漫灘流量對(duì)河床演變及防洪航運(yùn)的影響研究

李雅琪，劉善均，于子健

(四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

流域特有的自然特征決定著流域內(nèi)的水系形態(tài)及產(chǎn)流產(chǎn)沙條件。流域內(nèi)部水流與河床互相作用構(gòu)成一個(gè)矛盾的統(tǒng)一體[1]。Gilbert是第一位利用水槽研究泥沙運(yùn)動(dòng)的泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)奠基人，開啟了泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律與河床演變研究，開創(chuàng)性地提出泥沙運(yùn)動(dòng)造成了河床演變[2]。河床演變即當(dāng)來沙量低于或超過水流挾沙能力,河床產(chǎn)生沖刷或淤積，導(dǎo)致的河床形態(tài)變化。目前，國內(nèi)外科學(xué)家針對(duì)單一河槽內(nèi)的泥沙輸移特性變化及河床演變過程等開展了大量研究，但當(dāng)洪水溢出河道，形成復(fù)式河道后，水流的原始水力特性改變，水流流速及含沙量均存在橫向梯度，橫向運(yùn)輸導(dǎo)致主河槽輸水輸沙能力下降，灘地輸水輸沙能力增強(qiáng)，使輸沙能力變化幅度更大。而且，由于主槽水深大、流速高，灘地水深淺流速低，兩部分水力特性相差較大的水流在灘槽交界面處會(huì)發(fā)生劇烈的動(dòng)量交換，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量二次流漩渦，使之前的部分研究結(jié)果不再適用于復(fù)式河道[3-6]。由于復(fù)式河道水力特性復(fù)雜，近20 a來人們才開始相關(guān)研究。吉祖穩(wěn)等[7-9]根據(jù)漫灘水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)將復(fù)式斷面分區(qū)，同時(shí)給出各區(qū)寬度經(jīng)驗(yàn)公式、流速垂線分布規(guī)律等，獲得了水沙橫向擴(kuò)散表達(dá)式、解析解, 為復(fù)式河道水沙運(yùn)動(dòng)的數(shù)值求解做出貢獻(xiàn)，并通過試驗(yàn)得到灘槽交互區(qū)內(nèi)主槽流速垂線分布的最大值點(diǎn)下移的結(jié)論。張明武等在前人研究的基礎(chǔ)上探討了彎曲復(fù)式河槽斷面流速和挾沙力的橫向分布規(guī)律[10]。在復(fù)式河道流量計(jì)算方面，可使用Eq.和ANN模型進(jìn)行計(jì)算與估計(jì)，同時(shí)M.F.Lambert等提供了有足夠精度的復(fù)式河道流量及剪切力計(jì)算式[11-12]。

然而，天然復(fù)式河道的邊界均為動(dòng)床，前人研究結(jié)果多是建立在主槽為動(dòng)床、主槽邊界及灘地為定床的假設(shè)上，在建模過程中對(duì)邊界條件有所簡(jiǎn)化，考慮因素較為單一。近幾年，由于極端天氣的出現(xiàn)且頻率不斷加大，如由特大暴雨、洪水，導(dǎo)致河道水位迅猛上漲后又迅速回落，亦或是攜帶大量固體顆粒，導(dǎo)致流域短時(shí)間內(nèi)泥沙通量迅猛上漲產(chǎn)生強(qiáng)大破壞力的泥石流[13-15]，類似災(zāi)害愈發(fā)頻繁，河床演變愈發(fā)劇烈。由簡(jiǎn)化模型總結(jié)出的求解算法較粗糙，引入誤差較大，得出的結(jié)論不夠精確、可靠。河床演變包括河道主槽位置不斷擺動(dòng)、河床高程上下浮動(dòng)以及河流展寬等，通過影響水流流量、流速及流態(tài)，阻隔、擾動(dòng)甚至破壞河流泥沙通量，威脅各類水利工程的安全，影響航運(yùn)等人類活動(dòng)。此外，對(duì)于不同水流沖淤條件下山區(qū)河流河床形態(tài)劇烈調(diào)整估計(jì)不足，而未能采取相應(yīng)預(yù)防、治理措施，也可能導(dǎo)致自然災(zāi)害造成巨大的災(zāi)害損失和人員傷亡。雖然沖積性河流水沙變化具有不斷走向動(dòng)態(tài)平衡的傾向性，但如今災(zāi)害發(fā)生頻率不斷增大，間隔周期有小于河流水沙動(dòng)態(tài)恢復(fù)平衡期的傾向。本文基于主槽及灘地均為動(dòng)床的水槽模型，通過試驗(yàn)分析，從不同流量下產(chǎn)生的河床演變現(xiàn)象對(duì)于河道行洪及通航能力的影響方面入手，研究全動(dòng)床條件下流量變化導(dǎo)致的河床演變對(duì)于人類活動(dòng)的影響。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橹鞑垌樦钡木匦螐?fù)式河槽，包括長12 m的上游段，長11 m的展寬段及長3 m的下游段，全長26 m。主槽和灘地均設(shè)置為動(dòng)床，比降3‰，灘地在主槽左右岸分別展開2.1 m。模型首部設(shè)有調(diào)節(jié)閥和靜水池以控制和穩(wěn)定水流。上游來流為清水，水流流經(jīng)矩形薄壁堰出靜水池，經(jīng)兩級(jí)消力池和磚石消能構(gòu)造及長1 m、粒徑為2 cm的卵石層消能后，平穩(wěn)進(jìn)入模型主槽上游。模型末端是自由跌坎及沉沙池。展寬段每隔1 m設(shè)置一個(gè)觀測(cè)斷面，記為CS1，CS2，……，CS10。模型尺寸及平面布置如圖1所示。為了更精確地模擬沖積平原，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿裁驿伾?，主槽及灘地鋪沙厚度均?0 cm，灘地鋪沙后的平面與主槽邊緣相齊平，主槽鋪沙平面低于邊緣5 cm留作過流輸沙空間。鋪沙段上游鋪以長1 m的卵石段以防上游鋪沙被過度沖刷，下游則有相當(dāng)于鋪沙厚度的矩形堰墻擋沙。在鋪沙過程中，由于人工找平較難實(shí)現(xiàn)，所以主槽左右岸鋪沙不對(duì)稱且左岸中部所鋪沙層的厚度略大于兩端。試驗(yàn)中水位由LH-1水位儀測(cè)得，水位儀按從上游至下游的順序，依次命名為1，2，3號(hào)和4號(hào)水位儀，分別位于CS1、CS2、CS6、CS8，每隔2 s測(cè)量一次，測(cè)量水沙二相流運(yùn)動(dòng)過程中主槽及灘地橫斷面的水深。NiKon全站儀分別架設(shè)在展寬斷面上游2～3 m及收縮斷面下游2～3m處。由于展寬斷面及收縮斷面一定范圍內(nèi)水流流動(dòng)紊亂，本次試驗(yàn)選取CS2、CS6及CS8為典型斷面。

圖1 模型尺寸及平面布置示意(單位：m)Fig.1 Model size and layout

本次試驗(yàn)共設(shè)置8個(gè)工況，流量分別為Q1=22 L/s(試驗(yàn)平灘流量)，Q2=28 L/s，Q3=30 L/s，Q4=32 L/s，Q5=36 L/s，Q6=40 L/s，Q7=45 L/s，Q8=22 L/s(在第6工況處理后形成的河床上進(jìn)行試驗(yàn))。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

造床流量采用平灘流量。經(jīng)過試驗(yàn)，適用于該模型的平灘流量為22 L/s。河道通航能力指標(biāo)主要包括航道許可流速、航深、航道寬度、航道轉(zhuǎn)彎半徑等。航深是判斷河道通航能力的重要指標(biāo)，本次試驗(yàn)在暫不考慮水流流速及航道寬度的基礎(chǔ)上，分析不同流量對(duì)于河床的沖刷航深，比較各工況下河道通航能力。航深采用設(shè)計(jì)最低航行水位至航道底最淺處的水深，試驗(yàn)中的設(shè)計(jì)最低航行水位取試驗(yàn)過程中的水面高程。

水流進(jìn)入展寬段后，流態(tài)變化較大，河床斷面形態(tài)也因此發(fā)生較大變化。因此，試驗(yàn)主要分析水流進(jìn)入展寬段后的斷面形態(tài)。

2.1 單沖刷處理

2.1.1單沖刷條件下河床斷面形態(tài)變化

試驗(yàn)平灘流量Q=22 L/s，因此在工況一條件下，河床被沖刷。在CS2斷面處，當(dāng)Q<36 L/s時(shí)，河床被沖刷；當(dāng)Q=36 L/s時(shí)，床面被沖刷但主槽兩邊泥沙開始淤積；當(dāng)Q>36 L/s時(shí)，泥沙在主槽全范圍淤積，且隨著流量的增大，淤積作用越明顯。試驗(yàn)后斷面形態(tài)較原河床對(duì)比示于圖2。

圖2 CS2斷面處各工況處理后河床高程同原始河床對(duì)比Fig.2 Comparison of riverbed elevation between original condition and treated by various working conditions in CS2

在CS6斷面處，各工況條件下，河床淤積，同時(shí)隨著流量的增加，泥沙淤積厚度增大。試驗(yàn)后斷面形態(tài)較原河床對(duì)比示于圖3。

圖3 CS6斷面處各工況處理后河床高程同原始河床對(duì)比Fig.3 Comparison of riverbed elevation between original conditon and treated by various working conditions in CS6

在CS8斷面處，Q2=28 L/s時(shí)上游來沙量同水流攜帶走的泥沙量相等，此條件下河床高程值同原始高程值幾乎相等；Q>28 L/s時(shí)，主槽泥沙淤積，且淤積厚度隨流量增大而增加，但Q7=45 L/s時(shí)，由于漩渦的發(fā)展，主槽邊緣出現(xiàn)了凹槽。試驗(yàn)后斷面形態(tài)較原河床對(duì)比示于圖4。

圖4 CS8斷面處各工況處理后河床高程同原始河床對(duì)比Fig.4 Comparison of riverbed elevation between original condition and treated by various working conditions in CS8

各工況處理下，3個(gè)典型斷面處河床沖淤的情況如表1所列。

表1 各工況處理下典型斷面河床沖淤情況Tab.1 Scouring and silting of riverbed in typical section under various working conditions

在普通河道中，其他條件一定時(shí)，多表現(xiàn)為流量越大造床作用越強(qiáng)。但由圖2～4可得：復(fù)式河道內(nèi)，其他條件一定，在流量大于平灘流量一定范圍內(nèi)，流量越大，沖刷作用越弱，甚至當(dāng)流量增大到一定程度后，水流對(duì)于河床的作用已不再是沖刷而表現(xiàn)為淤積，與深槽漲沖落淤的傳統(tǒng)認(rèn)知相悖。分析原因或?yàn)椋涸趶?fù)式河道內(nèi)，流量超過平灘流量后，大量水流沖上灘地，灘地上相對(duì)水深增大，由于灘地的存在對(duì)于主槽水流產(chǎn)生了較大的阻力作用，主槽流速反而較漫灘前有所降低，因此對(duì)于主槽的造床作用也有一定程度的減弱。當(dāng)水流流速低于泥沙起動(dòng)流速時(shí)，泥沙在河床內(nèi)淤積，同時(shí)隨著淤積量增加，主槽內(nèi)水深變淺，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)于泥沙的起動(dòng)作用進(jìn)一步降低，河床淤積加重，水深變淺，往復(fù)循環(huán)。

2.1.2單沖刷條件下河道航深變化

航深與河床高程及水位有關(guān)，試驗(yàn)分析中比較航深應(yīng)將二者結(jié)合考慮，但試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，除尺寸突然變化導(dǎo)致水位大幅度壅高或降低的少數(shù)斷面外，多數(shù)斷面水位變化相較河床高程變化來說并不明顯。因此在收集了水位及河床高程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，多從河床沖淤情況入手分析航深變化。平灘流量Q1=22 L/s，該流量沖刷下河道通航條件不會(huì)發(fā)生太大的變化。

漫灘流量Q2=28 L/s，CS2處河床為沖刷，沖刷后航深較沖刷前增加0.008 m；CS6處河床高程沒有太大變化，該斷面處航深變化值為0 m；CS8處河床淤積，航深減小0.003 m。Q3=30 L/s時(shí)，CS2處水流表現(xiàn)為對(duì)河床的沖刷作用，航深增大0.019 m；在CS6及CS8處，河床淤積，航深分別降低0.022 m和0.009 m。Q4=32 L/s時(shí)，在CS2處河床沖刷，在CS6及CS8處河床淤積，過流處理后CS2處航深增加0.012 m，CS6處降低0.018 m，CS8處降低0.015 m。工況Q5=36 L/s、Q7=45 L/s水流處理后，河床均從第二斷面開始向下游全斷面淤積，航深較處理之前均減小。除Q6=40 L/s的CS2斷面處，各工況條件下水位相比于河床高程變化不大。在Q6=40 L/s工況下， CS2斷面水位壅高幅度較大，因此航深表現(xiàn)為增大。結(jié)合以上對(duì)比分析，各工況處理后航深值較試驗(yàn)前變化如表2所列。

表2 單沖刷處理?xiàng)l件下航深變化值Tab.2 Change in the depth of waterway under single flow condition

注：表中正值表示航深增加，負(fù)值表示航深降低。

由表2可見，綜合考慮水位及河床高程變化，航深隨河床沖淤情況變化基本表現(xiàn)為：河床被水流沖刷時(shí)，航深有所增大；當(dāng)河床由于水流作用產(chǎn)生淤積時(shí)，航深有所降低。但由于需要同時(shí)兼顧水位變化，考慮某些斷面尺寸突然變化區(qū)域，發(fā)生水位壅高現(xiàn)象，因此上述規(guī)律并不絕對(duì)。在復(fù)式河道中，一定流量變化范圍內(nèi)(排除在某些斷面尺寸突然變化的特殊斷面內(nèi)水位突然壅高或降低的現(xiàn)象)，航深隨流量的變化規(guī)律為：復(fù)式河道上中下游段，航深基本均表現(xiàn)為隨流量增大而降低。因此，漫灘流量下，從航深角度考慮復(fù)式河道通航能力，流量越大越不利于河道通航。這一規(guī)律與普通河道內(nèi)，流量越大水流對(duì)于河床沖刷作用越顯著，航深增加的基本規(guī)律相反。但究竟流量增大到何種程度才能夠克服邊灘阻力，使其流速大于泥沙起動(dòng)流速，重新沖刷河床，仍需做進(jìn)一步研究。

2.2 先淤后沖處理

自然界中，河床沖刷形態(tài)各異，單沖刷處理試驗(yàn)是研究河床演變的基礎(chǔ)，但并不代表自然界中河道沖刷特性表現(xiàn)為單沖刷。實(shí)際上，自然界中大部分河床受到水流作用后，表現(xiàn)為沖淤交替。例如，在特大洪水或暴雨經(jīng)過后，河道中水流流量會(huì)在一定時(shí)期內(nèi)恢復(fù)到原始水平。接下來的試驗(yàn)將研究大流量作用河床淤積后平灘流量對(duì)于河床的再造床作用及對(duì)河道行洪及通航能力的影響。

具體試驗(yàn)過程為：在第6組試驗(yàn)工況(Q6=40 L/s)下形成的沖淤床面形態(tài)上，先直接用一個(gè)很小的流量(Q=5 L/s)沖刷淤積形成的床面；然后，將流量增大至平灘流量(Q8=22 L/s)并不再改變，以此模擬特大洪水、泥石流等自然災(zāi)害爆發(fā)時(shí)河道內(nèi)流量變化情況。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)床面形態(tài)進(jìn)行分析，并與原始床面形態(tài)進(jìn)行比較，以分析較大流量進(jìn)入河道后，對(duì)于河道行洪能力及通航能力的影響。

2.2.1先淤后沖處理?xiàng)l件下床面形態(tài)變化

用平灘流量(Q=22 L/s)沖刷第6組試驗(yàn)工況(Q6=40 L/s)處理過后的河床，由于主槽河床為泥沙所淤積，水流會(huì)在進(jìn)入展寬斷面后，漫上灘地，形成漫灘水流。第6組試驗(yàn)工況(Q6=40 L/s)下床面沖淤情況為：床面在CS2斷面處起淤，往下游淤積高程增大，直到CS9斷面處淤積高程達(dá)到最大值0.05 m。接下來，淤積高程逐漸減小，在收縮斷面邊界處水流形成漩渦，沖刷河床產(chǎn)生0.09 m沖刷坑。而第8組試驗(yàn)工況水流(Q8=22 L/s)沖刷后，床面在CS4斷面起淤，從CS5斷面開始，主槽斷面分為左右兩部分，左半邊床面為泥沙所淤積，右半邊床面被沖刷。直到CS9斷面，河床又表現(xiàn)為被水流所沖刷。灘地床面形態(tài)較之前無明顯變化。

第8組工況下水流沖刷過程表現(xiàn)為：先沖刷主槽右側(cè)淤積的泥沙，形成一個(gè)很窄的凹槽，并從這個(gè)凹槽向左不斷侵蝕先前淤積的泥沙。最終，在平灘流量的沖刷下，河道束窄，并形成了新的灘地。

先淤后沖處理后的河床同原河床對(duì)比表現(xiàn)為：展寬段內(nèi)CS2斷面上游，床面泥沙高程較原河床沒有發(fā)生變化；在CS3斷面處有沖刷現(xiàn)象，從CS5斷面向下游到CS10斷面處，主槽內(nèi)床面形態(tài)分為兩部分：右半部分床面高程較原床面有所降低；左半部分的床面形態(tài)較原床面形態(tài)有淤積現(xiàn)象；從CS10斷面向下游至斷面收縮處的地形與原地形相比則有被沖刷現(xiàn)象，沖刷深度達(dá)0.06 m。灘地上床面形態(tài)與原地形相比，沒有發(fā)生較大變化。

2.2.2先淤后沖處理對(duì)河道行洪通航的影響

由于第6組試驗(yàn)工況下，淤積高程很大，所以當(dāng)用平灘流量沖刷其淤積地形時(shí)，水流進(jìn)入展寬段后，便已經(jīng)成為漫灘水流，導(dǎo)致床面形態(tài)重塑，進(jìn)而影響河道行洪及通航能力。從上述分析可知：CS2斷面處是第6組試驗(yàn)工況(Q6=40 L/s)下的泥沙沖淤平衡點(diǎn)，因此平灘流量的作用對(duì)河道行洪通航能力沒有明顯影響。

在CS6斷面處，Q8=22 L/s處理后床面分為了兩個(gè)部分，主槽左半部分較原始河床有所淤高，而右半部分床面高程較原始河床降低很多。同時(shí)，CS6斷面處實(shí)測(cè)水位值與灘地床面高程幾乎相等。因此可得，由漫灘流量淤積而成的地形在被平灘水流沖刷后，河床出現(xiàn)左淤右沖現(xiàn)象，沖刷河床高程在橫斷面約1/2處同原始河床高程相等，主槽航道為河床質(zhì)所束窄。圖5為第8組試驗(yàn)工況下CS6斷面處河床水位與原河床水位的比較情況。

圖5 第8組試驗(yàn)工況下CS6斷面處河床高程及水位與原河床水位比較Fig.5 The comparison of riverbed elevation and water level between original condition and treated in CS6 under the 8th condition

試驗(yàn)后，CS8斷面處床面高程較原始河床從左到右呈逐漸減低的坡面，沖刷河床高程在橫斷面約1/2處同原始河床高程相等，主槽航道為河床質(zhì)所束窄。圖6為第8組試驗(yàn)工況下CS8斷面處的河床水位與原河床水位的比較。

圖6 第8組試驗(yàn)工況下CS8斷面處河床高程及水位與原河床水位比較Fig.6 The comparison of riverbed elevation and water level between original condition and treated in CS8 under the 8th condition

綜上，有大流量通過時(shí)，河道主槽床面發(fā)生淤積，即使大流量通過后，上游來流量恢復(fù)到適用于原河床的平灘流量，水流也會(huì)溢出主槽、漫上灘地，形成漫灘水流，最終，在大小漫灘水流的連續(xù)作用下，河道中下游被束窄，明顯影響河道的行洪能力，從航深角度分析河道通航能力也有所減低。

3 結(jié) 論

本次研究在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上可以得出以下結(jié)論：

(1) 排除某些尺寸突變的斷面，復(fù)式河道中，當(dāng)來流量大于平灘流量一定范圍內(nèi)，航深基本表現(xiàn)為隨流量增大而降低。因此，從航深角度考慮河道通航能力，高于平灘流量一定范圍內(nèi)，流量越大越不利于河道通航。

(2) 大流量通過時(shí)，河道主槽床面被淤積，上游來流恢復(fù)到平灘流量，對(duì)于新形成的河道來說依舊是漫灘水流?；謴?fù)平灘流量作用后，主槽中下游河道寬度被束窄近一半，河道行洪能力大幅度降低，從航深角度分析，河道通航能力也有很大程度降低。

(3) 本次試驗(yàn)對(duì)于河床演變影響行洪和通航能力方面只進(jìn)行了理論分析，沒有進(jìn)一步推導(dǎo)出適用于設(shè)計(jì)參考的理論計(jì)算公式。因此，應(yīng)開展更深入的研究工作。