河流边界河岸护坡用类闸门方式趋稳及其应用方法

李春一 归力佳 张望舒

（河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098）

1 引言

“River Morphology，concerns the’general form and behavior of a river as a whole’.There are no ‘identical rivers’，and yet most of the rivers exhibit a number of common feature and trends.”[1]天然的河流总是处在永恒的变化和发展之中， 其中河流的边界在水流受到干扰后会发生相应的变化， 而河流边界的变化又会导致水流条件的改变， 因而水流和河床时时刻刻都在相互作用——水流促使河床变化，河床变化反过来又影响水流结构。 二者永远处于变化和发展之中， 它们之间相互作用的中间环节便导致了泥沙的冲刷或沉积。

这一中间环节，也就是改变河流边界的直接原因——水流的输沙能力的变化。水流的输沙能力与河流的水力条件、泥沙因素相适应。 如果水流所挟带的泥沙量小于其输沙能力，水流会在河床的合适部位获取适量的泥沙作为补充，从而造成冲刷；而当水流的水力条件下降到不足以挟带那么多泥沙时， 即水流挟带的泥沙超过其输沙能力时，水流中超载的泥沙又会沉积下来。 因此河床演变的根本原因是水流与河床相互之间的不平衡作用。

在自然条件下，流域内的气候、植被、径流和产沙存在着一个稳定的关系，使流域的来沙及下游河道的演变相对稳定。 正因为如此，河床演变实际上是一个不断反馈的过程，是一个趋向性的问题： 现有自然条件→改变输沙能力→导致河流边界变化→本体自然条件的改变。 河流演变反馈过程如图1 所示。

图1 河流演变反馈过程

我们所关注的是如何影响水沙相互作用这一环，也就是改变调节水流输沙能力的因素。 自然因素包含气候、植被与土壤、地质与岩性、地貌形态，本文所探究的重点是针对地貌形态产生的影响做出合理改善。

从河道形态变化的方向上来分析在河道水流与河床边界相互作用下，河床在垂直和水平方向上的变形。 冲淤作用导致流程方向上河床高程的变化称纵向变形， 与水流垂直的水平方向的变形则称横向变形。 在一般情况下，这两种变形都是交织在一起的。 在文中我们更为关注后者。

因而，通过经验累积、实际观察以及理论分析，我们已经知道在相当长的一段时间内，河床会朝着某一方向发展变形，这种变形会导致河岸不稳定，尤其会影响人类的生存发展。本文就是介绍如何通过在河流边界即河岸护坡部位设置类闸门来使河流边界河岸护坡趋稳，并分析该方法的应用范围。

2 设计

2.1 总体设计思路

冲刷使水流的过水断面增大，流速减缓，水流的挟沙能力变小，冲刷能力逐渐降低；而淤积则使水流的过水断面减小，流速增大，水流的挟沙能力会相应地加强，淤积会渐渐停止。因此，我们想利用类闸门的方式通过控制水流流速来调节水沙平衡。

类闸门，顾名思义是将闸门的形态与功用运用到坡岸防护设计工作中去。如同闸门通过启闭变化控制水流参数的变化，我们可以通过类似闸门的防护挡板， 在水流流速不同的情况下调节挡板的位置，影响水流流速，调节输沙能力，减小对河流边界条件的影响。 这种情况主要针对重要河岸岸堤，以防堤岸周围的建筑物失稳或河岸发生崩岸等状况。

从水利的角度，我们所谓的河道管理主要包括河势检测控制、涉河建设项目管理、河道采砂管理、提防管理、防洪调度、防汛抢险。而我们所做的设计正是针对提防管理这块，其现存问题已在引言部分的成因分析中阐明，可知，具体在于水沙两相变化导致堤岸不稳，直接原因是：堤身单薄、断面不足；堤身填筑质量差；透水提基、散浸、管涌；生物破坏。 我们所提出的方案是针对前两者进行改善的基础上， 结合水沙运动情况从根源上缓解堤岸变化情况。

2.2 具体设计细节

以下我们以长江安徽段河道为例，分析其河道问题。 铜陵大桥下与芜湖大桥下河段近年左右岸具体变化情况见图2、3。

图2 铜陵大桥下长江安徽段河道近年左右岸变化

图3 芜湖大桥下长江安徽段河道近年左右岸变化

从图中可得知铜陵大桥下的河道左岸侵蚀严重， 右岸堆积；芜湖段则相反。 因此前者需要通过加固或其他方式保左岸，后者则需保右岸。

我们采取的方式除了加固堤身质量之外，主要是在需要保护的一侧堤岸处，使用堤岸材料、闸门工艺制作连续的挡板，连接处利用弹簧门原理。 流速较低时，挡板均在原位；当流速达到一定速度后可打开第一块挡板， 挡板之间又可产生连锁效应使所有挡板均打开；而当流速下降到标准及以下时，闸门又回复原位。

实验原理：（1）流速较小时，在原位的挡板可通过类似丁坝的作用防止河岸的冲刷；（2）流速较大时，通过改变影响挟沙能力的条件，如拓宽河道，减小流速，使携沙能力下降，从而减小冲刷，达到效果。 河岸护坡用类闸门方式趋稳的具体设计如图4 所示。

图4 河岸护坡用类闸门方式趋稳的具体设计

2.3 结果

理论上，用类闸门方式使这种河流边界的河岸护坡趋稳是可行的。

我们可通过两种参数来验证其具体效果。 其一，通过河床稳定系数（通过大量实验与经验研究得出，目前武水的公式流传较广）；其二，可通过造床流量能否维持一个定值来判断，造床流量与挟沙能量有直接关系，可以通过大量实验找到规律。

我们可以针对具体问题，获得上述参数，对运用该方法前后的数据结果进行比较，分析该方法是否优越，这也是我们在今后的工作中需要探究的方向。

该方法适用于：（1）河流从山谷进去平原区时流速极易改变的区域，通过横向稳定缓和纵向稳定，达到综合稳定，该区域也就是基础地形改变处；（2）蜿蜒河道，容易产生堆积与侵蚀的不对称河岸处。

3 结论

本设计目前尚处于雏形阶段，我们今后的工作还将有针对性地对某一个地区河段进行分析，确定挡板的材料，具体研究其连接处的设计和材料（防管涌）以及通过大量的数模与物模确定其开闸流速与时机。

目前我们所遇到的最重要问题：第一，针对不同的河道自然状况，其连接处的设置应有区别，如何解决这一问题；第二，流速较小时，闸门在原位起到丁坝作用，防止冲刷，而流速较大时，随着拓宽河道，降低流速，反而令丁坝作用消失，还需进一步实验得到改变水沙两相影响的主导因素。

[1][加]Dr.M.S.Yalin，P.Eng.River Mechanics[M].Dr.Wenhong Dai，P.Eng.

[2]张瑞瑾.河流泥沙动力学[M].水利水电出版社，1998.

[3]张肖.河道及水利工程管理实践中的一些问题与对策讲座，2014.

[4]戴文鸿.河流阻力与河床演变讲座，2010.

[5]唐洪武.专利申请介绍讲座，2014.

[6]http://baike.baidu.com/view/136498.htmfr=Aladdin.

[7]http://baike.baidu.com/view/3869048.htmfr=aladdin.