水沙条件及河岸边界条件对河型转化影响的研究

康 叶，黄世俊，刘克浩，聂会冲

(河北工程大学 水电学院，河北 邯郸 056000)

1 概 述

冲积河流自身的复杂性和外界环境的影响，增加了研究河型转化的难度。到目前为止，对于河型转化问题的研究还是没有一个统一的结果。模型试验是研究冲积河流河道演变的的重要方法之一，通过对河流缩小比例来模拟河流从而更清楚的发现河流的动态，而通过控制影响河道演变的各个因素比如河道的条件、来沙条件、河道比降、河道的边界条件等因素从而发现不同的影响因子对于河道演变的影响。 Friedkin早在上世纪40年代就开始了室内的物理模型试验，来模拟弯曲型河流的形成和演变过程[1]。尹学良1965年通过物理模型试验，对弯曲型河流的形成条件及河道演变规律进行了研究[2]。Schumm 和 Khan通过应用与尹学良类似的方法，也实现了弯曲型河流的模拟，而且发现比降的变化是影响弯曲型河流到游荡型河流转化的重要因素之一[3]。倪晋仁对冲击河流河道不同边界条件和来水来沙条件变化对河型变化的影响进行了实验研究[4]。金德生根据地貌过程的影响设计了不同的实验模型，来讨论边界条件和地貌条件对河型演变的影响[5]。张欧阳等研究了游荡河河型在时空上的河道演变及影响特征[6]。陈立等利用概化水槽模型试验，对河道流量、地形坡度、河床物质组成等因素进行模型试验来研究对河型演变的影响[7]。张红武等都通过物理模型试验进行了河型转化试验，并得到重要成果[8]。

2 试验概况

2.1 试验模型概况

本次模型试验截取一段山区河流中的蜿蜒河段，然后根据试验场地的大小来缩小模型比例。由于概化模型试验的研究需求、供水条件、场地等的需要，模型布置在学校水利馆的大厅内。根据大厅内的场地条件，模型的平面比尺λl=300，垂直比尺λh=500。模型布置见图1，试验模型的地形图见图2。

图1 模型布置图Fig.1 Model layout

图2 模型地形图Fig.2 Topographic map of the model

整个模型试验段的长度共3 m，宽2 m，根据模型试验段的长度及模型的弯曲程度的位置，把整个模型试验段划分为13个断面。本次试验的试验段选择为cs3，cs5，cs7和cs9，每个断面的坐标详见表1。

表1 断面纵坐标布置Tab.1 Ordinate layout of section

2.2 试验用沙

一般模型沙主要包括重质沙、中质沙和轻质模型沙，重质模型沙包括天然沙、粉煤灰和滑石粉，中质模型沙有煤、木粉、合成塑料沙、核桃壳等，轻质模型沙有塑料沙、木屑、沥青木屑等。塑料沙也叫苯乙烯二乙烯苯，近年来己较广泛用于推移质和悬移质泥沙模型试验 。塑料沙容重比天然沙小，化学性能稳定、无毒、不溶于水、吸水、无黏性。但目前塑料沙试验基本限于圆球的细颗粒泥沙模拟，粒径较大的散粒体泥沙(砂砾石状塑料沙)模拟较少。

考虑到河岸边界条件对河型转化的影响因素，本次试验选择塑料沙为模型试验沙。因为塑料沙容重比天然沙小很多，而且没有黏性，可动性大，用它作为河槽的床沙，河岸边界的抗冲性会非常小，容易冲刷。一般来说，河流边界条件比较弱时，加上水沙条件的变化会比较容易形成游荡河道。

2.3 试验工况

根据水流挟沙力计算公式，计算出原始河道的最大挟沙力：

经计算，河道水流最大挟沙能力Spj=12 kg/m3。根据实际模型的大小和抗冲能力强弱等因素，设计水槽进水流量的大小，具体工况见表2。

表2 试验工况Tab.2 Test conditions

3 试验结果分析

3.1 河床地形变化分析

根据试验结果数据，画出不同工况下河槽的断面3，5，7，8，9在M1，M2，M3，M4共4个工况下的地形变化图，见图3-图7。

图3 3断面地形变化图Fig.3 3 Section terrain variation diagram

从图3可以看出，河槽3断面的地形在4个不同工况下变化比较明显。在M2工况时，河槽在左右两岸冲刷严重，河床高程在起点距为35-75之间淤积比较严重；在M3工况时，河槽主要在右岸冲刷，且冲刷的速率并没有减小，而在河槽左岸处于淤积状态，河槽宽度继续逐渐加宽，而河床高程起点距为15-30(也就是河槽右岸)在是处于降低状态，在37-75之间冲淤变化不明显，在河槽左岸处于抬高状态；在M4工况时，河槽整体处于淤积状态且河槽两岸淤积严重，出现了边滩，河槽在起点距为60-75之间淤积明显严重，使河槽分为40-70和75-90左右两个流速集中区。

从图4可以看出，在M2工况时，河槽5断面和3断面一样在左右两岸冲刷严重，河床高程在起点距为40-80之间淤积比较严重使河床高程整体抬高。在M3工况时，河槽继续在左右两岸冲刷，且冲刷的速率并没有减小，而在河槽左岸处于淤积状态，河槽宽度继续逐渐加宽。在M4工况时，河床高程整体抬高，河槽宽度基本稳定。

图4 5断面地形变化图Fig.4 5 Section terrain variation diagram

图5 7断面地形变化图Fig.5 Terrain variation of 7section

从图5可以看出，在M2工况中，河槽7断面在左岸起点距为80-100之间冲刷严重，在起点距40-80之间河槽处于淤积状态，河床高程整体抬高。在M3工况时，河槽冲淤变化比较严重，河槽在左右岸起点距15-40和80-120之间冲刷比较严重，在60-80之间发生淤积，河槽整体偏河床右岸；在M4工况时，河槽河槽右岸20-60之间发生淤积，出现边滩，河槽左岸在起点距120-140之间发生冲刷，河槽位置主要分为60-80和120-140两个流速集中区之间。

从图6可以看出，8断面河槽地形变化比较明显，在M2工况中，河槽起点距80-100之间也就是河槽右岸冲刷较严重，在40-80之间出现淤积，河床整体抬高。在M3工况时，河槽右岸在起点距15-40之间和左岸100-140之间发生严重冲刷，在40-188之间发生淤积，在160-180之间发生冲刷。河槽分为40-80和100-140之间两个河槽。在M4工况时，在整体处于淤积状态，河槽整体变宽，在起点距为100-140之间淤积比较严重，也就是M3工况时河道左岸河槽被淤积而灭亡，只剩余右岸河槽。

图6 8断面地形变化图Fig.6 Terrain variation of 8 section

图7 9断面地形变化图Fig.7 Terrain variation of 9 section

从图7可以看出，9断面河槽地形变化也比较复杂。在M2工况时，河槽整体抬高，河槽左右两岸被冲刷，河槽宽度逐渐加宽。在M3工况时，河槽左右两岸继续被冲刷，河槽高程整体抬高，起点距100-120之间淤积严重形成心滩，把河槽分为左右两个河槽。在M4工况下，河槽右岸在起点距为30-50之间淤积严重形成心滩，把河槽河槽分为20-40和40-140 两个河槽，和M3工况时相比两个河槽位置完全不一样。

总的来看，断面3，5，7，8，9在M1，M2，M3，M4共4个工况下河槽高程都是整体抬高，河槽宽度在M1和M2工况时都是在逐渐变宽，在M3和M4工况时，断面7，8，9都出现两个河槽，且河槽位置、河宽度很不稳定，出现游荡河型特征。

3.2 河道纵比降变化分析

河床的纵比降变化对河型转化有着重要的影响。河道纵比降越大，越有利于宽浅型的游荡型河流的发展。因为随着河床纵比降的变大，从上游下来的水流的总能量越大，为了使河道重新达到平衡状态，水流会展宽河道的河槽来增加湿周从而来增加阻力，这时河道是极不稳定。相反的，河床纵比降变小则越有利于形成低能量的窄深型河流。还有就是地形构造的抬升和沉降也将会影响整个河道冲刷和沉积区的分布情况，从而影响了沉积物供给情况，最后会导致河型发生转化。根据试验结果数据，分别计算不同工况下河槽试验段河床比降变化，见图8。

图8 河道纵比降变化图Fig.8 Variation of longitudinal gradient of river channel

根据图8可以看出，随着工况和时间的变化，河床纵比降一直在逐渐呈上升，在M4工况时逐渐变得平稳。这个试验结果也解释了在上节河床地形变化的结果，随着流量的增大，河床地形在逐渐抬高，致使河床纵比降逐渐增大，导致河槽向着宽浅型的游荡型河型发展。

4 结 论

从上述分析中可以发现，随着在M1，M2，M3，M4共4个工况下流量的改变，河槽整体发生淤积，而且随着流量的变大，河床整体的淤积量也在逐渐增长。随着流量的变化，河槽的平面形态发生明显变化，从实验开始实施，河槽的宽度就是在逐渐变宽的状态。因为随着流量的变大，河槽的水流能量突然增大，导致河槽通过增加湿周和形成心滩的方式来减小水流能量，使河槽逐渐达到稳定。在M3工况时，河槽的平面形态发生明显变化，河槽中间形成大小不一的心滩导致河槽分为多个流速集中区。随着时间的变化，由于河床沙质的比重和黏性较小，导致心滩极不稳定。随着时间的变化，河槽冲於量变化极为明显，在实验过程中表现为河槽的位置和宽度变化明显，河槽出现明显的游荡河型的特征。而且在整个实验过程中，河槽的纵比降一直处于逐渐增大的趋势，这也是河槽出现游荡特性的重要因素。

总的来看，随着流量的增大，河槽出现明显的游荡河型的特征。对于河岸边界抗冲性较弱的蜿蜒河道来说，在大水大沙的水沙条件下，河道的比降逐渐增大，河型向着游荡河型发展。