水沙條件及河岸邊界條件對河型轉(zhuǎn)化影響的研究

康 葉，黃世俊，劉克浩，聶會沖

(河北工程大學 水電學院，河北 邯鄲 056000)

1 概 述

沖積河流自身的復雜性和外界環(huán)境的影響，增加了研究河型轉(zhuǎn)化的難度。到目前為止，對于河型轉(zhuǎn)化問題的研究還是沒有一個統(tǒng)一的結(jié)果。模型試驗是研究沖積河流河道演變的的重要方法之一，通過對河流縮小比例來模擬河流從而更清楚的發(fā)現(xiàn)河流的動態(tài)，而通過控制影響河道演變的各個因素比如河道的條件、來沙條件、河道比降、河道的邊界條件等因素從而發(fā)現(xiàn)不同的影響因子對于河道演變的影響。 Friedkin早在上世紀40年代就開始了室內(nèi)的物理模型試驗，來模擬彎曲型河流的形成和演變過程[1]。尹學良1965年通過物理模型試驗，對彎曲型河流的形成條件及河道演變規(guī)律進行了研究[2]。Schumm 和 Khan通過應用與尹學良類似的方法，也實現(xiàn)了彎曲型河流的模擬，而且發(fā)現(xiàn)比降的變化是影響彎曲型河流到游蕩型河流轉(zhuǎn)化的重要因素之一[3]。倪晉仁對沖擊河流河道不同邊界條件和來水來沙條件變化對河型變化的影響進行了實驗研究[4]。金德生根據(jù)地貌過程的影響設計了不同的實驗模型，來討論邊界條件和地貌條件對河型演變的影響[5]。張歐陽等研究了游蕩河河型在時空上的河道演變及影響特征[6]。陳立等利用概化水槽模型試驗，對河道流量、地形坡度、河床物質(zhì)組成等因素進行模型試驗來研究對河型演變的影響[7]。張紅武等都通過物理模型試驗進行了河型轉(zhuǎn)化試驗，并得到重要成果[8]。

2 試驗概況

2.1 試驗模型概況

本次模型試驗截取一段山區(qū)河流中的蜿蜒河段，然后根據(jù)試驗場地的大小來縮小模型比例。由于概化模型試驗的研究需求、供水條件、場地等的需要，模型布置在學校水利館的大廳內(nèi)。根據(jù)大廳內(nèi)的場地條件，模型的平面比尺λl=300，垂直比尺λh=500。模型布置見圖1，試驗模型的地形圖見圖2。

圖1 模型布置圖Fig.1 Model layout

圖2 模型地形圖Fig.2 Topographic map of the model

整個模型試驗段的長度共3 m，寬2 m，根據(jù)模型試驗段的長度及模型的彎曲程度的位置，把整個模型試驗段劃分為13個斷面。本次試驗的試驗段選擇為cs3，cs5，cs7和cs9，每個斷面的坐標詳見表1。

表1 斷面縱坐標布置Tab.1 Ordinate layout of section

2.2 試驗用沙

一般模型沙主要包括重質(zhì)沙、中質(zhì)沙和輕質(zhì)模型沙，重質(zhì)模型沙包括天然沙、粉煤灰和滑石粉，中質(zhì)模型沙有煤、木粉、合成塑料沙、核桃殼等，輕質(zhì)模型沙有塑料沙、木屑、瀝青木屑等。塑料沙也叫苯乙烯二乙烯苯，近年來己較廣泛用于推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙模型試驗 。塑料沙容重比天然沙小，化學性能穩(wěn)定、無毒、不溶于水、吸水、無黏性。但目前塑料沙試驗基本限于圓球的細顆粒泥沙模擬，粒徑較大的散粒體泥沙(砂礫石狀塑料沙)模擬較少。

考慮到河岸邊界條件對河型轉(zhuǎn)化的影響因素，本次試驗選擇塑料沙為模型試驗沙。因為塑料沙容重比天然沙小很多，而且沒有黏性，可動性大，用它作為河槽的床沙，河岸邊界的抗沖性會非常小，容易沖刷。一般來說，河流邊界條件比較弱時，加上水沙條件的變化會比較容易形成游蕩河道。

2.3 試驗工況

根據(jù)水流挾沙力計算公式，計算出原始河道的最大挾沙力：

經(jīng)計算，河道水流最大挾沙能力Spj=12 kg/m3。根據(jù)實際模型的大小和抗沖能力強弱等因素，設計水槽進水流量的大小，具體工況見表2。

表2 試驗工況Tab.2 Test conditions

3 試驗結(jié)果分析

3.1 河床地形變化分析

根據(jù)試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，畫出不同工況下河槽的斷面3，5，7，8，9在M1，M2，M3，M4共4個工況下的地形變化圖，見圖3-圖7。

圖3 3斷面地形變化圖Fig.3 3 Section terrain variation diagram

從圖3可以看出，河槽3斷面的地形在4個不同工況下變化比較明顯。在M2工況時，河槽在左右兩岸沖刷嚴重，河床高程在起點距為35-75之間淤積比較嚴重；在M3工況時，河槽主要在右岸沖刷，且沖刷的速率并沒有減小，而在河槽左岸處于淤積狀態(tài)，河槽寬度繼續(xù)逐漸加寬，而河床高程起點距為15-30(也就是河槽右岸)在是處于降低狀態(tài)，在37-75之間沖淤變化不明顯，在河槽左岸處于抬高狀態(tài)；在M4工況時，河槽整體處于淤積狀態(tài)且河槽兩岸淤積嚴重，出現(xiàn)了邊灘，河槽在起點距為60-75之間淤積明顯嚴重，使河槽分為40-70和75-90左右兩個流速集中區(qū)。

從圖4可以看出，在M2工況時，河槽5斷面和3斷面一樣在左右兩岸沖刷嚴重，河床高程在起點距為40-80之間淤積比較嚴重使河床高程整體抬高。在M3工況時，河槽繼續(xù)在左右兩岸沖刷，且沖刷的速率并沒有減小，而在河槽左岸處于淤積狀態(tài)，河槽寬度繼續(xù)逐漸加寬。在M4工況時，河床高程整體抬高，河槽寬度基本穩(wěn)定。

圖4 5斷面地形變化圖Fig.4 5 Section terrain variation diagram

圖5 7斷面地形變化圖Fig.5 Terrain variation of 7section

從圖5可以看出，在M2工況中，河槽7斷面在左岸起點距為80-100之間沖刷嚴重，在起點距40-80之間河槽處于淤積狀態(tài)，河床高程整體抬高。在M3工況時，河槽沖淤變化比較嚴重，河槽在左右岸起點距15-40和80-120之間沖刷比較嚴重，在60-80之間發(fā)生淤積，河槽整體偏河床右岸；在M4工況時，河槽河槽右岸20-60之間發(fā)生淤積，出現(xiàn)邊灘，河槽左岸在起點距120-140之間發(fā)生沖刷，河槽位置主要分為60-80和120-140兩個流速集中區(qū)之間。

從圖6可以看出，8斷面河槽地形變化比較明顯，在M2工況中，河槽起點距80-100之間也就是河槽右岸沖刷較嚴重，在40-80之間出現(xiàn)淤積，河床整體抬高。在M3工況時，河槽右岸在起點距15-40之間和左岸100-140之間發(fā)生嚴重沖刷，在40-188之間發(fā)生淤積，在160-180之間發(fā)生沖刷。河槽分為40-80和100-140之間兩個河槽。在M4工況時，在整體處于淤積狀態(tài)，河槽整體變寬，在起點距為100-140之間淤積比較嚴重，也就是M3工況時河道左岸河槽被淤積而滅亡，只剩余右岸河槽。

圖6 8斷面地形變化圖Fig.6 Terrain variation of 8 section

圖7 9斷面地形變化圖Fig.7 Terrain variation of 9 section

從圖7可以看出，9斷面河槽地形變化也比較復雜。在M2工況時，河槽整體抬高，河槽左右兩岸被沖刷，河槽寬度逐漸加寬。在M3工況時，河槽左右兩岸繼續(xù)被沖刷，河槽高程整體抬高，起點距100-120之間淤積嚴重形成心灘，把河槽分為左右兩個河槽。在M4工況下，河槽右岸在起點距為30-50之間淤積嚴重形成心灘，把河槽河槽分為20-40和40-140 兩個河槽，和M3工況時相比兩個河槽位置完全不一樣。

總的來看，斷面3，5，7，8，9在M1，M2，M3，M4共4個工況下河槽高程都是整體抬高，河槽寬度在M1和M2工況時都是在逐漸變寬，在M3和M4工況時，斷面7，8，9都出現(xiàn)兩個河槽，且河槽位置、河寬度很不穩(wěn)定，出現(xiàn)游蕩河型特征。

3.2 河道縱比降變化分析

河床的縱比降變化對河型轉(zhuǎn)化有著重要的影響。河道縱比降越大，越有利于寬淺型的游蕩型河流的發(fā)展。因為隨著河床縱比降的變大，從上游下來的水流的總能量越大，為了使河道重新達到平衡狀態(tài)，水流會展寬河道的河槽來增加濕周從而來增加阻力，這時河道是極不穩(wěn)定。相反的，河床縱比降變小則越有利于形成低能量的窄深型河流。還有就是地形構(gòu)造的抬升和沉降也將會影響整個河道沖刷和沉積區(qū)的分布情況，從而影響了沉積物供給情況，最后會導致河型發(fā)生轉(zhuǎn)化。根據(jù)試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，分別計算不同工況下河槽試驗段河床比降變化，見圖8。

圖8 河道縱比降變化圖Fig.8 Variation of longitudinal gradient of river channel

根據(jù)圖8可以看出，隨著工況和時間的變化，河床縱比降一直在逐漸呈上升，在M4工況時逐漸變得平穩(wěn)。這個試驗結(jié)果也解釋了在上節(jié)河床地形變化的結(jié)果，隨著流量的增大，河床地形在逐漸抬高，致使河床縱比降逐漸增大，導致河槽向著寬淺型的游蕩型河型發(fā)展。

4 結(jié) 論

從上述分析中可以發(fā)現(xiàn)，隨著在M1，M2，M3，M4共4個工況下流量的改變，河槽整體發(fā)生淤積，而且隨著流量的變大，河床整體的淤積量也在逐漸增長。隨著流量的變化，河槽的平面形態(tài)發(fā)生明顯變化，從實驗開始實施，河槽的寬度就是在逐漸變寬的狀態(tài)。因為隨著流量的變大，河槽的水流能量突然增大，導致河槽通過增加濕周和形成心灘的方式來減小水流能量，使河槽逐漸達到穩(wěn)定。在M3工況時，河槽的平面形態(tài)發(fā)生明顯變化，河槽中間形成大小不一的心灘導致河槽分為多個流速集中區(qū)。隨著時間的變化，由于河床沙質(zhì)的比重和黏性較小，導致心灘極不穩(wěn)定。隨著時間的變化，河槽沖於量變化極為明顯，在實驗過程中表現(xiàn)為河槽的位置和寬度變化明顯，河槽出現(xiàn)明顯的游蕩河型的特征。而且在整個實驗過程中，河槽的縱比降一直處于逐漸增大的趨勢，這也是河槽出現(xiàn)游蕩特性的重要因素。

總的來看，隨著流量的增大，河槽出現(xiàn)明顯的游蕩河型的特征。對于河岸邊界抗沖性較弱的蜿蜒河道來說，在大水大沙的水沙條件下，河道的比降逐漸增大，河型向著游蕩河型發(fā)展。