王 茜,盧金友,周銀軍,柴朝暉,黃 莉

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部長(zhǎng)江中下游河湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430010)

0 引 言

順直型河道是自然河流中廣泛存在的一種典型河型,如長(zhǎng)江中下游的界牌河段、太平口河段、天星洲河段、東流河段等,兩岸交錯(cuò)分布的邊灘是順直河道主要特征,其演變和發(fā)展過(guò)程一直是河流演變學(xué)研究的重要內(nèi)容[1-5]。

關(guān)于順直河道的相關(guān)研究先前主要集中在交錯(cuò)邊灘的形成、演變特征及影響因素等方面[6-9],得到了一系列的成果,如交錯(cuò)邊灘的形成和演變受流量、河道寬深比、局部干擾等的影響等,如錢(qián)紅露等[10]發(fā)現(xiàn)順直型河道的寬深比小于某一臨界值(約12),將不會(huì)形成交錯(cuò)邊灘。隨著長(zhǎng)江上游水庫(kù)群的建設(shè)和運(yùn)行,大量泥沙被攔截在水庫(kù)內(nèi),下游河道近似清水沖刷,原有平衡被打破,朝著新的平衡方向發(fā)展,其演變過(guò)程出現(xiàn)了新特點(diǎn)。

針對(duì)此,學(xué)者們開(kāi)展了大量的研究,研究主要集中在兩個(gè)方面,第一個(gè)研究方面是分析水庫(kù)建設(shè)前后典型順直河段水沙輸移、河床沖淤的變化及其影響,如夏軍強(qiáng)等[11]結(jié)合實(shí)測(cè)資料和數(shù)值模擬結(jié)果分析了三峽水庫(kù)下游典型順直河道—界牌河段近期演變特性及其對(duì)航道條件的影響、盧金友和姚仕明[12]分析了長(zhǎng)江中下游典型河段演變對(duì)上游水庫(kù)群建設(shè)運(yùn)行的響應(yīng)、朱玉德等[13]分析了近年來(lái)新洲-九江河段順直段邊灘沖淤變化對(duì)航道的影響及其治理思路、劉慰等[14]研究了黃河小浪底水庫(kù)蓄水后壩下游不同河型河道斷面形態(tài)及河床變化情況,但此類(lèi)研究一般針對(duì)某個(gè)具體河段,可加深對(duì)該河段的科學(xué)認(rèn)識(shí),但較難總結(jié)成普適性的規(guī)律。因此,第二個(gè)研究方面則是通過(guò)簡(jiǎn)化或概化的數(shù)學(xué)模型和室內(nèi)試驗(yàn)研究水沙條件變化對(duì)順直河道演變影響的一般性規(guī)律,如劉祥玉等[15]采用室內(nèi)試驗(yàn)研究了順直河道崩岸與水沙條件的關(guān)系,李覓[16]利用水槽試驗(yàn)研究了河道沖刷條件下邊灘的形成過(guò)程,施騏等[17]通過(guò)試驗(yàn)分析了水沙條件對(duì)順直河道交錯(cuò)邊灘演變的影響,但目前對(duì)清水沖刷下交錯(cuò)邊灘演變特征、上游邊灘對(duì)下游邊灘影響等的科學(xué)認(rèn)識(shí)還存在一定的不足。

本文在統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)江中游典型邊灘尺寸的基礎(chǔ)上,通過(guò)塑造交錯(cuò)邊灘組研究探討了清水沖刷下順直河道交錯(cuò)邊灘演變過(guò)程及上游邊灘組的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在40 m×2.4 m×1 m(長(zhǎng)×寬×高)的水槽中進(jìn)行,水槽主要由水泵、輸水管道、試驗(yàn)水槽、集水池等組成,底部坡降為1‰。水槽進(jìn)口布置有兩道穩(wěn)花墻穩(wěn)定水流,采用自動(dòng)水流控制系統(tǒng)控制進(jìn)口流量,流量控制精度為0.5%,尾門(mén)采用水位測(cè)針控制出口水位,右岸導(dǎo)墻布設(shè)兩道玻璃用于觀測(cè)泥沙運(yùn)動(dòng)情況。

試驗(yàn)段長(zhǎng)16 m,鋪沙厚度為30 cm,以保證在最大流量下不會(huì)沖刷至水槽底面,鋪沙后的床面比降與水槽底部比降相同。考慮到粉煤灰、塑料沙等材料不便于通過(guò)玻璃觀測(cè)其運(yùn)動(dòng)情況,試驗(yàn)用沙采用天然非均勻沙,基于試驗(yàn)水流條件和張瑞瑾泥沙起動(dòng)流速公式,反推得到沙樣中值粒徑為0.58 mm,級(jí)配如圖1所示。基于長(zhǎng)江中游典型河段順直河道邊灘尺寸(表1),通過(guò)縮放得到試驗(yàn)中邊灘尺寸為:底部最大長(zhǎng)度3.81 m、頂部最大長(zhǎng)度2.72 m、底部最大寬度0.7 m、頂部最大寬度0.35 m、邊灘高13 cm,相距最近的2個(gè)邊灘沿水流方向間隔為4.06 m,邊灘坡度取泥沙的水下休止角斜率(1∶2.5),試驗(yàn)平面布置如圖2所示。

表1 長(zhǎng)江中游典型河段順直河道邊灘尺寸統(tǒng)計(jì)Table 1 Sizes of typical bars along the straight channel in the midstream of Yangtze River

圖1 試驗(yàn)用沙粒徑級(jí)配曲線Fig.1 Grain size distribution curve of test sand

圖2 試驗(yàn)平面布置Fig.2 Plane layout of flume experiment

1.2 試驗(yàn)方案及量測(cè)內(nèi)容

本次試驗(yàn)設(shè)置5級(jí)流量(如表2所示),其中,M1對(duì)應(yīng)枯水流量,M2、M3對(duì)應(yīng)中水流量,M4對(duì)應(yīng)平灘流量,M5對(duì)應(yīng)洪水流量。試驗(yàn)主要測(cè)量參數(shù)包括水位、流速、地形。其中,水位通過(guò)布置在水槽周?chē)乃挥?jì)測(cè)量;流速采用電磁流速儀測(cè)量,地形采用電阻式CY-I型電阻儀測(cè)量,設(shè)置16個(gè)測(cè)量斷面(0#—16#斷面,斷面位置見(jiàn)圖2),測(cè)量時(shí)間點(diǎn)為0、2、6、12、16、22、26、32、36、41 h。

表2 各組次流量與水深對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Corresponding relation between discharge and water depth in each group

2 結(jié)果與討論

2.1 典型斷面流速分布

在邊灘Ⅰ和邊灘Ⅳ中部截取典型斷面(2#和14#斷面)分析各級(jí)流量下流速橫向分布情況,如圖3所示。

圖3 典型斷面流速分布Fig.3 Flow velocity distribution in typical sections

由圖3可知,各流量下左、右岸附近最大流速分別位于邊灘坡腳附近和邊灘另一側(cè)的主流位置,且小流量時(shí)左、右岸附近最大流速的差值相對(duì)較大(如Q=46.67、215 L/s時(shí)2#斷面左、右最大流速差值分別約為0.018、0.01 m/s)。這主要是由于大流量下灘頂被淹沒(méi),斷面類(lèi)似于復(fù)式斷面,與原斷面相比,相同流量下,主槽流速大,河漫灘流速小,因此,左、右岸附近最大流速差值小,這與吳騰等[18]的研究結(jié)果相一致。此外,邊灘Ⅰ左、右岸最大流速的差值相對(duì)下游邊灘較小(如Q=215 L/s時(shí),邊灘Ⅰ、邊灘Ⅳ兩岸最大流速的差值分別為0.01、0.03 m/s)。

2.2 邊灘演變過(guò)程

2.2.1 床面隨時(shí)間的變化

在邊灘Ⅰ和邊灘Ⅲ中部截取典型斷面(1#和9#斷面),選取斷面上的3個(gè)典型點(diǎn)(灘上、灘邊和遠(yuǎn)灘,其中灘上、灘邊和遠(yuǎn)灘點(diǎn)分別取距邊灘所在一側(cè)邊壁0.2、0.8、1.6 m處)分析床面高程的變化。圖4為1#和9#斷面上3個(gè)典型點(diǎn)的高程隨時(shí)間的變化過(guò)程(Q=215 L/s),從圖4可知,無(wú)論哪個(gè)點(diǎn),其高程隨時(shí)間總體呈下降趨勢(shì),且初期下降速率快,河床經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沖刷后河床發(fā)生粗化,各點(diǎn)的沖淤幅度逐漸變小。

圖4 典型斷面和位置河床地形隨時(shí)間變化過(guò)程Fig.4 Variation process of riverbed topography with time at typical sections and locations

不同位置的演變過(guò)程存在一定差異,灘上點(diǎn)及上游斷面以沖刷為主,沖刷幅度最大(1#和9#斷面分別達(dá)14.45、11.49 cm);灘邊、遠(yuǎn)灘點(diǎn)及下游斷面表現(xiàn)為沖淤交替變化,沖淤幅度較小,這主要與沙波運(yùn)動(dòng)和上游河床沖刷來(lái)沙的補(bǔ)充有關(guān),與施騏等[17]得到的試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

2.2.2 床面縱向變化

以深泓線為指標(biāo)分析床面縱向變化,圖5為不同流量下深泓線縱向高程變化情況(Q=46.71、215 L/s,t=41 h)。由圖5可知,河床總體呈沖刷態(tài)勢(shì),流量越大,沖深越大(流量為215 L/s的深泓平均沖深約是流量為46.71 L/s的2.1倍),此外,大流量下深泓縱向比降變緩,這與樂(lè)培九等[19]、張細(xì)兵等[20]的研究成果基本一致。

圖5 不同流量下河床深泓線變化(t=41 h)Fig.5 Variation of thalweg of riverbed under different discharges (t=41 h)

2.2.3 典型橫斷面變化

選擇進(jìn)、出口處的0#、16#斷面,邊灘Ⅰ—邊灘Ⅳ中部的2#、6#、10#、14#斷面,邊灘間的4#、8#、12#斷面分析不同位置橫斷面變化,限于篇幅,圖6給出了流量為215 L/s時(shí)部分?jǐn)嗝娴淖兓闆r。

圖6 典型斷面形態(tài)隨時(shí)間的變化(Q=215 L/s)Fig.6 Morphological changes of typical sections with time (Q=215 L/s)

(1)進(jìn)口處0#斷面在試驗(yàn)過(guò)程中以沖刷為主,但不同階段的變化是有差別的。初期(0,2] h,由于床沙中含有大量極易被清水帶走的細(xì)沙,斷面以沖刷為主且沖刷幅度最大;中期(2,12] h,河床逐漸粗化,水流攜沙能力急劇下降,同時(shí),上游泥沙的補(bǔ)充使該階段河床出現(xiàn)淤積,在邊灘Ⅰ的影響下,斷面右側(cè)淤積幅度較大;后期(12,41] h,右側(cè)灘地的沖淤基本穩(wěn)定,斷面左側(cè)出現(xiàn)一定程度的沖刷,幅度在1.7 cm以?xún)?nèi)。

(2)出口處16#斷面的變化主要受上游來(lái)沙的影響,初期(0,2] h斷面左側(cè)在上游邊灘來(lái)沙補(bǔ)充作用下以淤積為主,最大淤高約5.8 cm,右側(cè)則小幅度沖刷;中期(2,12] h,隨著上游補(bǔ)充來(lái)沙的大幅減小,斷面左側(cè)沖刷,斷面右側(cè)則在邊灘Ⅲ(左側(cè)邊灘)泥沙向下游輸移的影響下呈現(xiàn)一定程度的淤積;后期(12,41] h,上游河床的來(lái)沙基本停止,除斷面中部沖淤變化不大外,左右兩側(cè)均以沖刷為主,沖刷幅度約3.5 cm。

(3)2#、6#、10#和14#斷面在試驗(yàn)過(guò)程中均以沖刷為主,但斷面不同位置的變化有所不同。灘上以沖刷為主,且主要發(fā)生在前、中期(2,12] h,12 h后,邊灘床沙逐漸粗化,沖刷基本停止。對(duì)于其他位置而言(灘邊及遠(yuǎn)灘),基本則遵循沖刷—淤積—沖刷的變化規(guī)律,且這種規(guī)律自上游向下游越來(lái)越明顯,如2#斷面灘邊以左(0,2] h平均沖深約3.5 cm、(2,12] h平均淤高約0.5 cm、(12,21] h平均沖深約0.7 cm;而10#斷面,灘邊以左(0,2] h平均沖深約4.0 cm,(2,12] h平均淤高約2.0 cm、(12,21] h平均沖深約1.8 cm。從斷面的變化來(lái)看,前期(0,2] h沖刷速率最快,沖刷最大的位置一般在灘邊,這與前文斷面流速的研究結(jié)果基本吻合。

(4)4#、8#和12#斷面的變化規(guī)律相似,主要表現(xiàn)為:初期(0,2] h,上游存在邊灘的一側(cè)表現(xiàn)出不同程度的淤積,主要原因是上游邊灘的沖刷來(lái)沙,其它部位則表現(xiàn)出普遍沖刷。此后,先前淤積側(cè)持續(xù)沖刷,其他部位則沖淤交替變化。

2.2.4 平面沖淤變化

圖7為2個(gè)流量下床面沖淤變化圖(Q=46.71、215 L/s)。由圖7可知,流量為215 L/s時(shí),河床整體上以沖刷為主,邊灘所在位置的沖刷幅度較大,最大沖深達(dá)15 cm,其他位置的沖刷幅度在5 cm以?xún)?nèi)。河床淤積部位主要在4個(gè)邊灘下游1 m范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)比初始地形和最終時(shí)刻地形發(fā)現(xiàn),4個(gè)邊灘均出現(xiàn)不同程度的下移,幅度在4 m以?xún)?nèi),這與文獻(xiàn)[6] 、文獻(xiàn)[7] 、文獻(xiàn)[9] 、文獻(xiàn)[16] 等的結(jié)論基本一致。對(duì)于深泓線而言,其平面呈從上一灘頭向下一個(gè)灘頭擺動(dòng)的態(tài)勢(shì),且擺動(dòng)幅度隨著河床的沖刷逐漸變小,最終趨于相對(duì)穩(wěn)定,如圖8所示。與大流量相比,流量為46.67 L/s時(shí),河床沖刷幅度減少一半,但淤積幅度增加一倍。

圖7 不同流量下河床沖淤變化Fig.7 Variation of riverbed deposition and erosion under different discharges

圖8 深泓線平面變化(Q=215 L/s)Fig.8 Variation of thalweg where Q equals to 215 L/s

2.2.5 上游雙邊灘對(duì)下游異岸邊灘的影響

長(zhǎng)江中下游順直河段的交錯(cuò)邊灘多為成對(duì)出現(xiàn),因此,以邊灘 Ⅲ 和 Ⅳ 為下游異岸邊灘組,設(shè)立有、無(wú)上游異岸邊灘組(邊灘 Ⅰ 和 Ⅱ )2組試驗(yàn)條件(Q=215 L/s),分析上游異岸邊灘(下稱(chēng)“上游邊灘”)對(duì)下游異岸邊灘(下稱(chēng)“下游邊灘”)的影響,圖9為下游邊灘組典型斷面變化情況(9#、13#、10#、14#、11#、15#斷面)。

圖9 上游有、無(wú)邊灘時(shí)典型斷面形態(tài)變化(Q=215 L/s)Fig.9 Morphological changes of typical sections with or with no bars upstream(Q=215 L/s)

從圖9可知,上游邊灘的存在不會(huì)影響下游邊灘斷面發(fā)生沖淤的位置,但會(huì)加劇下游邊灘的沖刷,對(duì)不同位置斷面沖刷加劇的程度亦有所不同。對(duì)于邊灘頭部斷面(9#和13#斷面),上游邊灘對(duì)下游邊灘影響最大的為坡腳沖刷深度,增加沖深達(dá)4 cm,坡腳處坡度略微增大;對(duì)于邊灘中部斷面(10#和14#斷面),上游邊灘對(duì)下游邊灘影響最大的位置為邊坡坡腳;對(duì)于邊灘尾部斷面(11#和15#斷面),兩組對(duì)照條件下,邊灘尾斷面形態(tài)極為相似,但上游邊灘存在對(duì)邊灘Ⅲ邊灘尾的影響明顯大于邊灘Ⅳ的。

3 結(jié) 論

(1)順直型河道交錯(cuò)邊灘在大流量工況下以沖刷為主,灘頭附近沖刷最嚴(yán)重,邊灘側(cè)下游發(fā)生淤積,邊灘整體向細(xì)長(zhǎng)方向發(fā)展并向下游移動(dòng)。

(2)河床橫斷面不同部位的沖淤變化有所不同。邊灘側(cè)以沖刷為主,且主要發(fā)生在前、中期;其它部位則呈沖刷—淤積—沖刷的變化規(guī)律,且這種規(guī)律自上游向下游越來(lái)越明顯。

(3)上游邊灘的存在會(huì)加劇下游邊灘的沖刷,且對(duì)邊灘坡腳影響最大。