马爱兴，曹民雄，2，谭伦武，付中敏，王秀红，蔡国正

(1. 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029； 2. 长江南京以下深水航道建设工程指挥部，江苏南京 210017； 3. 长江航道规划设计研究院国家内河航道整治工程技术研究中心，湖北武汉 430011)

透水框架是一种减速防冲的透水整治建筑物，由于具有消能减速进而守护岸滩免受水流冲刷的功能，近20年来，在护岸、护滩工程中得到广泛应用。工程中常用的透水框架为四面六边透水框架，由6根长度相等的预制钢筋混凝土框杆相互连接组成，呈三棱锥，杆件之间采用焊接，为防止锈蚀，焊接点进行防锈处理。一些学者对四面六边透水框架的水动力特性、防冲促淤效果等开展了试验研究工作[1-6]，在理论及工程应用方面取得了一些进展，但对四面六边透水框架防冲功能的阐述大都基于流速削减的角度。事实上抛投框架后近底床面紊动增强，需综合考虑流速、紊动对床面防护的影响。另一方面，在工程实践中发现了四面六边透水框架存在一些不足：如框架之间钩连性较弱，在水流作用下容易产生位移，在大水作用下又易冲散、走失，整体稳定性较差；6根加筋混凝土杆件焊接点容易锈蚀，杆件散落，从而导致结构破坏，失去防冲功能。

针对四面六边透水框架存在的不足，长江航道规划设计研究院提出了一种新型消能护滩结构——扭双工字型透水框架，该结构为开敞式构件，陆上振动试验表明新型透水框架整体稳定性明显优于四面六边透水框架[7]。水槽波流稳定性及动床试验表明[8]，扭双工字型透水框架抛投2层后，空间上交错嵌套，整体稳定性较好，抛投于床面后护滩效果显著。图1为该透水框架在原型抛投密度2.2个/m2、水深7.6 m、流速2 m/s、滩面泥沙中径0.15 mm清水冲刷后的地形变化。可以看出，扭双工字型透水框架群作用后滩面冲刷沿纵向可分为5个区段：上游滩面冲刷区、框架群头部顶冲区、框架群内部防护区、框架群下游防护区以及下游滩面冲刷区；滩面横向冲刷则可分为：滩面冲刷区、框架群边缘侧蚀区以及框架群内部防护区。新型透水框架护滩后，在流速2 m/s的清水冲刷下，框架群内部完全守护，甚至出现淤积。

本文主要在变坡水槽上精细测量了扭双工字型透水框架附近的水流结构，分析了框架群对纵向、侧向水流流速、紊动强度的调整作用，并综合考虑框架抛投后的流速、紊动对床面防护的影响，从单位质量水体能量(动能+紊动能)的角度探明扭双工字型透水框架削减水体能量的能力及其防冲作用机理，研究成果可为扭双工字型透水框架的设计、应用提供技术参考。

(a) 纵向变化 (b) 横向变化 (c) 冲淤照片图1 扭双工字型透水框架护滩后周边滩面冲淤变化Fig.1 Changes in erosion and deposition near the twist double H permeable frames

1 扭双工字型透水框架及水槽试验简介

1.1 扭双工字型透水框架

扭双工字型透水框架由2个工字型构件垂直交叉组成，单个框架由6根杆件构成，杆件原型尺寸为10 cm×10 cm×80 cm，材料为钢筋混凝土，密度为2.4 g/cm3，结构如图2所示。孔隙率试验[7]表明，该透水框架孔隙率为89.3%，略高于相同杆件尺寸的四面六边透水框架87.6%的孔隙率。

(a) 四面六边透水框架 (b) 扭双工字型透水框架 (c) 扭双工字型透水框架模型图2 透水框架结构Fig.2 Schematic diagram of permeable frame

室内水槽试验中，按几何相似、质量相似对扭双工字型透水框架进行缩尺模拟，并进行了比尺为1:20和1:40的水动力试验，分析表明两种比尺均能有效反映扭双工字型透水框架附近流速、紊动以及能量的变化特性[8]。本文主要介绍模型几何比尺为1:20的成果，模型杆件尺寸为5 mm×5 mm×40 mm，采用密度为2.4 g/cm3的材料注塑制成，经抽样检验，框架模型尺寸、质量的误差均小于2%，保证了透水框架模型与原型的几何相似和质量相似。

1.2 水槽试验简介

1.2.1试验水槽 扭双工字型透水框架防冲机理试验在南京水利科学研究院矩形变坡水槽上进行，该水槽全长44 m，宽0.8 m，深0.8 m，水槽底部、两侧均为玻璃壁面，通过底部安装的钢结构支撑可实现槽底坡度调节，可调最大底坡14‰。水流循环运行是由泵房从地下供水库中抽水到平水塔，由平水塔经管道下泄稳定流至水槽，再由水槽出水口及回水槽将水流送回地下供水库。其中水槽进水口采用直径2.5 cm，长50 cm的PVC管群进行消能，使进口水流沿水槽宽度方向均匀分布，进口流量由电动阀进行控制并由电磁流量计测量，水槽出口通过步进电机控制格栅尾门的开度进而控制尾门水位。

1.2.2试验布置及水流条件 工程中透水框架一般成群随机抛投于滩面，为了研究扭双工字型透水框架群对周边水流结构的调整作用，在水槽中部沿宽度方向随机抛投5 m长的透水框架，模拟原型100 m长度的框架群，在框架群内部及上下游进行垂线三维流速测量。透水框架沿水槽宽度方向分满抛与半抛两种。框架满抛时主要研究水流结构沿纵向的调整，半抛时则研究横向变化。以消能管出口与水槽侧壁交界处作为零点，满抛时，沿水槽中纵线布置测流垂线1#～16#(图3)；水槽右侧半抛时，沿水槽横向布置测流垂线17#～21#，对位于框架群中心的7#(里程22.1 m)及框架群下游10 cm处的9#(里程24.6 m)垂线流速进行详细测量，且近底区及框架附近垂线测点加密。根据水深的不同，垂线测流点为20～30不等，其余垂线测量相对水深(z/h)分别为0.1，0.2，0.4，0.6，0.8和0.9的测点。在测流垂线处同时测量该处水深，试验水槽底坡1‰。

图3 试验水槽布置Fig.3 Layout of an experimental flume

试验原型水流条件考虑1，2和3 m/s三种，对应水深分别取2.0，3.5和5.0 m；透水框架抛投层数考虑1，2，3层，共进行9组试验，各试验透水框架完全淹没，模型水流条件及水力要素详见表1。

表1 试验水流条件Tab.1 Experimental flow conditions

1.2.3三维流速量测仪器 试验中流速测量采用声学多普勒点式流速仪Vectrino(小威龙)，为挪威Nortek公司生产，是ADV的升级替代产品，可测量单点三维流速。Vectrino声学传感器包括1个发射换能器和4个接收换能器。由发射换能器发射1个短的声学脉冲，当该脉冲经过4个接收换能器的聚焦点时，“回声”被4个声学接收换能器同时接收。通过处理反射回来的声波，得到多普勒频移，多普勒频移根据水中声波的传播速度进行调整，流速的矢量数据以很快的速率传送到计算机。基本参数为：采样点距离探头距离为5 cm，采样点直径6 mm，高度3～15 mm，采样频率0～200 Hz，测量精度为测量值的0.5%或1 mm/s。试验中水流垂线点流速测量频率采用90 Hz，测量时间40 s，每个垂线点流速样本数据3 600个。

2 试验结果分析

(1)

式中：ui为第i个瞬时流速；n为流速样本数。对于y，z方向的流速、紊动强度瞬时流速分别换成v，w。

设单位质量的水体沿水流方向的能量E为动能与紊动能之和，即

(2)

为书写方便起见，下文时均流速采用u表示。根据模型相似律，对于正态模型，模型测流垂线位置xm、流速um、紊动强度σxm以及单位质量的水体能量Em与原型测流垂线位置xp、流速up、紊动强度σxp以及水体能量Ep之间有如下关系：

(3)

式中：模型几何比尺αL=20。为便于对比分析，下文流速、紊动强度、水体能量以及测流垂线位置均换算至原型值。

2.1 局部流场变化

图4为淹没扭双工字型透水框架群附近的流场变化(试验组次5)，可见水流进入透水框架群后，流速迅速减小，愈靠近框架群底部，流速减小愈明显。一般而言，水流的挟沙能力与水流流速的高次方成正比，由此可以推断，具有较大流速的清水进入框架群后将难以携带床面泥沙，而挟沙水流进入框架群后水体中的泥沙可能淤积于床面。水流出框架群后，在框架群下游一定范围内，底层流速同样表现出减小的特征，这对框架群下游床面的防冲促淤起到一定作用。框架群横向侧缘的流场如图4(b)所示，可见，框架群高度内流速迅速减小，底部出现涡旋，框架顶附近水流受杆件挑流作用流向朝向水面，而框架群外侧侧缘流速明显较大。

(a) 纵 向 (b) 横 向图4 水流穿越扭双工字型透水框架群的流场(试验组次5)Fig.4 Flow field passing through the twist double H permeable frames (Test 5)

2.2 流速、紊动强度、能量沿垂向变化

图5为扭双工字型透水框架群内部(7#测点，下同)x,y,z方向流速、紊动强度沿垂向变化(试验组次5)。可以看出，水流穿越框架群时，在框架群顶以下位置纵向流速u、垂向流速w减小，而横向流速v有所增大，即框架群内水体纵向、垂向交换减弱，而横向交换增强，对于框架群顶部以上位置，u，v，w均加大，受框架对水体扰动影响，3个方向的紊动强度均增强，最大紊动强度出现在框架群顶部附近。图6为x向垂线流速分布沿程变化，与框架群抛投之前相比，框架群内部及其下游一定范围内垂线流速明显发生调整，水流出框架群后框架顶以下水流流速仍削减，框架顶以下流速仍加大，随着水流距离框架群尾端增大，垂线流速分布逐渐恢复至原有分布。

影响床面泥沙输移的主要是x方向的动力要素。图7给出了透水框架群内及下游2 m处纵向流速、紊动强度、单位水体能量垂向变化。可以看出，框架群抛投于床面后垂线流速分布发生显著调整：近底层水流遭受框架群消能作用，流速大幅度削减；表层水流则受到框架群挤压，流速增大；过渡层垂线流速梯度加大，垂线流速分布不再服从对数律。从床面至水面的垂线流速大致可分为3个区段，分别为近底流速骤减的框架层、流速梯度加大的过渡层、流速增大且基本服从对数律的表层。相同水流条件下，随着框架层数的增加，近底层减速率及表层增速率均加大。框架群调整垂线流速分布的同时，改变了水流紊动强度沿垂向分布。

图5 扭双工字型透水框架群内7#测点xyz方向流速、紊动强度沿垂向变化(试验组次5)Fig.5 Vertical velocity distribution and turbulence intensity inside the frames (Test 5)

图6 扭双工字型透水框架群上下游垂线流速分布(框架范围x=19.5～24.5，试验组次5)Fig.6 Vertical velocity distribution in the upstream and downstream of the frames (Test 5)

(a) 框架群内部

(b) 框架群下游2 m处图7 纵向流速(u)、紊动强度(σx)及单位水体能量(E)的垂向变化(试验组次5)Fig.7 Vertical variations in vertical velocity distribution， turbulence intensity and flow energy (Test 5)

由图7可以看出，框架群抛投于床面后，紊动强度呈现底表层小、中间层大的分布规律，最大紊动强度出现在框架群顶部附近。相同水流条件下，最大紊动强度随着框架层数的增加而加大；紧邻框架群下游的紊动强度明显强于框架群内部。

扭双工字型透水框架抛投于床面后，近底层流速骤减，但紊动强度增强。一般而言，床面推移质输沙率与流速的高次方成正比，框架群近底层流速的骤减必将引起输沙率的大幅减小，而近底层水体紊动的加强，则有助于水流对床面泥沙的悬浮作用，进而冲刷床面。框架群内部流速减小、紊动增强，两者对床沙的综合影响是利于床面防护还是促使床面冲刷，需综合考虑。本文采用了单位质量的水体能量E(动能+紊动能)来综合反映两者对床沙运动的影响。由图7可以看出，框架群作用后，近底层水流能量显著消减，即扭双工字型透水框架群有利于对抛投区及其下游滩面起到防护作用。

统计框架群高度内垂线平均流速、平均紊动强度及平均能量的变化(表2)，可以看出，无框架时，平均流速u明显大于紊动强度σx；框架抛投后，框架群高度内流速骤减、而紊动强度则增强，从而使得平均流速、紊动强度量值相当，对紧邻框架群下游侧个别试验组次甚至出现紊动强度大于平均流速的现象。框架群内，框架高度内平均流速的减速率达0.57～0.80，而紊动强度增大率约0.41～1.21；紧邻框架群下游2 m处，减速率达0.38～0.89，而紊动强度增大率达1.71～2.85。框架群作用后，框架群内，框架高度单位水体消能率达0.63～0.92，框架群下游2m处水流消能率为0.28～0.85。

表2 扭双工字型透水框架群高度内平均流速、平均紊动强度变化Tab.2 Variations in average velocity and turbulence intensity within height of frames

注：u和σx单位为m/s，E单位为J；变化率=(有框架-无框架)/ 无框架，“-”表示减小，“+”表示增大，下同。

2.3 流速、紊动强度、能量沿纵向变化

扭双工字型透水框架群抛投于床面后，沿程流速、紊动强度及水体能量发生调整，图8为近底层(z/h=0.1)、表层(z/h=0.8)相对流速u/u0、相对紊动强度σx/σx0及相对能量E/E0(下标0代表无框架)沿流程变化。框架群上游受壅水作用底层、表层流速均有所减缓，且变化平缓；水流进入框架区一定距离后，框架群内部的底层水流受框架消能作用流速大幅度降低，降幅达80%以上，并随框架层数的增加而加大，而表层水流受框架挤压影响流速加大，增幅约30%以上；水流出框架群后，近底流速沿程逐渐恢复至无框架时的流速。

底层、表层水体紊动强度的沿程变化规律基本一致：框架群上游紊动强度变化平缓，水流进入框架群后紊动强度逐渐加强，出框架群后紊动强度达到极值，之后水流受框架影响逐渐减弱，紊动强度逐渐衰减直至恢复至无框架时的紊动强度；底层、表层水流受框架影响程度的差异，两者紊动强度极值的位置发生偏离，表层位置较底层偏下游侧；相同水流条件下，框架层数越多，紊动强度沿程变化幅度越大，对应紊动强度极值也越大。

单位水体能量的沿程变化与流速变化基本一致，框架群内近底层水体能量大幅消减，而表层水体能量则增强，框架抛投层数越多，底层流速消减幅度、表层流速增大幅度越大。近底层水体能量的大幅消减有利于对滩面的防护，水流出框架群后，水体能量逐渐增大并恢复至正常状态，即框架群下游水体能量恢复区内，滩面将受到一定程度的防护作用，防护能力随偏离框架群尾端的距离的增加而削弱。

表3统计了框架群内部近底层(z/h=0.1，0.2)平均流速及水体能量的变化。框架群抛投于床面后，z/h=0.1的近底层流速减速率为0.79～0.95，水体消能率达0.93～0.99，框架群下游能量恢复至无框架时能量的距离约38～56 m；z/h=0.2的近底层流速减速率约0.53～0.86，消能率0.71～0.96。

(a) 近底层(z/h=0.1)

(b) 表 层(z/h=0.8)图8 相对流速、紊动强度、能量沿程变化(试验组次5)Fig.8 Variation in relative velocity， turbulence intensity and flow energy (Test 5)

z/h=0.1u0/ (m·s-1)E0/ Ju/ (m·s-1)E/ JuE/mz/h=0.2u0/ (m·s-1)E0/ Ju/ (m·s-1)E/ JuE120.910.420.190.03-0.79-0.93380.980.490.240.04-0.76-0.92 11.831.770.260.08-0.85-0.96472.002.040.640.35-0.68-0.83221.831.770.150.05-0.92-0.97472.002.040.490.22-0.76-0.89 31.831.770.100.02-0.95-0.99472.002.040.290.09-0.86-0.96321.832.600.240.09-0.87-0.97562.673.531.261.03-0.53-0.71

2.4 流速、紊动强度及能量沿横向变化

沿水槽宽度方向半抛框架群后，近底层及表层相对流速、紊动强度及水体能量沿水槽宽度方向的变化如图9所示，可以看出，扭双工字型框架群内流速、紊动强度及水体能量较抛投框架群之前有所减小，而表层则加大；由于框架群消能作用及抛投区阻力增加，主流偏向无框架区，框架群外侧流速、能量均加强；底表层最大紊动强度位置出现偏离，近底层最大紊动强度位于框架群外侧边沿，而表层最大紊动强度则出现于框架群内侧。

从近底层水体能量变化来看，框架群引起外侧水流能量加强，将导致框架侧沿岸滩局部冲刷，这是由框架抛投后周边流速加大、紊动加强引起的。

(a) 近底层(z/h=0.1) (b) 表层(z/h=0.8)图9 相对流速、紊动强度、能量沿横向变化(试验组次9)Fig.9 Cross-section variations in relative velocity， turbulence intensity and flow energy (Test 9)

3 结 语

对扭双工字型透水框架按比尺1:20进行正态缩放，在变坡水槽上对框架群纵向、横向的水流结构进行了精细测量，主要结论如下：

(1)扭双工字型透水框架抛投于床面后底层流速大幅削减、表层流速增大、过渡层流速梯度加大，整个垂线流速分布不再服从对数律；透水框架高度内流速平均减速率约0.57～0.80，近底层减速率达0.79～0.95，减速率随抛投层数的增加而加大。

(2)紊动强度呈底表层小、中间层大的分布规律，最大紊动强度出现在框架群顶部附近；水流进入框架群后紊动强度逐渐加强，出框架群后达到极值；底表层紊动强度极值的出现位置在纵向、横向上发生偏离，纵向上表层位置较底层偏下游侧，横向上表层位置较底层偏框架群内侧；框架层数越多紊动强度沿程变幅越明显，对应紊动强度极值也越大。

(3)以单位质量的水体能量综合反映流速、紊动对床沙运动的影响，框架抛投于床面后，底层水体能量大幅衰减、表层能量加大，框架群高度内水流消能率0.63～0.92，近底层(z/h=0.1)水体消能率达0.93～0.99，框架群下游能量恢复距离约38～56 m。

(4)具有较大流速的水流行近扭双工字型透水框架群时，框架群头部处于顶冲区、水体能量较大，滩面易冲刷，进入框架群内部后，水体能量大幅消减，滩面完全守护，水流出框架群后，水体能量由极小值逐渐增大并恢复至正常状态，该恢复区内滩面得到有效防护，其防护能力随偏离框架群尾端距离的增加而减弱；框架群易增强侧向边缘流速及水体紊动，从而造成框架群侧沿岸滩局部冲刷。

参 考 文 献：

[1]唐洪武， 李福田， 肖洋， 等. 四面体框架群护岸型式防冲促淤效果试验研究[J]. 水运工程， 2002， 344(9)： 25- 28. (TANG Hong-wu， LI Fu-tian， XIAO Yang， et al. Experimental study on effect of scour prevention and sedimentation promotion of bank protection of tetrahedron penetrating frame groups[J]. Port & Waterway Engineering， 2002， 344(9)： 25-28. (in Chinese))

[2]吴龙华， 周春天， 严忠民， 等. 架空率、杆件长宽比对四面六边透水框架群减速促淤效果的影响[J]. 水利水运工程学报， 2003(3)： 74-77. (WU Long-hua， ZHOU Chun-tian， YAN Zhong-min， et al. Effects of overhead ratio and pole′s length-width ratio on deceleration and accretion promotion of tetrahedron-like penetrating frames[J]. Hydro-Science and Engineering， 2003(3)： 74-77. (in Chinese))

[3]房世龙， 唐洪武， 周宜林， 等. 桥墩附近四面体透水框架抛投防冲效果试验研究[J]. 水科学进展， 2006， 17(3)： 354-358. (FANG Shi-long， TANG Hong-wu， ZHOU Yi-lin， et al. Experimental study on effect of local scour at piers and protection by tetrahedron frame[J]. Advances in Water Science， 2006， 17(3)： 354-358. (in Chinese))

[4]周根娣， 顾正华， 高柱， 等. 四面六边透水框架尾流场水力特性[J]. 长江科学院院报， 2005， 22(3)： 9-12. (ZHOU Gen-di， GU Zheng-hua， GAO Zhu， et al. Hydraulic characteristics of tetrahedron-like penetrating frame wake[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute， 2005， 22(3)： 9-12. (in Chinese))

[5]李最森， 唐洪武， 戴文鸿.透水四面体框架群防护特性及其与抛石防护的对比研究[J]. 泥沙研究， 2011(6)： 75-80. (LI Zui-sen， TANG Hong-wu， DAI Wen-hong. Case study of protective effects of ripraps or tetrahedron frame group with different densities on local scour around a pier[J]. Journal of Sediment Research， 2011(6)： 75-80. (in Chinese))

[6]房世龙， 杨国巍. 四面体透水框架群防冲固脚技术研究进展[J]. 水利科技与经济， 2009， 15(12)： 1119-1121. (FANG Shi-long， YANG Guo-wei. Experimental study on field around tetrahedron frame[J]. Water Conservancy Science and Technology and Economy， 2009， 15(12)： 1119-1121. (in Chinese))

[7]TANG H W， DING B， CHIEW Y M. Protection of bridge piers against scouring with tetrahedral frames[J]. International Journal of Sediment Research， 2009， 24(4)： 385-399.

[8]LU J Y， CHANG T F， CHIEW Y M. Turbulence characteristics of flows passing through a tetrahedron frame in a smooth open-channel[J]. Advances in Water Resources， 2011， 34(6)： 718-730.

[9]付中敏， 谭伦武， 尹书冉， 等. 潮汐河段消能护滩结构(透水框架)研究[R]. 武汉： 长江航道规划设计研究院， 2013. (FU Zhong-min, TAN Lun-wu, YIN Shu-ran, et al. Research on the structure of energy dissipation and beach protection (permeable frame) in tidal reach[R]. Wuhan: Changjiang Waterway Planning Design and Research Institute， 2013. (in Chinese))

[10]马爱兴， 王秀红， 蔡国正， 等. 潮汐河段消能护滩结构(透水框架)试验研究[R]. 南京： 南京水利科学研究院， 2013. (MA Ai-xing， WANG Xiu-hong， CAI Guo-zheng， et al. Experimental studies on the structures for energy dissipation and beach protection (permeable frame) in tidal reach[R]. Nanjing： Nanjing Hydraulic Research Institute， 2013. (in Chinese))