荊圓圓，黃小利，郭志學，彭清娥，黃 爾

(四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065)

0 引 言

我國是一個多山的國家，山地面積占全國面積的70%以上，山洪、泥石流、滑坡等突發(fā)性災(zāi)害暴發(fā)頻繁，水土流失也較嚴重，是世界上山洪災(zāi)害最嚴重的國家之一。山洪災(zāi)害的發(fā)生起始于局部強降雨，很難預(yù)報準確，同時山區(qū)氣候多變，地質(zhì)地貌復(fù)雜，陡峻的山坡坡度和溝道縱坡為山洪的發(fā)生提供了充分的流動條件，使得山洪匯流快、河水陡漲，造成河岸崩塌、山體滑坡，不僅對中國山丘區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施造成毀滅性的破壞，而且對人民的生命安全造成極大的損害和威脅，嚴重制約著山丘區(qū)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[1]。

前人已在水沙運動規(guī)律方面開展了大量的研究工作并取得了豐富的研究成果，如曹叔尤等[2]通過開展泥沙補給變化下山區(qū)河流河床變化情況的試驗研究，指出山洪泥沙致災(zāi)因子關(guān)聯(lián)復(fù)雜且具有多重不確定性，其防治與調(diào)控也相對比較復(fù)雜；李乾德等[3]通過水槽試驗指出陡坡河槽中清水沖刷作用下的平均輸沙率隨來流量的增加而增大；侯極等[4]通過水槽試驗?zāi)M河道上山洪泥沙匯入后引起的河道水深變化，指出水深受泥沙粒徑、來流條件、加沙強度和床面比降、形態(tài)等的影響，推導(dǎo)出了水流挾帶泥沙后水深變化的經(jīng)驗公式；李彬等[5]通過變坡水槽試驗，指出泥沙逆行淤積的起始位置、淤積厚度和淤積速率主要受上游來流量、加沙強度、床面比降和加沙粒徑的影響；李瑞杰等[6]從泥沙沉降幾率和沖刷系數(shù)的分析出發(fā)，通過定義臨界含沙量，導(dǎo)出近底泥沙通量的表達式，指出應(yīng)存在臨界淤積含沙量和臨界沖刷含沙量，當挾沙力介于兩者之間時，沖淤平衡；Karim F[7]、Wu W[8]等主要研究非均勻沙粗細顆粒之間的相互影響，深入分析不同顆粒之間的隱暴作用對泥沙輸移過程的影響。上述研究對泥沙在山洪中的致災(zāi)作用進行了解釋，但是對于泥沙在洪水過程中起作用而洪水過后消失不見的現(xiàn)象的機理揭示尚不夠深入。本文把上游來流量、加沙強度、比降和泥沙粒徑作為影響因子，通過研究變坡陡比降水槽逆行淤積物沖刷變化規(guī)律，分析不同控制條件下清水沖刷水位與速度的變化規(guī)律，從機理上解釋泥沙致災(zāi)作用的隱蔽性，為防御山洪泥沙災(zāi)害的發(fā)生提供技術(shù)支持。

1 試驗布置及方法

1.1 試驗布置

因來沙強度大于水流挾沙力而逆行淤積在床面上的泥沙被清水沖刷的試驗規(guī)律研究，在四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室的變坡水槽中進行。該水槽上游段長3.2 m，下游段長為4.4 m，寬20 cm，深30 cm，每間隔20 cm設(shè)置一條帶刻度的標尺，通過架設(shè)在與水槽旁側(cè)等高軌道上的攝像機以記錄沖刷發(fā)展過程中沿程的床面淤積厚度和水深。水槽的底部、兩側(cè)均為玻璃壁面(見圖1)，進水口處采用自制的全斷面加沙機進行加沙(見圖2)，通過調(diào)整加沙檔位實現(xiàn)加沙強度的調(diào)整。陡坡的水利學定義是使上游渠道的水流沿陡槽下泄到下游渠道的落差建筑物，陡坡段的底坡根據(jù)地形、地質(zhì)和襯砌材料等因素決定，一般均大于臨界坡，常用的底坡為1∶2～1∶10。結(jié)合山區(qū)河流上陡下緩的實際以及本試驗的研究目的，在水槽上游設(shè)置2%、5%、8%三組試驗比降工況，下游的比降恒為1%。為了消除尾門和進水口處水流波動造成的影響，本試驗選取水槽出水口以上6.6 m作為試驗段，入口采用薄壁堰進行流量控制，并在下游出水口采用稱重法進行流量復(fù)核。

圖1 試驗用變坡水槽Fig.1 Variable slope flume for test

圖2 試驗用加沙機Fig.2 Test with sand machine

試驗前對加沙機進行加沙強度率定，加沙強度范圍為0～0.5 kg/s。為了使最終的試驗數(shù)據(jù)精準可靠，在試驗正式開始前先用微小流量的來水對試驗用沙進行淘洗，并根據(jù)試驗情況在用攝像機錄制沖刷過程中采用白熾燈補光。

1.2 試驗控制

為研究不同控制條件對試驗結(jié)果的影響，試驗選取不同組次的比降、上游來流量、加沙強度和泥沙粒徑對比研究沿程不同斷面處的水流特性，試驗工況如表1所示。概化洪水過后泥沙來量減小、含沙濃度降低而被來流沖刷的現(xiàn)象，試驗控制為：當泥沙的逆行淤積發(fā)展到加沙斷面附近后，立即停止加沙，即取上游來流含沙濃度為零，用清水沖刷床面。

表1 陡坡河道清水沖刷試驗工況匯總Tab.1 Summary of water erosion test conditions for steep slope rivers

2 試驗現(xiàn)象及成果分析

2.1 試驗現(xiàn)象

當未加沙時，水槽水流相對平順，除在變坡點附近水流略有波動外，基本近似均勻流。由于試驗段內(nèi)水流弗汝德數(shù)均大于1[9]，下游1%坡度段水深雖然比上游大，但壅水效果無法向上游傳播。當加沙強度較小時，泥沙都能夠被水流挾帶走，沒有淤積現(xiàn)象產(chǎn)生。逐漸增大加沙強度至某一臨界點，加入的泥沙在上游陡坡段可穩(wěn)定輸移，但輸移至下游段后由于河床比降較小，水流動力條件降低，流速減小，導(dǎo)致水流挾沙能力減弱，當其減弱至水流所能挾帶的最大泥沙強度后，下游河床會有部分泥沙落淤。淤積的泥沙增大了床面阻力，導(dǎo)致水位抬高，產(chǎn)生局部壅水作用，同時也調(diào)緩了河床局部的比降，兩者疊加的效果使得淤積處水流動力條件進一步減小，上游來沙無法全部輸往下游，在淤積鋒面處停留下來。隨著后續(xù)的泥沙補給，淤積鋒面位置會繼續(xù)向上游傳播，當淤積發(fā)展到加沙口附近后，輸沙達到平衡， 泥沙淤積厚度在變坡點附近達到最大值，并向上下游遞減且上游的淤積厚度比下游更大[9]，同時上游比降調(diào)緩，下游比降變陡，淤積床面接近均一比降，河床整體抬升，沿程水位大幅增加。

清水沖刷試驗與泥沙逆行淤積試驗的過程基本類似，其本質(zhì)都是水流挾沙力與加沙強度不匹配所致，使得同樣流量下出現(xiàn)不同的洪水位，這種水深的增加和均勻流水深的增加完全不同。均勻流水深的增加，是由流量的增加引起的，斷面平均流速隨之增加，而本試驗中由壅水引起的水深增加，流量沒有發(fā)生變化，斷面平均流速因水流動力條件降低而減小，其水深要遠大于均勻流下的正常水深。泥沙逆行淤積試驗的發(fā)展方向為由變坡點附近發(fā)展到上游加沙口，而清水沖刷試驗則相反，當淤積發(fā)展到加沙口附近時，立即停止加沙，開始用清水沖刷床面，試驗研究范圍為逆行淤積的泥沙從上游進水口附近發(fā)展到下游出水口。

清水沖刷的初始時刻為逆行淤積試驗的結(jié)束時刻，上游來流變?yōu)榍逅?，水深較小，水流在前鋒淤積位置處受到床沙阻力和前期淤積泥沙對河床比降調(diào)整的影響，產(chǎn)生明顯的水躍現(xiàn)象(圖3)。隨著沖刷向出水口方向發(fā)展，越靠近上游大比降段末端變坡點位置，水躍高度越高(圖4)，在變坡點處達到最大值(圖5)。進入下游小比降段上部的一小段范圍內(nèi)，由于床面比降的突然變緩和淤積床沙的影響，水躍高度仍然很大(圖6)。等到?jīng)_刷發(fā)展到下游中部以后，由于穩(wěn)定淤積段的泥沙厚度本身就較小，再加上沿程床沙也被逐漸帶走，因而水躍高度不斷減小(圖7～圖8)。

圖3 沖刷初始時刻Fig.3 Initial flush moment

圖4 沖刷發(fā)展到上游中部Fig.4 Scouring develops to the middle of the upper reaches

圖5 沖刷發(fā)展到變坡點Fig.5 Scouring develops to the changing slope point

圖6 沖刷發(fā)展到下游上部Fig.6 Scouring develops to the upper downstream

圖7 沖刷發(fā)展到下游中部Fig.7 Scouring develops to the middle of the lower reaches

圖8 沖刷發(fā)展到下游末端Fig.8 Scouring develops to the downstream

2.2 清水沖刷水深研究

在清水沖刷過程中，上游的急流在沖刷前鋒處的局部動力比降變緩，形成水躍使得水位激增，其與逆行淤積過程產(chǎn)生的水躍現(xiàn)象不同。逆行淤積過程因上游來流含沙量較高，水躍過后水流的挾沙力還會沿程減小，其挾帶的泥沙還會沿程淤積，導(dǎo)致淤積過境段淤積厚度增加，有加劇鋒面水躍的趨勢。而清水沖刷過程中上游來流為清水，在發(fā)生水躍后水流含沙濃度尚未飽和，沿程會沖起部分泥沙輸往出水口，使下游段泥沙厚度減小，對交界面水躍有降低作用。

圖9-11為5%～1%比降下的逆行淤積位置與逆行淤積過程中穩(wěn)定淤積水深和清水沖刷過程中波峰水深變化的對比圖。由圖可知，當形成穩(wěn)定淤積床面的流量和加沙強度一定時，水深均呈現(xiàn)在變坡點(平距為4.4 m處)達到最大值而向上下游遞減的規(guī)律，且大粒徑下的沖刷水深要顯著大于同等條件下小粒徑的沖刷水深。這是因為穩(wěn)定淤積段的泥沙粒徑越大，對水流的阻力越大，用同樣流量下的清水沖刷難以達到其起動流速，需要更大的動力條件才能把粗沙淤積物沖起輸往下游。同時泥沙淤積在床面后會導(dǎo)致床面比降變緩,也會造成床面阻力增大且粗顆粒比細顆粒導(dǎo)致床面增加的阻力更大，壅水現(xiàn)象較為顯著，因此水深差異較大。

圖9 1.5 mm粒徑、3.1 L/s流量、0.117 kg/s加沙強度下的水深變化Fig.9 Water depth changes at a 1.5 mm particle size, 3.1 L/s flow and 0.117 kg/s Galactic intensity

圖10 2.5 mm粒徑、3.1 L/s流量、0.117 kg/s加沙強度下的水深變化Fig.10 Water depth changes at a 2.5 mm particle size, 3.1 L/s flow and 0.117 kg/s Galactic intensity

圖11 1.5 mm粒徑、3.8 L/s流量、0.182 kg/s加沙強度下的水深變化Fig.11 Water depth changes at a 1.5 mm particle size, 3.8 L/s flow and 0.182 kg/s Galactic intensity

試驗還發(fā)現(xiàn)當增大流量和加沙強度時，下游段的沖刷水深顯著低于淤積水深，變坡點處的沖刷水深逐漸接近于淤積水深，而上游段的兩種水深均較大。因此若想通過人為干擾，減小陡坡強輸沙河道水深，對水位的控制應(yīng)該是在淤積發(fā)展過程中，一旦產(chǎn)生逆行淤積就加以控制，增大上游水動力條件或減小來沙強度(采取有效的分沙措施)是控制水位激增的有效方法，否則一旦淤積發(fā)展完成，整個淤積段將長期處于高水位狀態(tài)，對防洪安全極為不利。

2.3 清水沖刷速度研究

清水沖刷發(fā)展過程中，下游淤積段由于比降較小，淤積床沙導(dǎo)致河床整體抬高、床面阻力增大，淤積段持續(xù)處于高水位狀態(tài)，如果水位漫過堤頂，則兩岸將遭受洪水的威脅。更嚴重的是，漫頂洪水將對堤防背部產(chǎn)生淘刷，時間越長對堤防本身越不利。清水沖刷的實質(zhì)是以泥沙為介質(zhì)下的上游清水和淤積床面之間的相互作用，沖刷速度由上游水動力條件和床面淤積厚度共同控制。

圖12-14為不同控制條件下的沖刷速度變化圖，其中縱軸表示該沖刷試驗中波峰通過兩個相鄰試驗斷面的時間，即波峰每發(fā)生位移20 cm所用的時間。由圖可知，在變坡點略向下游斷面處沖刷速度最慢，而在該斷面的上下游沖刷速度逐漸增大。這是因為在進水口處床面比降較大，易達到沙粒的起動流速，而在出水口處初始淤積厚度較小，因而沖刷速度都比較快。在變坡點略向下游處，因為逆行淤積階段穩(wěn)定淤積在床面的泥沙厚度較大且比降驟減，使得上游來流流速急劇減小，壅水產(chǎn)生的勢能僅能夠保證讓水流因為慣性往下游流動一小段距離，但其大部分水體的流速都小于前鋒泥沙的起動流速值，因此沖刷速度減小。在變坡點的下游側(cè)雖然河床比降變緩，但是下游河道的前期泥沙淤積物總體偏細，泥沙顆粒容易起動，因此沖刷時間相對較短。

圖12為僅改變上游比降和泥沙粒徑引起的沖刷速度變化圖。由圖可知，下游比降一定時，上游比降越大，水流流速越大，挾沙能力越強，因此沖刷速度越快。而在變坡點附近因為5%比降時的初始淤積厚度更小，因此沖刷時間更少。

圖12 上游來流量和加沙強度相同，河床比降和泥沙粒徑不同條件下的沖刷Fig.12 Scouring velocity at different riverbed gradient and sediment particle sizes with the same pstream inflow and Gaza intensity

圖13為僅改變加沙強度引起的沖刷速度變化圖。由圖可知，當初始加沙強度較大時，淤積逆行發(fā)展迅速，床面初始淤積厚度小，因而沖刷所需時間較少。而初始加沙強度較低情況下，泥沙在變坡點下游“超載”不明顯，淤積發(fā)展過程緩慢，淤積厚度發(fā)展充分，且存在較強烈的分選粗化，床面阻力較大，清水沖刷作用在前期淤積物上時，更難以把泥沙沖起。

圖13 上游來流量、河床比降和泥沙粒徑相同，加沙強度不同條件下的沖刷速度Fig.13 Scouring velocity under different conditions of riverbed gradient of upstream inflow and the same grain size of sediment with different intensity in Gaza

圖14為僅改變上游來流量和泥沙粒徑引起的沖刷速度變化圖。由圖可知，當僅改變泥沙粒徑時，粒徑越小，越容易起動，沖刷速度越快。僅改變流量條件時，流量越大，沖刷發(fā)展的速度越快，沖刷相同的距離花費的時間越少。

圖14 加沙強度和河床比降相同，不同上游來流量和泥沙粒徑下的沖刷速度Fig.14 Gaza intensity and riverbed gradient are the same, different upstream inflow and scouring velocity under Gaza grain size

試驗還發(fā)現(xiàn)在清水水流沖刷作用下，清水沖刷速度遠遠小于淤積逆行發(fā)展速度，這就意味著陡坡河道淤積一旦開始往上游發(fā)展，淤積鋒面以下已發(fā)生淤積的河段將長期持續(xù)處于高水位狀態(tài)，這對于堤防以及兩岸人民的生命財產(chǎn)安全都是極為不利的。

實際洪水過程中，一旦來沙超過某河段的挾沙能力，逆行淤積發(fā)展過程就可能發(fā)生，將引起的河床整體抬高。但泥沙補給減弱后，淤積的床沙又被快速沖刷掉，洪水過后床面上找不到泥沙的蹤跡，使得人們很容易忽視洪水過程中泥沙的致災(zāi)作用。人們常用超標洪水(根據(jù)洪痕反演)解釋這類洪災(zāi)現(xiàn)象，其實很可能是對泥沙附加致災(zāi)作用認識不足引起的。對于水流流量未見顯著增加，但因強輸沙導(dǎo)致水位特異性增加的現(xiàn)象，我們稱為泥沙的附加致災(zāi)作用。對于泥沙在山洪災(zāi)害中的過程致災(zāi)作用的認識增強，對認識山洪災(zāi)害特性，提出應(yīng)對整治措施都是很有價值的。

3 結(jié) 論

本文通過清水沖刷試驗對洪水消退過程的水沙輸移現(xiàn)象進行了試驗研究，通過對沖刷過程水深和沖刷速度變化的對比分析，得到以下結(jié)論：

(1)陡坡強輸沙河道存在逆行淤積現(xiàn)象，且當其發(fā)展到一定程度，若減小泥沙補給強度，淤積的床沙又會被上游來流帶走。洪水過后，在河床上看不到泥沙的蹤跡，泥沙只在洪水過程中發(fā)生致災(zāi)作用，其隱蔽性使得人們很容易忽視其在山洪災(zāi)害現(xiàn)象中的影響。

(2)流量較小時，下游小比降段淤積水深最大，變坡點上游段沖刷水深最大，淤積水深最??；增大流量發(fā)現(xiàn)整個河段沖刷水深最大。綜上可得出控制陡坡河道山洪水位的關(guān)鍵是防止淤積的發(fā)展，一旦泥沙淤積達到一定程度，淤積過境段將長期處于高水位狀態(tài)，威脅沿岸人民生命財產(chǎn)安全。

(3)清水沖刷過程中，前期淤積的泥沙可以快速被沖向下游，到變坡點附近沖刷速度將會減小，在變坡點下游一段距離內(nèi)沖刷發(fā)展最為緩慢，再往下游隨著淤積厚度減小，沖刷速度又開始加快。沖刷速度受上游水動力條件和床沙淤積厚度的影響，流量越大、比降越陡、初始加沙強度越大，沖刷速度越快；隨著泥沙粒徑增大，沖刷速度將會減小。

(4)由于加沙機本身的加沙粒徑范圍限制，本文選用的泥沙粒徑較為接近，且為均勻沙，同時本文試驗是在定床作用下來進行的，光滑的鋼化玻璃底面與天然河道動床邊界有所不同，因此本試驗的研究結(jié)果僅適用于山區(qū)河流中上游來沙均勻且陡坡河段床面接近光滑的河段。

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