基于泥沙起动的长江世业洲西南角河床冲淤研究

窦 臻 张增发 杭建国

（江苏省镇江市长江河道管理处 江苏 镇江 212003）

1 基本情况

1.1 河段概况

长江镇（江）扬（州）河段位于江苏省境内，上承南京河段，下接扬中河段，全长73.7km，自上而下由仪征水道、世业洲汊道、六圩弯道、和畅洲汊道和大港弯道组成。世业洲汊道自泗源沟至瓜洲渡口，长24.7km，右汊为主汊；左汊为支汊。西南角岸段位于世业洲头右缘，全长约4.6km。

1.2 基本水情

近三年除2010年外长江来水总体不大。2008、2009、2010年长江大通站最大流量 分 别 为 48600m3/s、45100m3/s和65700m3/s，镇江站最高潮位分别为6.95m、6.80m和8.02m（吴淞高程），大通站流量达45000m3/s（镇扬河造床流量）以上天数分别为18天、1天和92天。

2 河床冲淤变化特征

2010年10月对西南角局部岸段（CS26～CS32）实施汛后监测，并将测图与2007、2006、2005年水下地形进行平面和断面套比分析（见图1）。

套比表明，2005年以来已建护岸内▽0m线后退1.5m～26m，岸坡刷深0.8m～7.5m；▽-5m线后退2m～31m，岸坡刷深1.6m～3.4m；已建护岸外侧▽-10m深槽线向近岸推进40m～50m。断面上表现为深泓向近岸逼进，河床底部变化不大。

总体而言，近期西南角河床变化不大。主要冲淤变化为：2007年10月至2010年10月间▽-10m以上岸坡冲刷明显，一般冲深1m～7.5m，而▽-10m以下河床变化不大（见图1）。分析冲刷主要为2010年汛期长江较大来水较长时间作用所致，但▽-10m以上岸坡冲刷、以下河床变化不大的断面冲淤特征需进一步分析原因。

3 冲淤特征形成原因分析

河床断面形态的形成为水流和河床相互作用下产生的冲淤变形[1]，据此从泥沙起动角度分析断面冲淤特征形成原因。国内外对泥沙起动的相关研究[2-11]较多，但因问题本身的复杂性，迄今泥沙起动的判别标准问题并未完全解决，因此各家从不同角度考虑形成了众多泥沙起动流速公式。基于何文社的研究[8]考虑因素较全面且相关参数获得容易、公式计算简便，因此选用其起动流速上、下限公式进行计算：

3.1 泥沙、水流及地形资料的选用

长江为天然河流，床沙组成不均匀，但因平原地区冲积河流床沙粒配范围较窄，主体部分粒径差异很小，因此近似作为均匀沙。根据勘察资料[11]，近岸床沙代表粒径选用中值粒径d50=0.067mm、深泓部位选用d50=0.075mm，水深和流速选用2009年 5月、2010年 4月、2010年 8月世业洲世右断面（位于西南角）水文测验资料，水下地形选用2010年10月测图。

3.2 泥沙起动与河床冲淤的关系

对3个年份的水文测验世右断面3条典型垂线处床沙计算起动流速（见表1），将2009年5月与2010年4月以及2010年4月与2010年8月实测世右水文测验断面套比分析。

套比分析表明，世右断面2009年5月至2010年4月间河床冲淤变化不大，冲淤幅度在1.0m以内。2010年4月至2010年8月间，V6#垂线左侧河床（▽-15m以上浅滩部位）表现为冲刷，刷深0.8m～1.9m，其右侧河床（▽-15m以下深槽部位）表现为淤积，淤高1.5m～4.7m。

由表1看出，2009年5月、2010年4月两次水文测验中实测V1、V6#、V7#三条代表垂线平均流速与计算的起动流速上限VC上值相比大都相对较小（2010年4月实测V6#的Vm也仅比计算VC上值高出10%）。因此仅从床沙起动角度分析，水流流速超过床沙起动流速的幅度尚不够明显，因此在期间河床冲淤变化不大。

而2010年8月实测的V1#与V6#垂线平均流速超过计算的起动流速VC上相对较多（分别达35%、17%），因此这两条垂线间河床在2010年4月至8月间表现为较明显的冲刷，而V7#（V1#至V8#间）实测垂线平均流速与床沙起动流速VC上基本相当（仅高5%），因此该区域深槽部位河床变化在此期间表现为淤积。

综上，床沙起动流速大小与水深、泥沙粒径等具有密切关系。泥沙粒径相同情况下，在一定时段内，长江来水量大，水流流速大于床沙起动流速一定尺度时，则该时段内河床通常表现为冲刷，反之河床表现为淤积或变化不大，因此可以说河床断面的冲淤形态与床沙起动密切相关。

3.3 断面冲淤特征验证分析

针对西南角岸段河床▽-10m以上冲刷明显、以下变化不大的断面冲淤特征，采用窦国仁的公式[10]

表1 世业洲右汊（世右）断面河床泥沙起动流速计算表

验证分析，计算世右断面V1#垂线处河床在不同水深下的起动流速（见表2），根据实测资料点绘起动流速及实测垂线平均流速与水深的关系曲线（见图2）。

表2可见，世业洲右缘西南角▽-11.8m高程（汛期水深约15m～17m）以上河床，实测垂线平均流速（1.10m/s～1.17m/s）大于相应部位的床沙起动流速，而▽-11.8m以下河床随着水深增加，床沙起动所需流速也随之增加，实测垂线平均流速（1.06m/s～1.09m/s）小于起动流速。

图2可见，世右断面实测垂线平均流速与起动流速线在水深16.5m左右（河床高程位于▽-11.8m左右）相交，交点左侧实测垂线平均流速均高于床沙起动流速，右侧均低于起动流速。相对而言，在相同水流条件下，该岸段大约▽-10m以上岸坡床沙更易起动，即岸坡表现为冲刷后退，而▽-10m以下河床则因流速原因较少床沙起动，即表现为冲淤变化不大，此乃2010年汛期该岸段河床断面冲淤特征形成的主要原因。

表2 起动流速与水深关系计算表

4 结论

(1)长江汛期和枯水期流量存在一定变幅，水深和流速分布随之发生变化，床沙起动所需流速大小也相应不同，导致同一河床部位在不同时期形成不同的冲淤状态。同时同一断面近岸和深泓处河床水深、流速分布不同，床沙粒径也存在差异，则床沙起动所需流速不同，导致同一时期同一断面河床的不同部位发生不同的冲淤变化，如世业洲西南角岸段河床冲淤特征的形成。

（2）世业洲西南角岸段堤外江滩狭窄，▽-10m以上岸坡受冲使局部堤防外坡脚形成陡坎，对防汛安全不利，建议采取抛石护脚工程措施治理。陕西水利

[1]张瑞瑾，河流泥沙动力学[M].北京:中国水利水电出版社.1998.5.

[2]饶庆元.粘性土抗冲特性研究[J].长江科学院院报，1987(4)：73-84.

[3]聂锐华，刘兴年，曹叔尤等.无粘性泥沙起动对比条件研究[J].水科学进展，2004，15(5)：584-587.

[4]王涛，刘兴年等.非均匀沙起动流速研究与比较[J].四川大学学报（工程科学版）.2008,40(1):15-20.

[5]陈媛儿，谢鉴衡.非均匀沙起动规律初探[J].武汉水利电力学院学报.1988(3).

[6]秦荣昱.不均匀沙的起动规律[J].泥沙研究.复刊号.1980.

[7][苏]培什金著.河道整治.谢鉴衡,胡孝渊译[M]北京：中国工业出版社，1965.

[8]何文社,方铎等.泥沙起动流速研究[J].水利学报,2002(10):0051-0056.

[9]唐存本.泥沙起动规律[J].水利学报.1963（2）.

[10]窦国仁.论泥沙起动流速[J].水利学报.1960（4）.

[11]镇江市工程勘测设计研究院.长江镇扬河段世业洲先锋段、洲尾段岩土工程勘察报告[R].2006年10月.