动流速
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图2来流量182L/s新型联锁式生态护坡结构近壁脉动流速
本次试验有两种孔隙率的新型联锁式生态护坡结构块体，通过螺旋桨流速仪采集到进步1cm附近的水流流速，采集时间为30s，分析不同孔隙率近壁附近的紊动情况。选择来流量154L/s，护坡块体枯水位和最高洪水位之间的中部块体A3-2为分析对象。
2.4不同孔隙率生态护坡结构近壁位置处紊动特性研究
通过分析可以得出，相同流量下，块体的脉动流速变化幅度大致相同。随着孔隙率的增大其脉动流速的变化频率增大，孔隙率和脉动速度频率呈正相关关系。
通过分析得出不同孔隙率下的脉动动能，孔隙率36%时，近壁湍动能7.40×J，孔隙率53%时，近壁湍动能9.50×J，湍动能与孔隙率呈正相关关系，孔隙率越大，近壁附近的湍动能增大，能量交换剧烈。
3.结论
通过对水流紊动特性进行分析，得出：
①水流受护坡结构影响较强，水流特性具有明显的波动性；
②生态护坡结构近壁水流流速大小和来流量呈正相关性；和孔隙率呈负相关性；
③新型生态护坡结构块体对近壁流脉动流速和流量呈正相关关系;脉动频率和流量呈正相关关系；湍动能与流量呈正相关关系，流量增大，近壁附近的湍动能增大，能量交换剧烈；
④孔隙率和脉动速度频率呈正相关关系；湍动能与孔隙率呈正相关关系，孔隙率越大，近壁附近的湍动能增大，能量交换剧烈。
参考文献
[1] 王平义，徐晓菲.新型生态环保型护岸工程结构型式研究[R].重庆：重庆交通大学，2014.
[2] 王远明,张桂荣,李登华,假冬冬,张家胜,杨学春.石笼网垫护坡结构抗冲刷性能水槽模型试验[J].人民黄河.2020(04).
作者简介：
李健，男，（1993-），河南商丘人，博士研究生，主要从事航道整治工程研究
基金项目：长江勘测规划设计研究院有限责任公司自主创新项目（CX2018Z05）