清水冲刷下顺直河道交错边滩演变过程试验研究

王 茜,卢金友,周银军,柴朝晖,黄 莉

(长江科学院 水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室,武汉 430010)

0 引 言

顺直型河道是自然河流中广泛存在的一种典型河型,如长江中下游的界牌河段、太平口河段、天星洲河段、东流河段等,两岸交错分布的边滩是顺直河道主要特征,其演变和发展过程一直是河流演变学研究的重要内容[1-5]。

关于顺直河道的相关研究先前主要集中在交错边滩的形成、演变特征及影响因素等方面[6-9],得到了一系列的成果,如交错边滩的形成和演变受流量、河道宽深比、局部干扰等的影响等,如钱红露等[10]发现顺直型河道的宽深比小于某一临界值(约12),将不会形成交错边滩。随着长江上游水库群的建设和运行,大量泥沙被拦截在水库内,下游河道近似清水冲刷,原有平衡被打破,朝着新的平衡方向发展,其演变过程出现了新特点。

针对此,学者们开展了大量的研究,研究主要集中在两个方面,第一个研究方面是分析水库建设前后典型顺直河段水沙输移、河床冲淤的变化及其影响,如夏军强等[11]结合实测资料和数值模拟结果分析了三峡水库下游典型顺直河道—界牌河段近期演变特性及其对航道条件的影响、卢金友和姚仕明[12]分析了长江中下游典型河段演变对上游水库群建设运行的响应、朱玉德等[13]分析了近年来新洲-九江河段顺直段边滩冲淤变化对航道的影响及其治理思路、刘慰等[14]研究了黄河小浪底水库蓄水后坝下游不同河型河道断面形态及河床变化情况,但此类研究一般针对某个具体河段,可加深对该河段的科学认识,但较难总结成普适性的规律。因此,第二个研究方面则是通过简化或概化的数学模型和室内试验研究水沙条件变化对顺直河道演变影响的一般性规律,如刘祥玉等[15]采用室内试验研究了顺直河道崩岸与水沙条件的关系,李觅[16]利用水槽试验研究了河道冲刷条件下边滩的形成过程,施骐等[17]通过试验分析了水沙条件对顺直河道交错边滩演变的影响,但目前对清水冲刷下交错边滩演变特征、上游边滩对下游边滩影响等的科学认识还存在一定的不足。

本文在统计长江中游典型边滩尺寸的基础上,通过塑造交错边滩组研究探讨了清水冲刷下顺直河道交错边滩演变过程及上游边滩组的影响。

1 试验材料和方法

1.1 试验设计

试验在40 m×2.4 m×1 m(长×宽×高)的水槽中进行,水槽主要由水泵、输水管道、试验水槽、集水池等组成,底部坡降为1‰。水槽进口布置有两道稳花墙稳定水流,采用自动水流控制系统控制进口流量,流量控制精度为0.5%,尾门采用水位测针控制出口水位,右岸导墙布设两道玻璃用于观测泥沙运动情况。

试验段长16 m,铺沙厚度为30 cm,以保证在最大流量下不会冲刷至水槽底面,铺沙后的床面比降与水槽底部比降相同。考虑到粉煤灰、塑料沙等材料不便于通过玻璃观测其运动情况,试验用沙采用天然非均匀沙,基于试验水流条件和张瑞瑾泥沙起动流速公式,反推得到沙样中值粒径为0.58 mm,级配如图1所示。基于长江中游典型河段顺直河道边滩尺寸(表1),通过缩放得到试验中边滩尺寸为:底部最大长度3.81 m、顶部最大长度2.72 m、底部最大宽度0.7 m、顶部最大宽度0.35 m、边滩高13 cm,相距最近的2个边滩沿水流方向间隔为4.06 m,边滩坡度取泥沙的水下休止角斜率(1∶2.5),试验平面布置如图2所示。

表1 长江中游典型河段顺直河道边滩尺寸统计Table 1 Sizes of typical bars along the straight channel in the midstream of Yangtze River

图1 试验用沙粒径级配曲线Fig.1 Grain size distribution curve of test sand

图2 试验平面布置Fig.2 Plane layout of flume experiment

1.2 试验方案及量测内容

本次试验设置5级流量(如表2所示),其中,M1对应枯水流量,M2、M3对应中水流量,M4对应平滩流量,M5对应洪水流量。试验主要测量参数包括水位、流速、地形。其中,水位通过布置在水槽周围的水位计测量;流速采用电磁流速仪测量,地形采用电阻式CY-I型电阻仪测量,设置16个测量断面(0#—16#断面,断面位置见图2),测量时间点为0、2、6、12、16、22、26、32、36、41 h。

表2 各组次流量与水深对应关系Table 2 Corresponding relation between discharge and water depth in each group

2 结果与讨论

2.1 典型断面流速分布

在边滩Ⅰ和边滩Ⅳ中部截取典型断面(2#和14#断面)分析各级流量下流速横向分布情况,如图3所示。

图3 典型断面流速分布Fig.3 Flow velocity distribution in typical sections

由图3可知,各流量下左、右岸附近最大流速分别位于边滩坡脚附近和边滩另一侧的主流位置,且小流量时左、右岸附近最大流速的差值相对较大(如Q=46.67、215 L/s时2#断面左、右最大流速差值分别约为0.018、0.01 m/s)。这主要是由于大流量下滩顶被淹没,断面类似于复式断面,与原断面相比,相同流量下,主槽流速大,河漫滩流速小,因此,左、右岸附近最大流速差值小,这与吴腾等[18]的研究结果相一致。此外,边滩Ⅰ左、右岸最大流速的差值相对下游边滩较小(如Q=215 L/s时,边滩Ⅰ、边滩Ⅳ两岸最大流速的差值分别为0.01、0.03 m/s)。

2.2 边滩演变过程

2.2.1 床面随时间的变化

在边滩Ⅰ和边滩Ⅲ中部截取典型断面(1#和9#断面),选取断面上的3个典型点(滩上、滩边和远滩,其中滩上、滩边和远滩点分别取距边滩所在一侧边壁0.2、0.8、1.6 m处)分析床面高程的变化。图4为1#和9#断面上3个典型点的高程随时间的变化过程(Q=215 L/s),从图4可知,无论哪个点,其高程随时间总体呈下降趋势,且初期下降速率快,河床经过长时间的冲刷后河床发生粗化,各点的冲淤幅度逐渐变小。

图4 典型断面和位置河床地形随时间变化过程Fig.4 Variation process of riverbed topography with time at typical sections and locations

不同位置的演变过程存在一定差异,滩上点及上游断面以冲刷为主,冲刷幅度最大(1#和9#断面分别达14.45、11.49 cm);滩边、远滩点及下游断面表现为冲淤交替变化,冲淤幅度较小,这主要与沙波运动和上游河床冲刷来沙的补充有关,与施骐等[17]得到的试验结果基本吻合。

2.2.2 床面纵向变化

以深泓线为指标分析床面纵向变化,图5为不同流量下深泓线纵向高程变化情况(Q=46.71、215 L/s,t=41 h)。由图5可知,河床总体呈冲刷态势,流量越大,冲深越大(流量为215 L/s的深泓平均冲深约是流量为46.71 L/s的2.1倍),此外,大流量下深泓纵向比降变缓,这与乐培九等[19]、张细兵等[20]的研究成果基本一致。

图5 不同流量下河床深泓线变化(t=41 h)Fig.5 Variation of thalweg of riverbed under different discharges (t=41 h)

2.2.3 典型横断面变化

选择进、出口处的0#、16#断面,边滩Ⅰ—边滩Ⅳ中部的2#、6#、10#、14#断面,边滩间的4#、8#、12#断面分析不同位置横断面变化,限于篇幅,图6给出了流量为215 L/s时部分断面的变化情况。

图6 典型断面形态随时间的变化(Q=215 L/s)Fig.6 Morphological changes of typical sections with time (Q=215 L/s)

(1)进口处0#断面在试验过程中以冲刷为主,但不同阶段的变化是有差别的。初期(0,2] h,由于床沙中含有大量极易被清水带走的细沙,断面以冲刷为主且冲刷幅度最大;中期(2,12] h,河床逐渐粗化,水流携沙能力急剧下降,同时,上游泥沙的补充使该阶段河床出现淤积,在边滩Ⅰ的影响下,断面右侧淤积幅度较大;后期(12,41] h,右侧滩地的冲淤基本稳定,断面左侧出现一定程度的冲刷,幅度在1.7 cm以内。

(2)出口处16#断面的变化主要受上游来沙的影响,初期(0,2] h断面左侧在上游边滩来沙补充作用下以淤积为主,最大淤高约5.8 cm,右侧则小幅度冲刷;中期(2,12] h,随着上游补充来沙的大幅减小,断面左侧冲刷,断面右侧则在边滩Ⅲ(左侧边滩)泥沙向下游输移的影响下呈现一定程度的淤积;后期(12,41] h,上游河床的来沙基本停止,除断面中部冲淤变化不大外,左右两侧均以冲刷为主,冲刷幅度约3.5 cm。

(3)2#、6#、10#和14#断面在试验过程中均以冲刷为主,但断面不同位置的变化有所不同。滩上以冲刷为主,且主要发生在前、中期(2,12] h,12 h后,边滩床沙逐渐粗化,冲刷基本停止。对于其他位置而言(滩边及远滩),基本则遵循冲刷—淤积—冲刷的变化规律,且这种规律自上游向下游越来越明显,如2#断面滩边以左(0,2] h平均冲深约3.5 cm、(2,12] h平均淤高约0.5 cm、(12,21] h平均冲深约0.7 cm;而10#断面,滩边以左(0,2] h平均冲深约4.0 cm,(2,12] h平均淤高约2.0 cm、(12,21] h平均冲深约1.8 cm。从断面的变化来看,前期(0,2] h冲刷速率最快,冲刷最大的位置一般在滩边,这与前文断面流速的研究结果基本吻合。

(4)4#、8#和12#断面的变化规律相似,主要表现为:初期(0,2] h,上游存在边滩的一侧表现出不同程度的淤积,主要原因是上游边滩的冲刷来沙,其它部位则表现出普遍冲刷。此后,先前淤积侧持续冲刷,其他部位则冲淤交替变化。

2.2.4 平面冲淤变化

图7为2个流量下床面冲淤变化图(Q=46.71、215 L/s)。由图7可知,流量为215 L/s时,河床整体上以冲刷为主,边滩所在位置的冲刷幅度较大,最大冲深达15 cm,其他位置的冲刷幅度在5 cm以内。河床淤积部位主要在4个边滩下游1 m范围内。通过对比初始地形和最终时刻地形发现,4个边滩均出现不同程度的下移,幅度在4 m以内,这与文献[6] 、文献[7] 、文献[9] 、文献[16] 等的结论基本一致。对于深泓线而言,其平面呈从上一滩头向下一个滩头摆动的态势,且摆动幅度随着河床的冲刷逐渐变小,最终趋于相对稳定,如图8所示。与大流量相比,流量为46.67 L/s时,河床冲刷幅度减少一半,但淤积幅度增加一倍。

图7 不同流量下河床冲淤变化Fig.7 Variation of riverbed deposition and erosion under different discharges

图8 深泓线平面变化(Q=215 L/s)Fig.8 Variation of thalweg where Q equals to 215 L/s

2.2.5 上游双边滩对下游异岸边滩的影响

长江中下游顺直河段的交错边滩多为成对出现,因此,以边滩 Ⅲ 和 Ⅳ 为下游异岸边滩组,设立有、无上游异岸边滩组(边滩 Ⅰ 和 Ⅱ )2组试验条件(Q=215 L/s),分析上游异岸边滩(下称“上游边滩”)对下游异岸边滩(下称“下游边滩”)的影响,图9为下游边滩组典型断面变化情况(9#、13#、10#、14#、11#、15#断面)。

图9 上游有、无边滩时典型断面形态变化(Q=215 L/s)Fig.9 Morphological changes of typical sections with or with no bars upstream(Q=215 L/s)

从图9可知,上游边滩的存在不会影响下游边滩断面发生冲淤的位置,但会加剧下游边滩的冲刷,对不同位置断面冲刷加剧的程度亦有所不同。对于边滩头部断面(9#和13#断面),上游边滩对下游边滩影响最大的为坡脚冲刷深度,增加冲深达4 cm,坡脚处坡度略微增大;对于边滩中部断面(10#和14#断面),上游边滩对下游边滩影响最大的位置为边坡坡脚;对于边滩尾部断面(11#和15#断面),两组对照条件下,边滩尾断面形态极为相似,但上游边滩存在对边滩Ⅲ边滩尾的影响明显大于边滩Ⅳ的。

3 结 论

(1)顺直型河道交错边滩在大流量工况下以冲刷为主,滩头附近冲刷最严重,边滩侧下游发生淤积,边滩整体向细长方向发展并向下游移动。

(2)河床横断面不同部位的冲淤变化有所不同。边滩侧以冲刷为主,且主要发生在前、中期;其它部位则呈冲刷—淤积—冲刷的变化规律,且这种规律自上游向下游越来越明显。

(3)上游边滩的存在会加剧下游边滩的冲刷,且对边滩坡脚影响最大。