不同入射角对河流弯曲演变的影响

王国卿,白玉川

(天津大学建筑工程学院河流海岸工程泥沙研究室,天津 300072)

0 引 言

弯曲性河流是自然界中最为常见、最为普遍的河流形态之一。天然河流虽形态各异,但最初都是由顺直型河道演变发展而来的。很多学者对此进行了实验研究。最早可追溯到1939年和1942年,分别由Tiffany和Friedkin[1]两位学者建立了模型小河道。但由于他们的实验历时短、分析简单,尚不能说明产生的河线形式已达到稳定。此后,在20世纪60年代,我国学者唐日长[2]和尹学良[3]分别利用边滩植草和在水中加粘土的方法成功地塑造了弯曲型河道,对河道演化变弯的众多影响因素做了解释和描述。到20世纪80年代中后期,洪笑天[4]等对河流变弯进行了相应的实验研究,指出河床组成、河床中泥沙运动特性、河床的边界条件等对弯曲河流形成具有很大的影响。王平义[5]通过实验分别探讨了泥沙和水利条件下河湾形成变化的过程。2003年,张俊勇,陈立[6-7]等进一步通过室内概化水槽实验研究了清水下泄时河道比降、入流角、流量及河床组成等因素对河流再造床过程中河型变化的影响。魏炳乾[8]和许栋[9]等也对弯曲河道的水沙特性及其河道演变特性进行了研究。

弯曲河流在自然界中如此普遍,是因为天然河流地质条件各异,水文条件不同,多方面、多因素共同复杂作用以及河流自我调节的结果。由于河道中来水来沙条件的不同,导致河道冲刷淤积的不断变化,引起地形坡降的变化。同时,非恒定、非均匀的河道水流与河槽之间存在着不相适应和适应的变化,而河道入流的主流向与河槽主轴线(其夹角即为入射角)也在重合和不重合之间变化[10]。所以,本文主要从入射角和地形坡降出发,研究清水下泄的河流中这两者对河道弯曲演变的影响。

1 实验条件及实验参数

试验在一个长1500cm、宽300cm、深 50cm的室内池子中进行。池子底部是水平的水泥地面,构成试验平台。水池内铺放厚度为20cm的模型沙。在水池最前端设有消能池,保证水流平稳进入模型河道。水池的尾部设有沉沙池,沉沙池后面是蓄水池,储存试验用水。蓄水池内设有潜水泵。试验时开启潜水泵,将水流输送到水池前端,经消能池整流消能后进入模型河道入口,并在重力作用下沿河道向下游流动。在沉沙池泥沙沉降后水流进入蓄水池,形成水流的自循环。在模型河道的一侧标记1、2、…、10,10个特征断面,间距为 100cm,进行相关实验观测,整个装置如图1所示。水泵最大流量为2 L/s,可以通过调节蝶阀,控制流量。实验采用表面流场粒子跟踪测速系统(PTV)、光纤地形仪等流速、地形测量仪器,以保证试验数据的准确性。

图1 实验装置

实验中模型沙选用非均匀河沙,中值粒径为0.58mm。实验中先塑造出顺着的初始河道,然后在河道入口处设置不同的入射角(即河道入流的主流向与河槽主轴线的夹角)。当水流经入射角进入河道后,研究其对河道演变初始阶段的影响。流量变幅在2.15 m3/h～2.25 m3/h之间,基本保持不变。其余实验参数见表1。

表1 实验参数

2 入射角对河弯演变的实验分析

2.1 入射角对弯曲度的影响

在来流量、坡降和河床组成相同的情况下,不同入射角对河道演变初始阶段的弯曲度有不同的影响。图2所示,为五组实验模型小河在弯曲演变的初始阶段,弯曲度随时间变化的曲线。入射角为0°(即河道入流的主流向与河槽的主轴线重合),河道的弯曲度没有发生很大变化,如图2中RUN1曲线所示,在15 h～30 h时段内,弯曲率的变幅只有0.1。当入射角大于0°时,弯曲度显著增大。在不同的入射角条件下,河流演变的弯曲度呈现不同的变化规律 。在RUN2、RUN4曲线中,入射角分别为 30°、45°,河道弯曲度变化近似半抛物线型,呈先增大后略减小趋势。这是由于当弯道的曲率过大时,弯道中的水流动力轴线偏向凸岸,引起凸岸边滩的冲刷及后退,从而减小了河道的弯曲率。

图2 弯曲度随时间的变化

由于入射角不同,两组实验中弯曲度的极大值不相等,RUN2中为1.09,RUN4中达到1.12,出现时刻也不一样,且当河道趋于稳定时,RUN4中弯曲度大于RUN2。这说明,在一定范围内,随着入射角的增大,河道的弯曲度呈现不断增大的趋势。在RUN3、RUN5曲线中,弯曲度在整个水流作用时段内均呈递增趋势,并在某一时刻两曲线相交。在交点之前时段,RUN3的弯曲度大于RUN5的弯曲度,交点之后开始减缓,且 RUN5的弯曲程度开始大于RUN3。

2.2 入射角对输沙率的影响

从实验数据可知,河道在水流冲刷的作用下,在河形演变的初始阶段泥沙的输移能力并不是均匀的或者是均匀变化的。通过实验观察发现,河道冲刷过程中大部分的泥沙是以推移质的形式向前输移的,只有少数处在深槽周围的沙粒由于紊流作用以悬移质的形式移动,但不久又沉落河床,以推移质的方式向前运动。由于入射角的存在,水流斜向顶冲初始河道边岸,随后受到岸壁的挑流作用折返冲向下游对岸。初始地形在水流作用下大幅调整,河道中的输沙率开始逐渐增大。随着河床的进一步演变,水流和底床相互协调,输沙率逐渐稳定下来。在河道演变初始阶段的全过程中,RUN2和RUN4输沙率随时间变化的曲线如图3所示。在整个时段内,输沙率呈先增大后减小,而后趋于稳定。但入射角为30°时,输沙率在7.2 h时达到了最大,而45°时推迟了大约6 h,且前者的增幅明显大于后者,这说明入射角的不同改变了河道输沙率的变化规律,从而影响了河道弯曲演变的进程。对照图5可以看出,输沙率的最大值出现时刻大体上与河道迅速展宽时段相对应。

图3 入射角对输沙率的影响

2.3 入射角对底床形态的影响

在河流弯曲演变的试验中,由于床面具有可冲性,水流的运动将引起床面形态的演变,而床面形态的演变将反过来影响水流的运动,形成水流与床面的耦合作用。当来流量、地形坡降等边界条件保持不变时,入射角对水流与床面的耦合产生重要影响。在稳定的来流条件和地形坡降的情况下,模型小河在22 h～32 h的水流作用下,底床形态达到相对稳定状态。图4给出了RUN2和RUN4中河床达到稳定状态时的岸线轮廓。在不同入射角下,30°入射角河道弯曲演变的程度比45°时更加明显,而且在上游段尤为突出。

随着底床形态变化的同时,河宽(取不同时刻各个特征断面处河宽的几何平均数)也不断发生变化。河道展宽速率反映了河流断面与水流条件不相协调的程度。如图5所示为RUN2和RUN4中河宽随时间变化的曲线。实验开始1 h,RUN2中河宽从15cm迅速展宽为18cm,在水流作用的前6.5 h内,RUN2中河宽增幅明显。而RUN4中,河宽在前7 h内变幅较小,而在7 h～15 h内,河宽开始迅速增大。但是,两组试验中河床达到稳定后的河宽大致相等。

图4 弯道岸线轮廓

图5 河宽随时间的变化

图6为河床形态趋于稳定时RUN2和RUN4中最终床面地形,图中的参考高程(即零点高程)为整个河道内床面高度的平均高程,床面起伏变化的幅度为±3cm。从图中看见,在弯顶处凸岸稍偏上游处存在边滩;在凹岸处则出现深槽,并伴随出现交错的沙坡和沙洲形态。随着入射角的变大,浅滩和深槽的位置从弯顶的上游向下游移动,而且浅滩呈现狭长状,从一个弯顶下游延伸至下一弯顶处,河道弯曲度逐渐增大。

图6 弯道内实测床面地形(高程 Z,单位cm)

3 河段比降对河流弯曲演变的影响分析

在 RUN2、RUN3、RUN5中,入射角及河床组成等均相同,但由图2可知,它们的弯曲度并不相同,这说明河段比降在河道弯曲演变的过程中也起着一定的作用。

根据实测资料,得出三组实验中河道稳定前后的地形坡降(取各河段比降的平均值)变化情况和最终宽深比,如表2所示。由表2可以看出,各组试验的坡降均在原有基础上有所减小,这是因为河槽展宽伊始,河岸稳定性较差,大量沙子由于侵蚀浸润作用进入河槽,使河床抬高;另一方面,泥沙运动以沿程方向的推移质输沙运动为主要形式,水流挟沙作用将大量泥沙从上游挟带到下游,从而导致下游床面大大抬高,坡降小。同时,河道坡降的变化在局部河段内并不均匀,在河道的起始段和出口段坡降较大,而在中间段比较平缓,且均小于始末段坡降。随着坡降的增大,宽深比也呈增大趋势,但并不成比例,而且地形坡降对河湾的发育形成具有不利影响。在本实验研究的较大坡降范围(6‰～12‰)内,坡降越大,河道初始阶段的弯曲演变历时就越长。

表2 河道稳定前后坡降对比

图7(a)～(d)为RUN2、RUN3、RUN5中河床趋于稳定后,部分特征断面地形对照。从图7可知,在河道中间段,底床形态较复杂,越往下游则越平坦,沙纹出现散乱,只是在近岸有明显的深槽,两岸高程大幅度降低。但从整体上来看,底床形态受坡降的影响不大,且具有较大的相似性。这是由于弯道输沙大致处于平衡状态,凸岸的淤积主要来自凹岸冲刷,凸岸的淤长和凹岸的坍塌崩退在数量上接近相等,在过程上也基本相印。

图7 30°入射角河道稳定后部分断面地形对照

实验表明,在入射角、流量和河床组成相同的情况下,坡降的变化影响了河床的稳定性,弯道水流的输沙率和作用结果发生了变化。当坡降不断增大时,尽管存在入射角,但抑制了弯道曲流的发育和进一步发展,所以在河流弯曲演变中历时更长,且弯曲度相对较小。在本实验中,坡降为6‰时弯道特征最为明显,当大于12‰时,入射角对河道初始阶段的弯曲演变影响已经变得很小。

[1]Friedkin J F.A laboratory study of the meandering of alluvial river[R].US Water Exp Sta,1945:225-271.

[2]唐日长.蜿蜒性河段成因的初步分析和造床实验研究[J].地理学报,1963,29(2):13-21.

[3]尹学良.弯曲性河流形成原因及造床试验初步研究[J].地理科学,1965,31(4):287-303.

[4]洪笑天,马绍嘉,郭庆伍.弯曲河流形成条件的实验研究[J].地理科学,1987,7(1):35-43.

[5]王平义,文 岑.冲积河湾蠕动过程的试验研究[J].水动力学研究与进展(A辑),2001,16(3):312-318.

[6]张俊勇,陈立,叶小云,等.入流角对河道曲流形成的影响[J].水利水运工程学报,2003,(1):63-66.

[7]陈立,张俊勇,谢葆玲.河流再造床过程中河型变化的实验研究[J].水利学报,2003,(7):42-45.

[8]魏炳乾,孙小军,宁利中,等.缓变弯道河道冲刷试验研究[J].水力发电学报,2007,(2):99-103.

[9]许栋.蜿蜒河流演变动力过程的研究[D].天津大学,2008.

[10]张红武,吕 昕.弯道水力学[M].北京:水利电力出版社,1993.