清水对河道逆行淤积物冲刷规律分析

刘建创

(山西鹏右水利规划设计有限公司，山西 临汾 041000)

山洪灾害是一种严重的自然灾害，在突降暴雨时，山丘区小流域因河道坡降大，易导致山洪爆发，水流挟带泥沙和石块对河道进行冲刷，导致河岸崩塌，山体滑坡，造成严重的洪水灾害。为防止洪水泥沙灾害的发生，学者们进行了多方面研究，庄杨等对基于泥沙动力学分析水利工程调度对改善河道淤积的影响进行了研究，结果表明：引清入城加速河水流动可有效改善河道淤积；付梁其等对主河道岸坡角和支流汇入量对泥沙冲淤的影响进行了研究，结果表明：岸坡角对泥沙淤积高度的影响大于对冲刷深度的影响；储维刃等对阿拉尔市拟建拦河闸闸前河道冲淤变化试验进行了研究，结果表明：汛期敞泄运用对于河道减淤、抑制累积性淤积起着关键作用；黄志文等对水位调控下分汊型河道淤积影响试验进行了研究，结果表明：受到闸上调控水位抬升的影响，河道演变趋势由冲转淤，淤积主要集中在深槽以及河道凸岸下游区域；张猛等对通惠河道淤积特性及防洪影响进行了分析，通过数值模型方法量化河道淤积对防洪的影响，提出基于河道防洪安全的清淤阈值；肖坤等对陡坡强输沙河道变坡点水位的试验进行了研究，结果表明：携带大量泥沙的情况下，快速落淤泥沙导致局部坡度变缓、流速降低、水位上升。

以上学者研究了河道淤积特性，分析了上游来水流量对河道冲淤的影响，本文参考以上学者的研究结论，通过模拟河道清水冲刷试验，对不同坡度条件下的河道逆行淤积物冲刷规律进行了研究，为防御河道洪水泥沙灾害提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次清水冲刷试验采用可变坡度玻璃水槽，该水槽的底部和两岸壁面均为玻璃面，以水槽变坡点为基准点，上游段长3.5m，下游段长4.5m，水槽宽度为30cm，深度为40m。在水槽沿程每隔20cm设置一条水位测量标尺，水槽上方架设高速摄像机，通过摄像机记录冲刷过程中水槽的淤积程度和水位变化。水槽进水口处设置了加沙机，试验过程中，可通过调整加沙机的过沙量确定水槽中加沙强度。由于河道地形、地质和衬砌材料为影响底坡坡度的重要因素，陡坡的坡度一般大于临界坡度，因此根据山区河道上陡下缓的实际环境，本次试验在水槽上游设置了3种坡度作为试验坡度，分别为3%、6%、9%。设置下游的纵比降恒定为1%。由于水流在进水口流入水槽和尾门处流出水槽时会产生较大的波动，为防止水流的波动对试验的精度造成影响，试验选取出水口以上6m作为试验段，水槽入口处采用薄壁堰进行流量控制，下游采用蓄水池存储流入的水流，试验结束后进行称重，记录数据。

为保证试验精度，试验前用微小水流对试验用沙进行清洗，同时调整加沙机的强度，设置强度范围为0～0.6kg/s。根据实验情况，保证实验区域光线充足，确保实验过程录制清晰。

1.2 试验方法

根据试验要求，选择不同的因素作为试验条件，试验结束后对试验结果进行对比。试验设置了3种不同的上游来水流量，分别为3.2、3.6、4.8L/s，设置3种不同的加沙强度，分别为0.06、0.12、0.2。设置3种不同的泥沙粒径，分别为0.8、1.6、2.4mm。根据以上设置进行试验，模拟洪水过后，河道来水沙量减小，含沙浓度降低而被来流冲刷的现象，对沿程不同断面处的水流特性进行研究。水流挟泥沙在河道中运行，泥沙逆行在河道中淤积发展到加沙断面附近后，进水口处停止加沙，即上游来水含沙量为零，试验采用清水冲刷河床。

2 试验结果与分析

2.1 加沙条件下河道淤积过程

水流未加入泥沙的情况下，当水流从进水口流入水槽，在水槽变坡附过略有流动处，其余试验段水流趋于匀速流动。下游段在1%纵比降条件下，水深虽较上游水深大，由于水流的壅水效果，水流无法向上游流动。当水流中加入较小的泥沙时，在水流的挟沙作用下，泥沙被水流带走，从下游出口流出，不会产生淤积现象。当增大加沙强度时，在泥沙增加到一定强度时，加入的泥沙的水流挟沙作用下，在上游段可稳定输移，但经过下游段时，由于河床比降较小，水流流速减小，导致水流挟沙能力减弱，因此在水流流动过程中，有部分泥沙沉于河床。而泥沙的淤积增大了河床的阻力，导致水位升高，在水位升高的同时，河道的纵比降减小，水流局部壅水作用下，河床淤积处的水流动力进一步减小，水流中的泥沙无法全部进入下游出口，均停留在河床淤积处。上游的水流挟带泥沙流经该河段时，泥沙继续在此河床范围内淤积，并且淤积锋面逐渐向上传播，当泥沙淤积发展到加沙口附近时，输沙达到平衡。泥沙淤积厚度在坡度变换附近达到最大厚度，且上游段的淤积厚度大于下游段的厚度，由于河床的淤积，上游水流比降减小，下流比降变大，最终上游和下游比降达趋于一致，因此河床整体抬升，河道水位大幅度增加。

水深均匀的条件下，水流的深度是随着流量的增加而增大，同时断面水流的平均流速随之增大。在流量未发生变化条件下，当水流中加入泥沙时，在壅水作用下水流的深度逐渐增加，断面的平均流速因水流动力的降低而减小，其水深明显大于均匀水深条件下的正常水深，泥沙淤积范围也逐渐增大至上游加沙口。在进行清水冲刷试验时，当淤积范围在加沙口附近时，停止加沙，并采用清水冲刷河床。

上游来水为清水时，水深较小，水流在河床淤积位置前峰处，受到淤积泥沙的阻力作用和河床淤积后水流比降的影响，水流在该部位产生明显的水跃现象。随着水流向出水口持续流动，越靠近上游坡度变换位置，水跃现象越明显，水流达到变坡点时，水跃高度达到最大。当水流冲刷到达下游中部时，由于该淤积河段泥沙厚度较小，沿程河床淤积泥沙被水流逐渐带走，因此水跃高度逐渐减小。

2.2 清水冲刷水深变化规律

清水冲刷过程中，上游来水在淤积前锋处的动力变缓，该部位比降随之变缓，水流形成水跃导致水位快带上升，由于清水中含沙量为零，在水流作用下，沿程将带动部分泥沙输移到下游出水口，下游河床淤积厚度逐渐减少，水跃高度逐渐降低。

清水冲刷试验结束后，根据试验数据，在来水流量3.2L/s、加沙强度0.12kg/s条件下，不同泥沙粒径时的水深变化如图1所示。

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图1 不同泥沙粒径条件下水深变化

由图1(a)可知，在相同来水流量和加沙强度条件下，当泥沙料径为1.6mm时，随着平距的增大，水深均先增大再减小。在平距小于4.5m时，淤积条件下水深明显大于冲刷条件下的水深，因泥沙在河道底面形成稳定的淤积床面，泥沙的淤积增大了河床的阻力，导致水位升高。水流冲刷时，在水流作用下带走部分泥沙，泥沙厚度减小，相较于淤积下的水深，冲刷下的水深相对较小。当平距为4.5m时，淤积条件和冲刷条件下的水深均达到最大值，最大值分别为7.68、7.22cm。当平距大于4.5m时，冲刷条件和淤积条件下的水深均减小，且淤积条件下水深减小速度较快，当平距大于5m时，淤积下的水深小于冲刷下的水深。在水流为清水时，水流在河道为匀速流动，随着平距的增大，水深呈线性小幅度减小。

由图1(b)所示，相同来水流量和加沙强度条件下，当泥沙粒径为2.4mm时，随着平距的增大，水深均先增大再减小。在平距小于1.5m时，冲刷条件下的水深大于淤积条件下的水深，在平距为1.5～4.2m河段，淤积条件下的水深大于冲刷条件下的水深。当平距小于4.2m时，冲刷条件下的水深大于淤积条件下的水深，当平距为4.5m时，淤积条件和冲刷条件下的水深均达到最大值，最大值分别为7.52、8.32cm。

由图1可知，相同来水流量和加沙强度条件下，平距为4.5m时，即在坡度变换点位置，冲刷条件和淤积条件下的水深均达到最大值。当平距大于4.5m时，两种条件下的水深均明显减小，且泥沙粒径较大的冲刷水深明显大于粒径小的冲刷水深。泥沙粒径越大，对水流的阻力越大，水流需要更强的挟沙能力才能带动泥沙往下游出口。

根据试验数据，在来水流量3.8L/s、加沙强度0.2kg/s条件下，泥沙粒径为1.6mm时的水深变化如图2所示。

图2 泥沙粒径1.6mm时水深变化

由图2可知，来水流量3.8L/s、加沙强度0.2kg/s条件下，当泥沙粒径为1.6mm时，随着平距的增大，水深均先增大再减小。当平距小于1m时，冲刷条件下的水深大于淤积条件下的水深，当平距在1～4.8m时，淤积下的水深大于冲刷下的水深，在平距为4.5m时，淤积条件和冲刷条件下的水深均达到最大值，最大值分别为8.63、8.19cm。当平距大于4.8m时，冲刷条件下的水深大于淤积条件下的水深。

2.3 清水冲刷速度变化规律

清水冲刷试验结束后，根据试验数据，在相同来水流量和加沙强度条件下，不同坡度和不同泥沙粒径时的清水冲刷速度如图3所示。

图3 不同坡度和泥沙粒径时清水冲刷速度

由图3可知，相同来水流量和加沙强度条件下，随着平距的增大，清水冲速度均先增大再减小。泥沙粒径相同时，坡度越大，水流流速越大，其挟沙能越强，水流冲刷时间越少。坡度相同时，泥沙粒径越小，在水流中输移越快，水流冲刷时间越少。当平距小于4m时，水流流速均缓慢增大，当平距在4～4.2m河段，水流流速均快速增大，当平距为4.2时，水流流速最大，当平距在4.2～4.4m河段，水流流速均快速减小，当平距大于4.4m时，水流流速减小速度逐渐缓慢。

图4 不同加沙强度时清水冲刷速度

由图4可知，相同来水流量、坡度和泥沙粒径条件下，随着平距的增大，水流流速先增大再减小。当加沙强度较大时，河床淤积发展迅速，但初始淤积厚度较小，冲刷所需时间较少。当加沙强度较小时，河床淤积发展缓慢，但淤积范围较大，泥沙在水流作用下存在较强的分选粗化，增大了河床的阻力，水流冲刷作用在上游段淤积锋面上，水流流速变缓，挟沙能力减弱，难以带走下游段的淤积，故冲刷时间较长。

根据试验数据，在相同坡度和加沙强度条件下，不同来水流量和泥沙粒径时的清水冲刷速度如图5所示。

图5 不同来水流量和泥沙粒径时清水冲刷速度

由图5可知，在相同坡度和加沙强度条件下，随着平距的增大，清水冲速度均先增大再减小。泥沙粒径相同时，流量越大，水流流速越大，挟沙能力越强，冲刷时间越少。流量相同时，泥沙粒径越小，泥沙在水流中运行越快，水流冲刷时间越少。

3 结语

本文通过模拟河道清水冲刷试验，对不同坡度条件下的河道逆行淤积物冲刷规律进行研究，得到如下结论。

(1)河道水流含少量泥沙时，不会发生淤积现象，水流含沙量达到临界点时，河道出现逆行淤积现象，若减少泥沙补给强度，河床上淤积的泥沙随着水流的冲刷逐渐流至下游。

(2)来水流量和加沙强度较小时，坡度变换点位置上游段淤积水深最大，下游段冲刷水深最大。来水流量和加沙强度较大时，冲刷水深和淤积水深增大。河道坡度大，泥沙粒径小，水流冲刷时间少。加沙强度较大时，冲刷所需时间较少，流量越大，冲刷时间越少。

(3)河道淤积规律与河道护岸形式等多因素有关，研究结论应用于河道清淤治理时，应结合实际情况进行综合确定。