陳立超

(北京通成達(dá)水務(wù)建設(shè)有限公司，北京 100000)

保護(hù)河岸免受侵蝕是河岸治理中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其中彎曲河道的河岸保護(hù)是大量學(xué)者的研究主題[1- 3]。彎曲河道不僅廣泛存在于各大河流中，還具有迂回曲折的外觀特征和蜿蜒蠕動(dòng)的動(dòng)態(tài)特征[4]，因此對(duì)河岸的保護(hù)存在一定難度。根據(jù)已有研究成果并結(jié)合實(shí)際情況可以發(fā)現(xiàn)，河道侵蝕一般發(fā)生在外岸，沉積發(fā)生在內(nèi)岸。在彎曲河道中，侵蝕沉積會(huì)導(dǎo)致河道遷移，從而對(duì)周圍生態(tài)、農(nóng)業(yè)造成不利影響，因此為了提高河岸穩(wěn)定性、減少侵蝕，避免河道遷移帶來(lái)的不利影響，大量學(xué)者對(duì)不同彎曲河道的河岸保護(hù)措施進(jìn)行了研究[5- 6]?，F(xiàn)有的河岸保護(hù)方式如：彎道堰、帶狀結(jié)構(gòu)等護(hù)岸措施均已通過試驗(yàn)，并取得較好的研究成果，但是防波堤依舊是當(dāng)前最為廣泛的河岸保護(hù)措施之一，尤其是在彎曲河道中。

永定河是海河水系最大的一條河流，其中北京段總長(zhǎng)約170km，該河段流經(jīng)延慶、門頭溝、石景山、豐臺(tái)、房山、大興6個(gè)區(qū)。按河道不同特征和防汛特點(diǎn)，分為山峽段、平原北段、平原南段。其中官?gòu)d水庫(kù)至三家店間的峽谷，稱山峽段，干流河長(zhǎng)109km，其中屬北京市管轄的干流河道長(zhǎng)91km。河道平均縱坡3.1‰，河寬70～300m不等。河床多為粉細(xì)沙質(zhì)，極不穩(wěn)定，河道彎曲，主流左右迂回，兩岸險(xiǎn)工較多，水流隨山彎曲，是典型的彎曲河道。由于壩區(qū)的淤積，導(dǎo)致附近堤岸周邊土地遭到破壞，為了減少這種不利影響，大多學(xué)者通過調(diào)整結(jié)構(gòu)滲透性[7]、防波堤斜率[8]、防波堤形狀[9]等方式，但是這些研究均在直線渠道或單一彎曲河道中進(jìn)行未考慮多種彎曲度河道[10]，以至于研究成果難以在彎曲河道中轉(zhuǎn)化。且彎曲河道具有多種特性(彎曲度、振幅、偏轉(zhuǎn)角、曲率半徑與河道寬度之比(R/B)等)，在單一彎曲河道下，由于受主導(dǎo)河道特性的影響，無(wú)法全面評(píng)價(jià)河岸保護(hù)對(duì)策的有效性。盡管目前在正弦生成(SG)曲流河道的流動(dòng)動(dòng)力學(xué)和河道形態(tài)演化的研究中，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開展了關(guān)于彎度影響的研究[11]。然而，考慮河道彎度對(duì)河岸性能影響的研究尚未得到驗(yàn)證，因此本文通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了2種不同彎度的可侵蝕性彎曲河道中坡頂防波堤的性能。

1 試驗(yàn)方案

1.1 彎曲河道試驗(yàn)裝置

本文采用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ头绞竭€原永定河北京段的河段特性進(jìn)行相關(guān)研究，包括水流特性、河床特質(zhì)等。試驗(yàn)水槽的布置如圖1所示，水槽由長(zhǎng)度分別為50和100cm的固定河床進(jìn)、出水槽組成。主河道包括一個(gè)長(zhǎng)400cm，寬200cm，充滿不均勻的侵蝕層(D=0.72mm，σ=(d84/d16)0.5=1.38，比重=1.41)以及厚20cm的非黏性沉積物構(gòu)成。

圖1 研究中使用的2個(gè)實(shí)驗(yàn)通道示意圖布局(單位:cm)

正弦生成曲線(SGC)被用來(lái)描繪河床侵蝕邊界內(nèi)的彎曲通道，計(jì)算式為：

(1)

式中，φ—局部偏轉(zhuǎn)角，(°)；ω—最大偏轉(zhuǎn)角，(°)；s—通道方向長(zhǎng)度，cm；M—通道方向波長(zhǎng)，cm。

通過對(duì)式(1)在x和y方向的積分，可以得到沿河谷方向的波長(zhǎng)(λ)和振幅(A)。本試驗(yàn)準(zhǔn)備了2個(gè)不同類型的河道通道，分別為高彎度(HS)和低彎度(LS)河道，其不同參數(shù)值見表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

可侵蝕的彎曲河道的制備流程主要包括：①首先將河床壓實(shí)和平整，然后填滿周圍的河岸材料，并在預(yù)制的木制河道周圍壓實(shí)；②利用SGC構(gòu)建2個(gè)獨(dú)立的預(yù)制木河道，制備2種不同曲度的試驗(yàn)彎曲河道；③在河床和河岸都使用同樣類型的沉積物，將其壓實(shí)平鋪后，然后移除預(yù)制河道，得到設(shè)計(jì)的矩形試驗(yàn)河道，且其初始寬度為20cm，深度為5cm。重復(fù)同樣的程序準(zhǔn)備研究所需的2種類型的彎曲河道。

1.2 試驗(yàn)方法

為確保試驗(yàn)結(jié)果的通用性，本文采取控制變量法的方式，在2個(gè)不同類型的彎曲河道中進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)河道做2組試驗(yàn)，對(duì)每條彎曲河道分別進(jìn)行不采取控制措施和采取控制措施試驗(yàn)，共計(jì)4個(gè)試驗(yàn)方案。河道條件分別是高彎度無(wú)壩(HS-NG)和有壩(HS-G)的河道，低彎度無(wú)壩(LS-NG)和有壩(LS-G)的河道，試驗(yàn)水流情況詳見表2。

表2 試驗(yàn)水流條件

由于試驗(yàn)水流部分受河道大小及非黏性沉積物的影響，所以制備較大的彎曲河道難度較高。另外，因?yàn)閺澢拥莱练e物是非黏性的，若選擇較高的流量必定會(huì)導(dǎo)致河道受到較快速度的侵蝕，促使本研究縮短試驗(yàn)時(shí)間。因此本文首先選取了一種輸沙量不超過設(shè)計(jì)河道的輸沙量，并且保證試驗(yàn)在清水條件下進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為40min。然后，在對(duì)河道采取控制策略時(shí)，在試驗(yàn)的前20min可對(duì)河道根據(jù)流量條件進(jìn)行調(diào)整，即停止水流，當(dāng)控制對(duì)策裝置安裝完畢后恢復(fù)水流流動(dòng)。在2種河道的4個(gè)試驗(yàn)方案中，壓力泵向上游儲(chǔ)罐提供了0.95L/s的恒定流量，水通過儲(chǔ)罐逐漸進(jìn)入河道入口，研究目標(biāo)區(qū)域如圖1所示。

在試驗(yàn)過程中，每20min測(cè)量一次水流和河道的各種參數(shù)，即:表面流速分布、特定位置的水位和河床地形。表面流場(chǎng)的測(cè)定采用平均直徑為50μm的聚氯乙烯(PVC)顆粒作為衡量顆粒，同時(shí)利用MATLAB軟件進(jìn)行相關(guān)分析并且運(yùn)用激光位移傳感器測(cè)量河道地形變化情況。

1.3 防波堤的設(shè)置

本文的防波堤由三角形部分和矩形部分組成，其中三角形部分是從堤岸頂部向河道傾斜，矩形部分插入堤岸內(nèi)以防止水流從側(cè)翼繞過結(jié)構(gòu)。擋土墻的尺寸和幾何示意圖如圖2所示。

圖2 防波堤構(gòu)造和幾何示意圖

與傳統(tǒng)的矩形壩相比，本文所提出的防波堤河岸向河道傾斜的壩頂具有最小的水流阻力、較小的紊流和水流安全通過的特點(diǎn)。

2種河道沿外側(cè)河岸的壩身位置如圖3所示。

沿外岸線從頂點(diǎn)上游到交叉點(diǎn)或拐點(diǎn)處設(shè)置防撞壩，由于河道長(zhǎng)度的不同，不同類型的河道中防撞壩的數(shù)量也有所不同。試驗(yàn)中上游至頂點(diǎn)處的壩體向上游河岸傾斜1200cm，以保證壩體向下游的順利流動(dòng)，而頂點(diǎn)下游的壩體則與岸線成直角放置。在河道調(diào)整初期，不同河道的河岸侵蝕形態(tài)、位置和程度不同，具體表現(xiàn)為在圖3中，t=20min到t=0min之間河道高程的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 河道形態(tài)演變

由于水流、泥沙運(yùn)輸和河道平面形態(tài)的相互作用，彎曲河道的形態(tài)在不斷演變。在試驗(yàn)結(jié)束(t=40min)到試驗(yàn)開始(t=0min)之間的河道標(biāo)高差異，所有試驗(yàn)方案的流量均從左向右。如圖4所示。

圖4中黑色虛線表示原始的河岸線(t=0min)，紅色虛線表示河岸線在試驗(yàn)的后20min采取防波堤措施時(shí)的變化，其中正值表示沉積，負(fù)值表示侵蝕。結(jié)果顯示在2種河道中，當(dāng)試驗(yàn)開始時(shí)，河岸最低處遭到侵蝕導(dǎo)致河岸物質(zhì)以塊體形式失效，并隨水流流走；在后期，河岸根據(jù)水流條件進(jìn)行了調(diào)整，所以沒有遭到破壞。然而，由于近岸剪應(yīng)力過大，河道沿河岸特定位置的沖蝕仍在繼續(xù)，導(dǎo)致河道變寬且LS-NG的侵蝕速率高于HS-NG。高彎度河道(HS-NG和HS-G)與低彎度河道(LS-NG和LS-G)的情況相比，彎曲河道的沉積和侵蝕等特征沒有明顯變化。這種微小的差異可能是由于HS河道和LS河道的不均勻侵蝕造成的。由于所有泥沙均未從外部提供，所以泥沙輸送都必須從河床和河岸物質(zhì)進(jìn)行，因此LS-河道侵蝕程度越高沉積物運(yùn)輸就越頻繁，導(dǎo)致形成深水坑，進(jìn)而在對(duì)岸形成防波堤。在LS-NG和LS-G 2種情況下，防波堤的形成和深水坑向外灘的遷移導(dǎo)致了更大的侵蝕，而HS-NG和HS-G的深水坑和防波堤規(guī)模相對(duì)較小，整體侵蝕程度較小。

河道中心線曲率半徑(R)與河道寬度(W)之比，表示河道曲線的鋒利性或緊密性，是控制曲流河道侵蝕和位移的重要參數(shù)。HS河道由于河道較長(zhǎng)，R/B值較高，流動(dòng)過渡平穩(wěn)，因此HS-NG工況的沖刷較小。在LS-NG工況下，由于LS-NG河道流道較短，R/B比較低導(dǎo)致流場(chǎng)轉(zhuǎn)變較快，所以侵蝕程度較高。以此同時(shí)，HS-NG河道侵蝕最大值出現(xiàn)在拐點(diǎn)或交叉區(qū)附近，LS-NG河道侵蝕最大值出現(xiàn)在內(nèi)彎道頂點(diǎn)附近，并逐漸向上游方向偏移。由于侵蝕或河道擴(kuò)張的程度對(duì)水流走向有一定影響，進(jìn)而決定了防波堤的性能，所以不同河道類型中防波堤的性能不同。與HS-NG河道相比，LS-NG條件下的侵蝕和河道變化程度更均勻、可預(yù)測(cè)性更強(qiáng)，且河床形態(tài)在2種河道中均有向下游遷移的趨勢(shì)。在此情形下，通過加設(shè)防波堤可以幫助在HS和LS河道外河岸頂附近的侵蝕得到控制。具體表現(xiàn)在LS-G條件下，頂端下游的侵蝕量也大大減少，而在HS-G條件下，侵蝕量略有增加。在壩區(qū)內(nèi)沖刷作用最小，但在脫離壩區(qū)后，沖刷作用仍在下游繼續(xù)。在試驗(yàn)過程中，雖然有個(gè)別壩頂處出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象，但壩頂處整體沖刷并不明顯。與LS-NG河道的情形相比，在LS-G條件下的防波堤設(shè)置在一定程度上減小了深水坑的大小和外灘的沖刷程度。同時(shí)與LS-G條件下的處理方式相比，HS-G條件下在壩體間隙發(fā)生了較大的沖蝕。LS-G工況下的深水坑使水流流速度變緩，從而降低了湍流度。

圖3 河道位置和河床高度在不同條件下的變化(單位:cm)

圖4 河床高程變化(單位:cm)

2.2 侵蝕-沉積體積分析

通過對(duì)河道沖淤形態(tài)的分析，可以確定河道的輸沙特性。試驗(yàn)中所有條件下侵蝕-沉積的體積隨時(shí)間變化的趨勢(shì)如圖5所示。

根據(jù)不同時(shí)期實(shí)測(cè)河床高程的變化，計(jì)算各時(shí)期間的侵蝕-沉積體積。在給定的水流條件下，由于河道被快速調(diào)整，所以在試驗(yàn)的前20min侵蝕量和沉積量都較高。當(dāng)加設(shè)防波堤后，LS-G的侵蝕量顯然小于LS-NG條件下的侵蝕量，這表明防波堤能有效地減少河道的侵蝕，增強(qiáng)河道的輸運(yùn)能力。而HS-G情況下的侵蝕-沉積體積變化與HS-NG條件下相比均較小，這表明河道在調(diào)整過程中HS河道依舊活躍。

圖5 不同條件下侵蝕-沉積體積隨時(shí)間變化情況

在t=40min到t=20min之間，即實(shí)施防波堤后，沿河道中心線和右岸線河道的標(biāo)高變化。如圖6所示。

同樣的，河道侵蝕用負(fù)值表示，而沉積用正值表示。由圖6(a)LS-NG和LS-G的對(duì)比結(jié)果可知，由于壩體的存在，尤其是壩頂下游的局部沖刷，導(dǎo)致右岸的退化。然而，在圖6(b)所示的河道中心線上，由于侵蝕沉積物由河岸向中心運(yùn)移，導(dǎo)致河道不斷堆積。在HS河道中，即使在有防波堤存在的情況下，河道的侵蝕-沉積體積也幾乎沒有變化。圖6(c)沿右岸邊線可以發(fā)現(xiàn)，在尖部上游出現(xiàn)輕微沉積，在靠近尖部區(qū)域出現(xiàn)輕微侵蝕。同時(shí)圖6(d)顯示，沿著河道中心線也能觀察到類似的標(biāo)高變化情況。

2.3 表面速度分布

沖積現(xiàn)象引起的河道平面和河道床層的連續(xù)變化在很大程度上影響了縱向和橫向的速度分布，與此相反的是速度分布決定了河道的形態(tài)演變。本文通過PIV技術(shù)對(duì)獲得的表面速度分布進(jìn)行分析，確定了河道形態(tài)演化過程與河道內(nèi)速度分布之間的關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。

圖7顯示了HS-G(圖7(a)、圖7(b))和LS-G(圖7(c)、圖7(d))2種情況下，實(shí)施防波堤前(試驗(yàn)前20min)和實(shí)施防波堤后(試驗(yàn)后20min)的表面速度分布。

結(jié)果表明，在河道調(diào)整之前的20min內(nèi)，河道內(nèi)的速度分布基本均勻。河道經(jīng)過形態(tài)變化調(diào)整到給定的水流條件后，流速分布也趨于不均勻。但是由于較長(zhǎng)的流動(dòng)路徑以及R/B比，HS-G條件下發(fā)生了平滑的流動(dòng)過渡，因此，如圖7(a)所示，流速在整個(gè)河道斷面和河道沿線的分布大致均勻。然而，在2個(gè)尖頂之間的拐點(diǎn)處流速稍高，這是由于該地區(qū)周圍的侵蝕比較嚴(yán)重。同樣，在LS-G工況下，如圖7(c)所示，在實(shí)施防波堤前，高流速集中在內(nèi)彎道頂點(diǎn)附近，導(dǎo)致該區(qū)域附近的侵蝕程度較高。LS河道橫向速度分量較高，主要是由于橫向速度分量較大，在外側(cè)岸坡附近形成深池，在內(nèi)側(cè)彎道附近形成防波堤。實(shí)施防波堤后，LS-G和HS-G近岸速度均顯著降低，如圖7(b)、7(d)所示。但除了壩體周圍有輕微的偏轉(zhuǎn)外，河道內(nèi)的速度分布沒有明顯的變化，盡管壩體周圍的速度有所降低，但在脫離防波堤后有明顯的增加趨勢(shì)。

圖6 不同時(shí)間間隔之間的標(biāo)高差(單位：cm)

圖7 橫流實(shí)施前后的流速分布(單位：m/s)

3 結(jié)論

本文研究了2種不同曲度的可侵蝕彎曲河道中的流動(dòng)演變、沉積物運(yùn)輸以及河道形態(tài)的變化，并提出了一種由堤岸向河道延伸的坡頂改進(jìn)型護(hù)岸對(duì)策為后續(xù)學(xué)者提供理論參考，但是由于本文是基于室內(nèi)試驗(yàn)和模擬的方式進(jìn)行相關(guān)研究，因此研究結(jié)果存在一定局限性。本文具體結(jié)論如下：

(1)LS溝道的最大侵蝕發(fā)生在內(nèi)部彎曲頂點(diǎn)附近，而HS溝道的最大侵蝕發(fā)生在拐點(diǎn)或交叉區(qū)域附近。

(2)低彎道河道由于侵蝕程度較高，形成了明顯的深水坑；在河岸侵蝕方面，LS河道在無(wú)防波堤的情況下更容易發(fā)生侵蝕，從而導(dǎo)致河道的均勻加寬。

(3)防波堤的實(shí)施對(duì)建筑物附近的水流、泥沙輸移和河岸侵蝕均會(huì)產(chǎn)生影響。本文所提出的對(duì)策在LS河道上作用效果更好。