，，

(1.交通运输部天津水运工程科学研究院，天津 300456；2.长江科学院 水力学研究所，武汉 430010)

1 研究背景

近年来，随着河流治理工程理念的更新和变化，在满足水资源开发利用和防洪安全的前提下，如何兼顾河流利用对生态环境的影响，促进人与自然的和谐相处，实现河流利用的长期可持续性发展，已然成为现代水利科学关注的热点。水利工程的生态影响问题已引起了社会各界的广泛关注，同时也逐渐成为制约水利水电建设发展新的瓶颈[1]。鉴于此，河流再自然化日益成为人们新的必然的选择[2-3]。

新型的河道内流动控制结构物，不同于传统护岸单纯以增强岸坡防护刚度为重点，是通过主动调整近岸处的流动形态，将高流速水流挑离至远离河岸位置，以达到保护堤岸免受冲蚀的目的。此外，经河道内流动控制结构物作用下流场调整所形成的冲坑还具有附带的生态效益[4]。流动控制结构物作用下河道内将形成新的流动形态和冲淤格局，构造出急流-缓流交替、深潭-浅滩交错的水流条件和多样性地貌，使其更贴近天然河流的形态特征，为鱼类或其他底栖生物提供适宜的栖息和产卵场地，从而有助于河流生物种群多样性的提高。

国内外自20世纪90年代以来，已逐步开展河道内新型流动控制结构物的模型试验和数值模拟研究工作，如导流屏[5-8]、堰坝[9-12]等。而楔形丁坝群以其阻水性小、稳定性好和节省材料的优点在中小河流岸坡修复领域正获得广泛的应用[13-17]，并初步形成了具有实践指导意义的工程设计准则，而国内对于楔形丁坝目前还鲜见有相关的研究报道。

2 河道内流动控制结构物

目前，国外在传统丁坝形式基础上衍生出了多种河道内流动控制结构物类型，已广泛用于河道生态修复领域，分类详细，多数已形成可用于指导工程实践的设计指南，并积累了较为丰富的安装、监测和维护等工程经验。而国内对其划分不甚明确，且多数还停留在河道控导工程等治河或通航领域，主要以工程应用为导向，对其分类命名较为笼统，且对生态效益的关注较少。

为与传统丁坝形式相区分，选取几种常见的河道内流动控制结构物(见图1)，就其各自的特点和适用性进行介绍。

图1 常见的河道内流动控制结构物类型Fig.1 Illustrations of typical instream flow control structures

2.1 单一型堰(rock vane)

单一型堰是一种独臂导流结构物，从河岸伸出突入河道当中，突出部分约占河道宽度的1/3，并与来流构成一定的角度，突入河道的一端直接插入河床，从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时依然被淹没在水下，而其余部分则裸露在外。单一型堰通过将高流速水流挑离河岸，在河岸附近形成静水区域，从而减弱水流对河岸的侵蚀，以达到保护河岸的目的。

2.2 J型堰(J-hook vane)

J型堰是对单一型堰的一种改进，在突入水中的一端额外布置留有间隔的漂石块，从而在平面上呈“钩”状分布，“钩”状部分约占整个河道宽度的1/3。“钩”状部分漂石间隔消散了来流部分能量，在下游形成漩涡，有利于泥沙输移并为鱼类提供掩蔽，相比单一型堰能形成更加宽大和更深的冲坑，从而更加利于底栖生物栖息。J型堰同单一型堰一样，主要布置在河流弯道的凹岸一侧，通过降低河道坡降、流速和切应力来防止河岸侵蚀。

2.3 交叉堰(cross vane)

交叉堰是将左右两岸2个独臂的单一型堰通过与来流相垂直的漂石体相连，三者各占河宽的1/3，垂直来流的中间堰体即使在小流量情况下依然被淹没在水下。交叉堰主要用来控制坡降并将高流速水流挑离河岸，降低河床切应力，从而减弱对河岸的侵蚀，形成稳定的宽深比。交叉堰下游所形成的冲坑，在堰体结构的掩蔽之下，能为底栖生物提供良好的栖息和产卵场地。

2.4 W型堰(W-weir)

W型堰结构同交叉堰类似，同样是一种跨河道的结构物，通过两列“V”型漂石体将左右两岸2个单一型堰相连。从上游朝下游方向看去，该堰体外型呈“W”型，与交叉堰类似，该结构物同样起到控制坡降和挑离高流速水流作用以达到保护河岸的目的。与交叉堰不同的是在堰体下游构成2条平行的河道深泓线，形成多样化的流态特征，对改善鱼类栖息地具有积极意义。

2.5 导流屏(submerged vanes/Iowa vanes)

导流屏是一种小型导流结构物，垂直安装在河床上，与水流构成一定的角度，通过人工环流来重新分布水流与河道断面内的泥沙运动，从而控制河床的冲淤形态。导流屏一方面激发次生环流，用以消除河流弯段离心力引起的横向环流，改变近河床的切应力分布，将含沙量较大的水流导入导流屏区，促进导流屏控制区的淤积；另一方面，它可增大局部水流阻力，减小导流屏控制区的流速和输沙能力，有利于含沙水流与推移质泥沙的淤积。

2.6 丁坝(spur dike/groyne)

丁坝是从河道岸边伸出，在平面上与岸线构成丁字形的河道整治结构物。其主要作用有束窄河床、导水归槽、调整流向、改变流速和导引泥沙等方面。按不同的设置目的、丁坝布置与水流不同的夹角,丁坝分为正丁坝、上挑丁坝和下挑丁坝。丁坝直接挑托水流远离堤岸，从而降低近岸流速和河床切应力，促使泥沙在近岸淤积，以达到保护堤岸的目的。丁坝少数情况下也可能被完全淹没，在坝顶形成过流，造成导流方向的改变。

2.7 楔形丁坝(stream barb/bendway weir)

楔形丁坝是一种低姿态的独臂导流结构物，主要用来保护堤岸免受冲刷。不同于丁坝单纯挑托水流的功能，楔形丁坝坝体自河岸至突入河道一端形成一定坡度，分段淹没在水下，从而在坝顶形成过流，即使在小流量情况下部分结构物依然淹没在水下，不但节省了材料，而且对水流阻碍作用小。坝体逆水流方向布置，与来流构成一定角度(坝体轴线与沿坝根和岸堤交点切线的夹角)，经导流后的水流方向与坝体轴线相垂直，既不能因角度过小而使结构物布置失去意义，也不能因角度过大而造成上游过分雍水并威胁结构物自身安全。单个楔形丁坝的控制范围有限，而弯道需要防护的岸坡则一直延伸至下游顺直段，坝体通常沿弯道凹岸成群布置，分段保护岸坡免受冲蚀并发挥其联合作用，最终将河道深泓线移至河道中心线的理想位置。

楔形丁坝通过对弯道二次流结构的调整，将高流速水流挑离河岸至河道中心线附近，继而影响近岸的流速和河床切应力分布。由于楔形丁坝被淹没在水下，垂直坝顶轴线的过流与坝头附近的收缩流交汇碰撞所形成的水流紊动以及坝顶水跃均能就地削减河道内的水流能量，避免将水流能量转移至下游河段。合理的楔形丁坝布置会在上游岸线和结构物附近形成一定范围的回流区域，不仅能阻止高流速水流对河岸的淘刷，而且回水区稳定的水流条件也有助于泥沙沉积。在楔形丁坝持续水力条件的作用下，丁坝坝头和紧邻结构物下游形成冲坑，构造出急流-缓流交替、深潭-浅滩交错的水流条件和地貌特征，能够为底栖生物或鱼类提供良好的栖息庇护和觅食场所。此外，楔形丁坝群的联合作用还能使河道深泓线从原先贴近凹岸岸线附近迁移至河道中心线的理想位置，从而有助于河势的稳定。

3 楔形丁坝群导流特性

3.1 193°弯曲水槽试验

本节选取193°强弯曲水槽试验[18]，参照国外楔形丁坝群的水力设计准则，在该水槽凹岸布置1组(3个)楔形丁坝群，通过三维数值模拟的方法对比结构物布置前后水槽内主要水力要素的变化，探讨楔形丁坝群的水力特性，以此阐述楔形丁坝群在弯道凹岸岸坡治理的防护效果。该水槽试验的几何尺寸和主要水力条件如下：宽度B=1.3 m的193°矩形弯曲水槽在其上游入口和下游出口分别连接9 m长和5 m长的矩形直段，弯段中心线的曲率半径为Rc=1.7 m，水槽中心线总长为19.7 m，水槽底部为平底。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，弗劳德数Fr=0.34。水槽曲率半径和宽度的比率为Rc/B=1.3，<3，属强弯曲水槽，二次流效应明显。有关楔形丁坝的布置参照国外的相关设计准则[13]，结构物突入宽度不超过河宽的1/4，突入角度控制在20°～30°之间，坡度≤1/5(入水一端高度为水深的一半)，相邻间距为长度的1～1.5倍，宽度通常为漂石直径的2～3倍(本节考虑模拟需要，宽度取0.1 m)。193°强弯曲水槽内楔形丁坝群的平面布置和剖面形状如图2所示。

注：A，B，C表示楔形丁坝群编号；B150表示150°弯段断面；D0.5表示距弯段出口0.5 m下游顺直段断面，其他类推图2 弯曲水槽内楔形丁坝群布置Fig.2 Layout of stream barbs in channel bend

3.2 三维数值模拟

对水槽试验内三维水流的模拟采用三维自由表面数值模型。模型求解以雷诺时均N-S方程和k-ε紊流模型作为控制方程的三维自由水面模型，数值方法见文献[19-21]，对雷诺时均N-S方程的求解采用压力投影的方法。首先，对控制方程进行分层积分，得到半离散化的方程，在前一时刻压力值的基础上，求解包含对流项和扩散项的动量方程，得到中间时刻的速度场，其中，水平对流项和扩散项采用Perot’s格式进行离散求解；其次，求解由离散连续性方程和动量方程联立所得到的压力Poisson方程，对中间时刻速度场进行修正，得到新时刻的速度场；然后，通过满足自由水面边界条件的水位演化方程计算新时刻的自由水面；最后，求解紊流封闭模型，计算涡黏系数。

对水槽试验内三维水流的模拟验证见文献[19-21]。对布置有楔形丁坝群情况的模拟，除在弯道凹岸增设1组(3个)楔形丁坝之外，其余如水槽尺寸、形态、网格划分及相关水力参数等均保持不变。模拟采用标准k-ε紊流模型，时间步长取0.03 s，水平方向共划分8 428个网格单元，垂向均匀分30层，糙率取值0.021，模拟时间150 s，直至水槽内流动达到恒定状态为止。

3.3 结果分析

从水槽内平面流场和流线分布、典型剖面上水面线和河床切应力变化、典型断面水位、垂向流速分布和二次流变化等几个方面，对布置楔形丁坝群前后的模拟结果进行分析和讨论。

图3为楔形丁坝群作用下弯曲水槽内的水位、局部流场和流线分布。从图3中可以看出，受楔形丁坝群布置的影响，不论是水位还是流场或流线在结构物附近及上方均有明显的变化，水位在靠近凹岸一侧的均匀梯度分布被打破，结构物上游普遍形成雍水，水位抬升，过结构物后水位下跌，从而水流能量得以部分削减。凹岸流线遇结构物后方向发生改变，流向向凸岸一侧偏转，在结构物上方基本呈垂直结构物走向流动，表明结构物初步达到将主流挑离凹岸的目的。尤其是在楔形丁坝A和B之间还形成了明显的局部回流区域，为泥沙在靠近岸坡一侧沉积创造有利条件。

图3 布置楔形丁坝群后弯曲水槽内的水位和流场(线)分布Fig.3 Contours of water level and streamlines or flow field in channel bend with stream barbs

图4 布置楔形丁坝群前后3个典型剖面上水面线与河床切应力变化对比Fig.4 Water surfaces and bed shear stresses at three typical profiles along the channel bend with and without stream barbs

图4显示布置楔形丁坝前后典型剖面上水面线和河床切应力的变化对比，3条剖面从150°断面起始，沿水槽轴线计算沿程距直至下游出口，分别距凹岸岸壁1/8,1/4,1/2河宽，在研究结构物沿水流方向影响的同时，也能注意其在横向上的影响。与布置前相比，楔形丁坝群布置在结构物上游形成雍水，过结构物后水面迅速下跌，并且离岸壁距离越远,对水面线的影响越弱，在水槽轴线剖面靠上游位置仍存在雍水现象，但水面线已相当平缓。

同样，沿程河床切应力变化表现出类似的现象，河床切应力反映出近河床处的水流强度情况。从计算结果可以看出，在靠近岸壁1/8河宽位置，楔形丁坝布置高程相对较高，流速所受影响最大，虽然因为结构物的影响河床切应力波动较为剧烈，但切应力大小相对结构物布置前已有大幅减弱。1/4河宽剖面上的河床切应力也存在微弱的波动，切应力大小同样也有所减弱，但在水槽轴线剖面上沿程河床切应力明显增强，说明楔形丁坝群布置已将主流挑托远离岸壁的位置，主流向靠近水槽轴线位置发展，其长期作用能使河道深泓线稳定在河道轴线位置。楔形丁坝群布置前岸壁附近的河床切应力最大，靠近水槽轴线方向切应力较小；而楔形丁坝群布置之后靠近岸壁处的河床切应力明显减弱，相应地，水槽轴线位置的河床切应力显著增强，说明楔形丁坝群布置使最大河床切应力从凹岸岸壁处向水槽轴线位置偏移，从而起到保护堤岸免受冲蚀的目的。

图5为楔形丁坝群布置前后180°断面上的水位和沿水深平均流速变化对比，图5中左侧是弯道凸岸，水面降低；而右侧是凹岸，水面抬升。相较布置之前该断面上水位均有所抬升，其中在靠近凹岸附近抬升较大。楔形丁坝群布置前断面上流速大小保持均匀分布，布置后凹岸流速明显减弱，流速梯度较强；而凸岸流速随着离凹岸距离越来越远则逐步增强。楔形丁坝群布置使该断面水位雍高，凹岸流速降低，高流速水流被挑托至远离凹岸位置，但同时还应防止凸岸一侧被冲蚀的可能。

图5 布置楔形丁坝群前后180°断面上的水位和水深方向平均流速对比Fig.5 Water level and depth-averaged velocity at section 180° with and without stream barbs

图6 布置楔形丁坝群前后180°断面上典型测点垂线流速分布(纵向和横向流速)对比Fig.6 Streamwise velocity and transverse velocity at typical points of section 180° with and without stream barbs

图6为布置楔形丁坝群前后180°断面上典型测点位置垂向流速分布对比，2个典型测点均距离凸岸和凹岸0.477 m。从图6中可以看出，布置楔形丁坝群之后，凹岸一侧纵向流速大小有显著减弱，垂向流速分布也有较大变化；凸岸一侧纵向流速增大，垂向流速分布基本保持不变，可能带来凸岸冲刷的不利影响。凹岸一侧横向流速分布基本与布置前呈对称分布，表明表底层流速方向恰恰相反，即由原来的表层流向凹岸，底层向凸岸流动的态势转变为表层向凸岸流动，而底层向凹岸流动的情况。靠近凸岸一侧的横向流速表层流速基本不变，中底层流速布置后有所增大。

图7为楔形丁坝群布置前后180°断面上二次流流线分布变化，左侧水位抬升为凹岸，右侧水位降低为凸岸。从图7中可以看出，布置楔形丁坝群之前整个断面只存在一个逆时针方向的二次环流，表层向凹岸流动，底层流向凸岸。而布置楔形丁坝群之后，在断面靠近凹岸一侧新形成了一个顺时针方向的环流涡，与布置前的二次涡流向正好相反，底层向凹岸流动，表层流向凸岸，从而削弱主涡环流将河床上的沙粒向凸岸一侧输移，达到保护凹岸岸坡免受冲蚀的目的。图7中的二次流环流结果说明，楔形丁坝群布置能有效地改变弯曲水槽内的二次流分布，进而影响弯道内的流速和切应力分布。

图7 楔形丁坝群布置前后180°断面二次流流线分布变化Fig.7 Secondary flow streamlines at section 180° with and without stream barbs

4 结 论

在当前河流再自然化，强调适度人工干预措施进行河流生态修复以恢复河流生态系统结构和功能的背景下，应拓展传统丁坝水力学的生态效益，完善并推广我国河流生态修复领域河道内流动控制结构物的研究工作，进行科学分类与命名，并研究其水力特性。

(1)通过对弯道内楔形丁坝群水力特性的初步研究，从水面形态、流速和切应力及二次环流等几方面变化对比分析可以发现，在弯道凹岸岸坡布置楔形丁坝群能达到将高流速水流挑离凹岸，避免岸坡遭受冲蚀的目的，其作用机制主要是通过调整弯道内的二次流结构，以发挥其挑托水流的目的。楔形丁坝群布置会造成弯道内水位雍高，高流速水流向凸岸一侧偏移，其雍水高度和偏移程度与楔形丁坝群的布置方式密切相关。

(2)本文所采用的三维自由水面模型在成功模拟弯曲水槽三维水流结构的基础上，同样适用于对河道内流动控制结构物作用下水槽内三维水力特性的模拟，该数值模型可以作为进一步研究结构物导流特性的有效工具。