基于泥沙起動(dòng)的長(zhǎng)江世業(yè)洲西南角河床沖淤研究

竇 臻 張?jiān)霭l(fā) 杭建國(guó)

（江蘇省鎮(zhèn)江市長(zhǎng)江河道管理處 江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

1 基本情況

1.1 河段概況

長(zhǎng)江鎮(zhèn)（江）揚(yáng)（州）河段位于江蘇省境內(nèi)，上承南京河段，下接揚(yáng)中河段，全長(zhǎng)73.7km，自上而下由儀征水道、世業(yè)洲汊道、六圩彎道、和暢洲汊道和大港彎道組成。世業(yè)洲汊道自泗源溝至瓜洲渡口，長(zhǎng)24.7km，右汊為主汊；左汊為支汊。西南角岸段位于世業(yè)洲頭右緣，全長(zhǎng)約4.6km。

1.2 基本水情

近三年除2010年外長(zhǎng)江來(lái)水總體不大。2008、2009、2010年長(zhǎng)江大通站最大流量 分 別 為 48600m3/s、45100m3/s和65700m3/s，鎮(zhèn)江站最高潮位分別為6.95m、6.80m和8.02m（吳淞高程），大通站流量達(dá)45000m3/s（鎮(zhèn)揚(yáng)河造床流量）以上天數(shù)分別為18天、1天和92天。

2 河床沖淤變化特征

2010年10月對(duì)西南角局部岸段（CS26～CS32）實(shí)施汛后監(jiān)測(cè)，并將測(cè)圖與2007、2006、2005年水下地形進(jìn)行平面和斷面套比分析（見(jiàn)圖1）。

套比表明，2005年以來(lái)已建護(hù)岸內(nèi)▽0m線后退1.5m～26m，岸坡刷深0.8m～7.5m；▽-5m線后退2m～31m，岸坡刷深1.6m～3.4m；已建護(hù)岸外側(cè)▽-10m深槽線向近岸推進(jìn)40m～50m。斷面上表現(xiàn)為深泓向近岸逼進(jìn)，河床底部變化不大。

總體而言，近期西南角河床變化不大。主要沖淤變化為：2007年10月至2010年10月間▽-10m以上岸坡沖刷明顯，一般沖深1m～7.5m，而▽-10m以下河床變化不大（見(jiàn)圖1）。分析沖刷主要為2010年汛期長(zhǎng)江較大來(lái)水較長(zhǎng)時(shí)間作用所致，但▽-10m以上岸坡沖刷、以下河床變化不大的斷面沖淤特征需進(jìn)一步分析原因。

3 沖淤特征形成原因分析

河床斷面形態(tài)的形成為水流和河床相互作用下產(chǎn)生的沖淤變形[1]，據(jù)此從泥沙起動(dòng)角度分析斷面沖淤特征形成原因。國(guó)內(nèi)外對(duì)泥沙起動(dòng)的相關(guān)研究[2-11]較多，但因問(wèn)題本身的復(fù)雜性，迄今泥沙起動(dòng)的判別標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題并未完全解決，因此各家從不同角度考慮形成了眾多泥沙起動(dòng)流速公式?；诤挝纳绲难芯縖8]考慮因素較全面且相關(guān)參數(shù)獲得容易、公式計(jì)算簡(jiǎn)便，因此選用其起動(dòng)流速上、下限公式進(jìn)行計(jì)算：

3.1 泥沙、水流及地形資料的選用

長(zhǎng)江為天然河流，床沙組成不均勻，但因平原地區(qū)沖積河流床沙粒配范圍較窄，主體部分粒徑差異很小，因此近似作為均勻沙。根據(jù)勘察資料[11]，近岸床沙代表粒徑選用中值粒徑d50=0.067mm、深泓部位選用d50=0.075mm，水深和流速選用2009年 5月、2010年 4月、2010年 8月世業(yè)洲世右斷面（位于西南角）水文測(cè)驗(yàn)資料，水下地形選用2010年10月測(cè)圖。

3.2 泥沙起動(dòng)與河床沖淤的關(guān)系

對(duì)3個(gè)年份的水文測(cè)驗(yàn)世右斷面3條典型垂線處床沙計(jì)算起動(dòng)流速（見(jiàn)表1），將2009年5月與2010年4月以及2010年4月與2010年8月實(shí)測(cè)世右水文測(cè)驗(yàn)斷面套比分析。

套比分析表明，世右斷面2009年5月至2010年4月間河床沖淤變化不大，沖淤幅度在1.0m以內(nèi)。2010年4月至2010年8月間，V6#垂線左側(cè)河床（▽-15m以上淺灘部位）表現(xiàn)為沖刷，刷深0.8m～1.9m，其右側(cè)河床（▽-15m以下深槽部位）表現(xiàn)為淤積，淤高1.5m～4.7m。

由表1看出，2009年5月、2010年4月兩次水文測(cè)驗(yàn)中實(shí)測(cè)V1、V6#、V7#三條代表垂線平均流速與計(jì)算的起動(dòng)流速上限VC上值相比大都相對(duì)較小（2010年4月實(shí)測(cè)V6#的Vm也僅比計(jì)算VC上值高出10%）。因此僅從床沙起動(dòng)角度分析，水流流速超過(guò)床沙起動(dòng)流速的幅度尚不夠明顯，因此在期間河床沖淤變化不大。

而2010年8月實(shí)測(cè)的V1#與V6#垂線平均流速超過(guò)計(jì)算的起動(dòng)流速VC上相對(duì)較多（分別達(dá)35%、17%），因此這兩條垂線間河床在2010年4月至8月間表現(xiàn)為較明顯的沖刷，而V7#（V1#至V8#間）實(shí)測(cè)垂線平均流速與床沙起動(dòng)流速VC上基本相當(dāng)（僅高5%），因此該區(qū)域深槽部位河床變化在此期間表現(xiàn)為淤積。

綜上，床沙起動(dòng)流速大小與水深、泥沙粒徑等具有密切關(guān)系。泥沙粒徑相同情況下，在一定時(shí)段內(nèi)，長(zhǎng)江來(lái)水量大，水流流速大于床沙起動(dòng)流速一定尺度時(shí)，則該時(shí)段內(nèi)河床通常表現(xiàn)為沖刷，反之河床表現(xiàn)為淤積或變化不大，因此可以說(shuō)河床斷面的沖淤形態(tài)與床沙起動(dòng)密切相關(guān)。

3.3 斷面沖淤特征驗(yàn)證分析

針對(duì)西南角岸段河床▽-10m以上沖刷明顯、以下變化不大的斷面沖淤特征，采用竇國(guó)仁的公式[10]

表1 世業(yè)洲右汊（世右）斷面河床泥沙起動(dòng)流速計(jì)算表

驗(yàn)證分析，計(jì)算世右斷面V1#垂線處河床在不同水深下的起動(dòng)流速（見(jiàn)表2），根據(jù)實(shí)測(cè)資料點(diǎn)繪起動(dòng)流速及實(shí)測(cè)垂線平均流速與水深的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖2）。

表2可見(jiàn)，世業(yè)洲右緣西南角▽-11.8m高程（汛期水深約15m～17m）以上河床，實(shí)測(cè)垂線平均流速（1.10m/s～1.17m/s）大于相應(yīng)部位的床沙起動(dòng)流速，而▽-11.8m以下河床隨著水深增加，床沙起動(dòng)所需流速也隨之增加，實(shí)測(cè)垂線平均流速（1.06m/s～1.09m/s）小于起動(dòng)流速。

圖2可見(jiàn)，世右斷面實(shí)測(cè)垂線平均流速與起動(dòng)流速線在水深16.5m左右（河床高程位于▽-11.8m左右）相交，交點(diǎn)左側(cè)實(shí)測(cè)垂線平均流速均高于床沙起動(dòng)流速，右側(cè)均低于起動(dòng)流速。相對(duì)而言，在相同水流條件下，該岸段大約▽-10m以上岸坡床沙更易起動(dòng)，即岸坡表現(xiàn)為沖刷后退，而▽-10m以下河床則因流速原因較少床沙起動(dòng)，即表現(xiàn)為沖淤變化不大，此乃2010年汛期該岸段河床斷面沖淤特征形成的主要原因。

表2 起動(dòng)流速與水深關(guān)系計(jì)算表

4 結(jié)論

(1)長(zhǎng)江汛期和枯水期流量存在一定變幅，水深和流速分布隨之發(fā)生變化，床沙起動(dòng)所需流速大小也相應(yīng)不同，導(dǎo)致同一河床部位在不同時(shí)期形成不同的沖淤狀態(tài)。同時(shí)同一斷面近岸和深泓處河床水深、流速分布不同，床沙粒徑也存在差異，則床沙起動(dòng)所需流速不同，導(dǎo)致同一時(shí)期同一斷面河床的不同部位發(fā)生不同的沖淤變化，如世業(yè)洲西南角岸段河床沖淤特征的形成。

（2）世業(yè)洲西南角岸段堤外江灘狹窄，▽-10m以上岸坡受沖使局部堤防外坡腳形成陡坎，對(duì)防汛安全不利，建議采取拋石護(hù)腳工程措施治理。陜西水利

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