CN115270254A - 限制性航道中可消浪集鱼的腔体-植被护岸结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及限制性航道中可消浪集鱼的腔体‑植被护岸结构设计方法，在限制性航道的岸坡引入腔体‑植被于一体的生态断面结构形式；所述腔体迎水面为上设有若干贯通圆孔的插板，使迎水面通透。利用船舶航行模型试验，根据腔体内紊动能和鱼类的偏好紊动能范围，确定最佳腔体透空率；以及根据不同密度植被的消浪效果，确定最佳植被密度。采用本发明方法设计的生态护岸结构兼具消浪和集鱼功能且适用于限制性航道，该结构可有效减小限制性航道船行波对护岸带来的冲刷，并具有集鱼效果，大幅度增加其生境效应，为类似限制性航道的生态护岸提供了借鉴和依据。

Description

限制性航道中可消浪集鱼的腔体-植被护岸结构设计方法

技术领域

本发明涉及限制性航道生态护岸工程领域，特别是中小型河流高等级航道建设的护岸工程领域。

背景技术

对于通航河流，尤其是中小型河流，船舶频繁的通行改变了原有的水动力条件，船行波作用下岸坡冲刷及侵蚀严重，使得河流两岸边坡出现被掏空、下切及滑坡崩塌现象，传统硬质护岸结构形式保障了岸坡的稳定，但割裂了河道与岸坡之间的生态交换。特别近年来，中小型河流中高等级航道建设需求迫切，多为限制性航道，具有水面狭窄、水深较浅等特点，船行波对岸坡作用更为显著，如何消减船行波波高，保护岸坡护岸的同时并兼具生态效应，是目前限制性航道建设面临的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供限制性航道中可消浪集鱼的腔体-植被护岸结构设计方法。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

限制性航道中可消浪集鱼的腔体-植被护岸结构设计方法，包括：

(1)在限制性航道的岸坡引入腔体-植被护岸结构，所述腔体为五面封闭的正方体空腔结构，腔体的迎水面为通透结构；若干腔体沿航线方向水平连接形成长方体腔体组合，腔体组合下方以斜坡和直立墙结构为基础，腔体组合背水面设置戗台，戗台上种植植被，戗台后方为斜坡护岸；

所述腔体内部预留竖直方向的凹槽，用于插入插板，所述插板平行于腔体背水面，作为腔体的迎水面；所述插板上设有若干贯通圆孔；

(2)根据实际限制性航道参数确定模型比尺，制作船舶及生态航道断面模型；

利用船舶航行模型试验获得不同插板透空率下腔体内紊动能分布特征，结合鱼类紊动能偏好范围，确定适宜鱼类集聚的透空率；

利用船舶航行模型试验获得不同植被密度下消浪特征，确定消浪效果好的植被密度；

(3)根据(2)中确定的透空率和植被密度，确定(1)中的插板设计和植被密度设计，插板设计时，插板上贯通圆孔最小内径满足鱼类回游需要。

作为一种优选的实施方式，所述腔体的底部高程位于最低通航水位，顶部高程位于常水位，戗台高程与腔体顶部高程一致。

作为一种优选的实施方式，所述植被的种类基于所述航道的最高通航水位确定，植被选型使得植被顶高程位于最高通航水位和常水位的中间位置，以更大程度消浪并满足存活率。

作为一种优选的实施方式，所述限制性航道的最低通航水位、常水位、最高通航水位确定方式为：

选取航道临近水文站点，最高通航水位采用频率行洪流量水位确定，常水位以50％保证率对应水位确定，最低通航水位以下一级梯级枢纽库区死水位进行确定。

限制性航道水域较窄，限制性航道受径流及闸控影响明显，流量较小，多为梯级渠化河道，天然河道特征水位的计算方法不再适用。本发明根据限制性航道的设计等级，依据《内河通航标准》确定水文站点资料年限要求、最高通航水位频率要求。在所在航段搜集水文站点资料，资料时间长度应满足年限要求，并开展频率分析，获得最高通航水位要求频率的水位，从而确定最高通航水位；对搜集的资料开展累积频率频率分析，获得累积频率50％对应的水位，从而确定其为常水位；搜集限制性航道下一级渠化枢纽库区实际运行死水位，从而确定其为最低通航水位。采用这一方式确定的最低通航水位、常水位、最高通航水位结果更适用于限制性航道。

作为一种优选的实施方式，所述(2)中，依据实际限制性航道的航道尺度、通航船型、腔体结构、植被高度以及测量仪器精度确定模型试验比尺。

作为一种优选的实施方式，所述模型试验比尺的确定方式为：

为保证阻力相似，模型中水深大于3cm；为保证植物的几何相似，模型植物杆径直径大于 1mm；根据测量仪器ADV盲区限制，模型腔体尺寸大于10cm；选择能够满足上述条件的最小比尺作为模型试验比尺。

作为一种优选的实施方式，所述腔体内紊动能分布特征的确定方式为：

开展常水位条件下船舶航行模型试验，利用ADV观测不同透空率下腔体中心点流速过程， ADV采样频率大于25Hz，采样时间涵盖整个船行波作用过程；

传统的紊动动能计算公式是针对具有一定稳定性质如河流、明渠中的流体，船行波波动幅度范围较大、流速变化快，采用传统计算公式具有一定的滞后性。因此为更好观测其紊动变化规律，本发明提出了一种动态时段统计法用于计算分析紊动能TKE，如下：

式中：t为船行波传递至该点后紊动时间历时，

f_z为采样频率；u'、v'、w'为x、y、 z方向脉动流速；u_x、v_y、w_z为x、y、z方向瞬时流速。

对比紊动能是否位于航段重点鱼类紊动偏好范围，确定适宜的腔体透空率。

作为一种优选的实施方式，所述植被密度的确定方式为：

开展常水位以上条件下的船舶航行模型试验，利用波高仪对不同植被密度下船行波过程进行观测，波高仪采样频率大于100Hz，采样时间涵盖整个船行波作用过程；

对比分析不同植被密度下消浪效果，以消浪系数大于10％为筛选要求，确定植被密度；所述消浪系数为消浪前后波高的差值与消前波高的比值。

作为一种优选的实施方式，所述腔体插板上均匀布设9个贯通圆孔，通过改变所述贯通圆孔内径的方式调节透空率。

作为一种优选的实施方式，所述腔体腔体内边长和戗台宽度比值为1:3。

本发明具有如下有益效果：

(1)对于限制性航道护岸工程中引入空腔-植被复合结构，腔体结构可为鱼类提供躲避及栖息空间，戗台处植被可对船行波进行消浪，保证后方边坡及坡面植被的稳定。

(2)采用船舶航行试验的方法，探究不同透空率时腔体内紊动能分布规律，并结合鱼类紊动能偏好范围，科学确定空腔的最佳透空率，保证其集鱼效果。

(3)采用船舶航行试验的方法，探究不同植被密度下的消浪特征，科学的确定适宜的植被密度，保证其消浪效果。

附图说明

图1示出了小清河工程河段位置示意图。

图2示出了小清河原航道断面以及生态护岸结构断面。

图3示出了实施例构建的生态护岸结构及船舶物理模型；其中左图为生态护岸结构物理模型，右图为船舶物理模型。

图4示出了透空腔体结构形式图。

图5示出了腔体不同透空率下中心点紊动能。

图6示出了植被不同密度下布置方式。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，实施例以山东省小清河限制性航道为例，并结合附图和具体实施来解说本发明的各个方面。

小清河发源于济南市，经历城、章丘、邹平、高青、桓台、博兴、广饶、寿光，在羊口以东注入渤海莱州湾，全长237km，工程河段位置示意图见图1。根据全省内河航道布局规划，小清河规划III级航道自济南济青高速公路桥至小清河河口，全长183km。小清河河宽较窄，属于典型的小型河流扩建成高等级航道。现以构建小清河生态护岸工程为例，说明本发明的具体实施步骤。

(1)确定研究航段通航最高水位、最低水位、常水位。

小清河已受人工梯级渠化，除了受径流的影响，还受到梯级枢纽的控制。最高通航水位根据《内河通航标准》，采用5年一遇除涝水位，为19.3m。最低通航水位采用下一级枢纽最低死水位为13.7m。常水位采用小清河岔河水文站的累积频率50％的水位为15.7m。

(2)确定生态护岸结构整体布置形式

原航道设计航道底高程为9.9m，航道底宽为45m，护坡1:3，航道口宽度约为127m。空腔体大小为2m×2m×2m，腔体顶部与常水位齐平，邻水面设计为带圆孔的插板，可最大限度保证消浪效果，同时为鱼类提供躲避及栖息空间；腔体后方为6m宽戗台，戗台上种植芦苇，戗台后方斜坡种植植被，芦苇可对船行波进行二次消能，从而保证后方边坡及植被的稳定。小清河原航道断面以及生态护岸结构断面如图2所示。

(3)确定船舶模型试验比尺

原型最低通航水位时水深为3.8m，为满足模型最低通航水位时水深大于3cm，确定几何比尺λ_L1＝126；原型中芦苇的杆径为2cm，为满足模拟芦苇杆径大于1mm，确定几何比尺λ_L2＝20；原型腔体边长为2m，为满足模型腔体最小尺度为10cm，确定几何比尺λ_L3＝20，选择三个比尺中最小值作为模型的几何比尺λ_L3＝20，进而确定相应流速比尺λ_v＝λ_L ^0.5＝4.47，糙率比尺λ_n＝λ_L ^1/6＝1.65，波高比尺λ_H＝λ_L＝20，时间比尺λ_t＝λ_L ^0.5＝4.47。

按照相似比尺在水槽制作生态护岸结构模型，包括10m船模加速段、10m试验段、10m 减速段，生态护岸结构物理模型布置及照片见图3，10m试验段断面结构采用混凝土制作，腔体采用灰塑料板制作，植被采用纤维丝模拟，10m加速段及减速段两岸设置碎石进行消浪。根据限制性航道的设计等级，选取500吨级船舶为代表船型，原型尺寸为46.0m×8.8m×3.0m(长×宽×高)，航速为3.8～11.2m/s，按照相似比尺，船模尺寸为2.30m×0.44m×0.15m(长×宽×高)，船模速度为0.85～2.5m/s。船舶模型由专业厂家定制，具有自航动力，可遥控自航。

(4)确定腔体透空率

空腔结构内边长为2m×2m×2m，岸壁20cm厚度，临水面设置1道插槽，临水面插板设置 9个圆孔，设置0.64、0.28、0.070共计3种透空率。图4为透空腔体结构形式。

开展常水位船模航行腔体动力试验，船模正常速度为3.80m/s，采用ADV测量空腔中心处三维流速，采样频率为25Hz，采样时间涵盖整个船行波作用过程，根据上述时均均紊动能 TKE(Turbulent kinetic energy)计算方法，统计分析腔体内紊动能，透空率为0.64、0.28、0.07 条件下最大紊动能分别为0.021m²/s²、0.0012m²/s²、0.00021m²/s²(图5)。由于鲫鱼的偏好紊动能为(1.0～25.0)×10^-4m²/s²，因此当透空率为0.28时，空腔集鱼效应最佳。

(5)确定芦苇密度

根据实地芦苇调研，芦苇的高度为2m，直径为2cm，密度为70～156株/m²，本试验中设置75株/m²、125株/m²两种密度。模型中，单棵芦苇高10cm，直径为0.1cm，排布方式如图 6所示。

开展常水位和最通航水位之间的船舶航行芦苇消浪试验，选取17.5m作为实验水位，船舶航速为3.80m/s、5.5m/s、7.2m/s，并利用波高仪对有无植被时近岸波高进行测量，测量频率为 100Hz。船行波消浪系数k定义为：

最大波高变化及消浪系数如表1所示。消浪系数与植被密度呈正相关，且船速越大，消浪系数越大，消浪效果越明显。植被密度为125株/m²情形下，正常航速情形下消浪系数普遍大于10％，选取125株/m²作为芦苇种植密度。

表1不同工况下最大波高变化

Claims (10)

1.一种限制性航道中可消浪集鱼的腔体-植被护岸结构设计方法，其特征在于，包括：

(1)在限制性航道的岸坡引入腔体-植被护岸结构，所述腔体为五面封闭的正方体空腔结构，腔体的迎水面为通透结构；若干腔体沿航线方向水平连接形成长方体腔体组合，腔体组合下方以斜坡和直立墙结构为基础，腔体组合背水面设置戗台，戗台上种植植被，戗台后方为斜坡护岸；

所述腔体内部预留竖直方向的凹槽，用于插入插板，所述插板平行于腔体背水面，作为腔体的迎水面；所述插板上设有若干贯通圆孔；

(2)根据实际限制性航道参数确定模型试验比尺，制作船舶及生态航道断面模型；

利用船舶航行模型试验获得不同插板透空率下腔体内紊动能分布特征，结合所述限制性航道主要鱼类的紊动能偏好范围，确定适宜鱼类集聚的透空率；

利用船舶航行模型试验获得不同植被密度下消浪特征，确定消浪效果好的植被密度；

(3)根据(2)中确定的透空率和植被密度，确定(1)中的插板设计和植被密度设计，插板设计时，插板上贯通圆孔最小内径满足鱼类回游需要。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述腔体的底部高程位于最低通航水位，顶部高程位于常水位，戗台高程与腔体顶部高程一致。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述植被的种类基于所述航道的最高通航水位确定，植被选型使得植被顶高程位于常水位至最高通航水位中间位置。

4.根据权利要求2或3所述方法，其特征在于，所述限制性航道的最低通航水位、常水位、最高通航水位确定方式为：

选取航道临近水文站点，最高通航水位采用频率行洪流量水位确定，常水位以50％保证率对应水位确定，最低通航水位以下一级梯级枢纽库区死水位确定。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述(2)中，依据实际限制性航道的航道尺度、通航船型、腔体结构、植被高度以及测量仪器精度确定模型试验比尺。

6.根据权利要求1或5所述方法，其特征在于，所述模型试验比尺的确定方式为：

选择能够满足模型中水深大于3cm、模型植物杆径直径大于1mm、模型腔体尺寸大于10cm三个条件的最小比尺作为模型试验比尺。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述腔体内紊动能分布特征的确定方式为：

开展常水位条件下船舶航行模型试验，利用ADV观测不同透空率下腔体中心点流速过程，ADV采样频率大于25Hz，采样时间涵盖整个船行波作用过程；

基于下式计算分析紊动能TKE：

式中：t为船行波传递至该点后紊动时间历时，

f_z为采样频率；u'、v'、w'为x、y、z方向脉动流速；u_x、v_y、w_z为x、y、z方向瞬时流速。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述植被密度的确定方式为：

开展常水位以上条件下的船舶航行模型试验，利用波高仪对不同植被密度下船行波过程进行观测，波高仪采样频率大于100Hz，采样时间涵盖整个船行波作用过程；

对比分析不同植被密度下消浪效果，以消浪系数大于10％为筛选要求，确定植被密度；所述消浪系数为消浪前后波高的差值与消前波高的比值。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述腔体插板上均匀布设9个贯通圆孔，通过改变所述贯通圆孔内径的方式调节透空率。

10.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述腔体内边长和戗台宽度比值为1:3。

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