李春一 歸力佳 張望舒

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

1 引言

“River Morphology，concerns the’general form and behavior of a river as a whole’.There are no ‘identical rivers’，and yet most of the rivers exhibit a number of common feature and trends.”[1]天然的河流總是處在永恒的變化和發(fā)展之中， 其中河流的邊界在水流受到干擾后會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化， 而河流邊界的變化又會(huì)導(dǎo)致水流條件的改變， 因而水流和河床時(shí)時(shí)刻刻都在相互作用——水流促使河床變化，河床變化反過(guò)來(lái)又影響水流結(jié)構(gòu)。 二者永遠(yuǎn)處于變化和發(fā)展之中， 它們之間相互作用的中間環(huán)節(jié)便導(dǎo)致了泥沙的沖刷或沉積。

這一中間環(huán)節(jié)，也就是改變河流邊界的直接原因——水流的輸沙能力的變化。水流的輸沙能力與河流的水力條件、泥沙因素相適應(yīng)。 如果水流所挾帶的泥沙量小于其輸沙能力，水流會(huì)在河床的合適部位獲取適量的泥沙作為補(bǔ)充，從而造成沖刷；而當(dāng)水流的水力條件下降到不足以挾帶那么多泥沙時(shí)， 即水流挾帶的泥沙超過(guò)其輸沙能力時(shí)，水流中超載的泥沙又會(huì)沉積下來(lái)。 因此河床演變的根本原因是水流與河床相互之間的不平衡作用。

在自然條件下，流域內(nèi)的氣候、植被、徑流和產(chǎn)沙存在著一個(gè)穩(wěn)定的關(guān)系，使流域的來(lái)沙及下游河道的演變相對(duì)穩(wěn)定。 正因?yàn)槿绱?，河床演變?shí)際上是一個(gè)不斷反饋的過(guò)程，是一個(gè)趨向性的問題： 現(xiàn)有自然條件→改變輸沙能力→導(dǎo)致河流邊界變化→本體自然條件的改變。 河流演變反饋過(guò)程如圖1 所示。

圖1 河流演變反饋過(guò)程

我們所關(guān)注的是如何影響水沙相互作用這一環(huán)，也就是改變調(diào)節(jié)水流輸沙能力的因素。 自然因素包含氣候、植被與土壤、地質(zhì)與巖性、地貌形態(tài)，本文所探究的重點(diǎn)是針對(duì)地貌形態(tài)產(chǎn)生的影響做出合理改善。

從河道形態(tài)變化的方向上來(lái)分析在河道水流與河床邊界相互作用下，河床在垂直和水平方向上的變形。 沖淤作用導(dǎo)致流程方向上河床高程的變化稱縱向變形， 與水流垂直的水平方向的變形則稱橫向變形。 在一般情況下，這兩種變形都是交織在一起的。 在文中我們更為關(guān)注后者。

因而，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)累積、實(shí)際觀察以及理論分析，我們已經(jīng)知道在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，河床會(huì)朝著某一方向發(fā)展變形，這種變形會(huì)導(dǎo)致河岸不穩(wěn)定，尤其會(huì)影響人類的生存發(fā)展。本文就是介紹如何通過(guò)在河流邊界即河岸護(hù)坡部位設(shè)置類閘門來(lái)使河流邊界河岸護(hù)坡趨穩(wěn)，并分析該方法的應(yīng)用范圍。

2 設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

沖刷使水流的過(guò)水?dāng)嗝嬖龃?，流速減緩，水流的挾沙能力變小，沖刷能力逐漸降低；而淤積則使水流的過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，流速增大，水流的挾沙能力會(huì)相應(yīng)地加強(qiáng)，淤積會(huì)漸漸停止。因此，我們想利用類閘門的方式通過(guò)控制水流流速來(lái)調(diào)節(jié)水沙平衡。

類閘門，顧名思義是將閘門的形態(tài)與功用運(yùn)用到坡岸防護(hù)設(shè)計(jì)工作中去。如同閘門通過(guò)啟閉變化控制水流參數(shù)的變化，我們可以通過(guò)類似閘門的防護(hù)擋板， 在水流流速不同的情況下調(diào)節(jié)擋板的位置，影響水流流速，調(diào)節(jié)輸沙能力，減小對(duì)河流邊界條件的影響。 這種情況主要針對(duì)重要河岸岸堤，以防堤岸周圍的建筑物失穩(wěn)或河岸發(fā)生崩岸等狀況。

從水利的角度，我們所謂的河道管理主要包括河勢(shì)檢測(cè)控制、涉河建設(shè)項(xiàng)目管理、河道采砂管理、提防管理、防洪調(diào)度、防汛搶險(xiǎn)。而我們所做的設(shè)計(jì)正是針對(duì)提防管理這塊，其現(xiàn)存問題已在引言部分的成因分析中闡明，可知，具體在于水沙兩相變化導(dǎo)致堤岸不穩(wěn)，直接原因是：堤身單薄、斷面不足；堤身填筑質(zhì)量差；透水提基、散浸、管涌；生物破壞。 我們所提出的方案是針對(duì)前兩者進(jìn)行改善的基礎(chǔ)上， 結(jié)合水沙運(yùn)動(dòng)情況從根源上緩解堤岸變化情況。

2.2 具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

以下我們以長(zhǎng)江安徽段河道為例，分析其河道問題。 銅陵大橋下與蕪湖大橋下河段近年左右岸具體變化情況見圖2、3。

圖2 銅陵大橋下長(zhǎng)江安徽段河道近年左右岸變化

圖3 蕪湖大橋下長(zhǎng)江安徽段河道近年左右岸變化

從圖中可得知銅陵大橋下的河道左岸侵蝕嚴(yán)重， 右岸堆積；蕪湖段則相反。 因此前者需要通過(guò)加固或其他方式保左岸，后者則需保右岸。

我們采取的方式除了加固堤身質(zhì)量之外，主要是在需要保護(hù)的一側(cè)堤岸處，使用堤岸材料、閘門工藝制作連續(xù)的擋板，連接處利用彈簧門原理。 流速較低時(shí)，擋板均在原位；當(dāng)流速達(dá)到一定速度后可打開第一塊擋板， 擋板之間又可產(chǎn)生連鎖效應(yīng)使所有擋板均打開；而當(dāng)流速下降到標(biāo)準(zhǔn)及以下時(shí)，閘門又回復(fù)原位。

實(shí)驗(yàn)原理：（1）流速較小時(shí)，在原位的擋板可通過(guò)類似丁壩的作用防止河岸的沖刷；（2）流速較大時(shí)，通過(guò)改變影響挾沙能力的條件，如拓寬河道，減小流速，使攜沙能力下降，從而減小沖刷，達(dá)到效果。 河岸護(hù)坡用類閘門方式趨穩(wěn)的具體設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 河岸護(hù)坡用類閘門方式趨穩(wěn)的具體設(shè)計(jì)

2.3 結(jié)果

理論上，用類閘門方式使這種河流邊界的河岸護(hù)坡趨穩(wěn)是可行的。

我們可通過(guò)兩種參數(shù)來(lái)驗(yàn)證其具體效果。 其一，通過(guò)河床穩(wěn)定系數(shù)（通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)研究得出，目前武水的公式流傳較廣）；其二，可通過(guò)造床流量能否維持一個(gè)定值來(lái)判斷，造床流量與挾沙能量有直接關(guān)系，可以通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)找到規(guī)律。

我們可以針對(duì)具體問題，獲得上述參數(shù)，對(duì)運(yùn)用該方法前后的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較，分析該方法是否優(yōu)越，這也是我們?cè)诮窈蟮墓ぷ髦行枰骄康姆较颉?/p>

該方法適用于：（1）河流從山谷進(jìn)去平原區(qū)時(shí)流速極易改變的區(qū)域，通過(guò)橫向穩(wěn)定緩和縱向穩(wěn)定，達(dá)到綜合穩(wěn)定，該區(qū)域也就是基礎(chǔ)地形改變處；（2）蜿蜒河道，容易產(chǎn)生堆積與侵蝕的不對(duì)稱河岸處。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)目前尚處于雛形階段，我們今后的工作還將有針對(duì)性地對(duì)某一個(gè)地區(qū)河段進(jìn)行分析，確定擋板的材料，具體研究其連接處的設(shè)計(jì)和材料（防管涌）以及通過(guò)大量的數(shù)模與物模確定其開閘流速與時(shí)機(jī)。

目前我們所遇到的最重要問題：第一，針對(duì)不同的河道自然狀況，其連接處的設(shè)置應(yīng)有區(qū)別，如何解決這一問題；第二，流速較小時(shí)，閘門在原位起到丁壩作用，防止沖刷，而流速較大時(shí)，隨著拓寬河道，降低流速，反而令丁壩作用消失，還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)得到改變水沙兩相影響的主導(dǎo)因素。

[1][加]Dr.M.S.Yalin，P.Eng.River Mechanics[M].Dr.Wenhong Dai，P.Eng.

[2]張瑞瑾.河流泥沙動(dòng)力學(xué)[M].水利水電出版社，1998.

[3]張肖.河道及水利工程管理實(shí)踐中的一些問題與對(duì)策講座，2014.

[4]戴文鴻.河流阻力與河床演變講座，2010.

[5]唐洪武.專利申請(qǐng)介紹講座，2014.

[6]http://baike.baidu.com/view/136498.htmfr=Aladdin.

[7]http://baike.baidu.com/view/3869048.htmfr=aladdin.