長葉磧河段卵石推移質(zhì)輸移特性動(dòng)床模型試驗(yàn)研究

汪泓璋 寇寧宇

摘要：長葉磧水道是長江上游朝天門至涪陵河段4.5m 水深航道整治工程的重點(diǎn)灘段，河段卵石推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及灘段礙航特性復(fù)雜。本文針對(duì)長葉磧水道開展卵石輸移特性動(dòng)床物理模型試驗(yàn)，得到長葉磧河段卵石推移質(zhì)輸移規(guī)律和卵石輸移特性，測定卵石推移質(zhì)輸移速度，擬合適用于本河段的卵石輸移速度表達(dá)公式，為航道整治思路及整治方案的確定提供相關(guān)依據(jù)，也為其他類似卵石邊灘整治水道工程提供參考。

關(guān)鍵詞：長江上游;長葉磧河段;卵石輸移特性

中圖分類號(hào)：U611? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1006—7973（2022）03-0152-03

長葉磧水道位于長江上游朝天門至涪陵河段，航道里程為631～634km，目前水道航道等級(jí)為Ⅲ級(jí)，航道維護(hù)尺度為3.5m×150m×1000m（航深×航寬×彎曲半徑）?！笆濉逼陂g，長江上游朝涪段規(guī)劃達(dá)到4.5m×150m×1000m 的航道標(biāo)準(zhǔn)，但是長葉磧水道受長葉磧淺險(xiǎn)灘影響，通航條件較差，在自然條件下，不能滿足水深4.5m 的航道標(biāo)準(zhǔn)，亟需進(jìn)行整治。

長葉磧?yōu)閺澢佣瓮拱堵咽筮厼?，低水位期航道淺、窄，是川江著名淺灘[1]。長葉磧磧腦與磧翅伸展較開，束窄枯水河槽寬度，導(dǎo)致航槽寬度不足，航線彎曲。長葉磧處彎曲半徑較小，枯水期形成強(qiáng)掃彎水，船舶航行困難。長葉磧水道河勢圖見圖1。

在長江上游卵石灘整治中，整治后卵石的輸移十分重要，防止航道回淤是整治成功的關(guān)鍵，國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)此做了大量的研究工作。趙志舟[2-3]對(duì)長江上游急彎分汊河段和彎曲放寬河段的卵石淺險(xiǎn)灘航道整治方法進(jìn)行了詳細(xì)的研究，提出了可行的治理措施;對(duì)于長江上游卵石灘沙波運(yùn)動(dòng)明顯的特點(diǎn)，楊勝發(fā)等[4]提出卵石沙波淺灘整治技術(shù);李晶[5]通過動(dòng)床模型試驗(yàn)得到長江上游斗笠子河段卵石沙波形態(tài)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。楊成剛等[6]依據(jù)卵石推移質(zhì)原型觀測資料 ， 結(jié)合二維數(shù)學(xué)模型和卵石推移質(zhì)起動(dòng)公式 ， 分析了重慶主城區(qū)河段卵石推移質(zhì)輸移特性變化及走沙條件。

在通過定床水流與定床輸沙模型試驗(yàn)后最終確定了長葉磧航槽偏左的整治方案[7]。而卵石的回淤?zèng)Q定了整治后的航道穩(wěn)定性，為了研究長葉磧河段卵石輸移規(guī)律并提出合理的整治方案，開展長葉磧動(dòng)床物理模型試驗(yàn)十分必要。

1長葉磧動(dòng)床模型布置

1.1模擬范圍

（1）模型范圍。本文對(duì)長葉磧河道水沙、地形地貌等因素進(jìn)行綜合考慮后，選擇以下合適范圍進(jìn)行動(dòng)床物理模型試驗(yàn)：上游起點(diǎn)為搬針背（航道里程644.2km），下游終點(diǎn)為獅子石（航道里程629.5km），全長約為14.7km。為保證試驗(yàn)段的水流能夠充分調(diào)整，選擇銅鑼?shí){河段為模型進(jìn)口，此處河寬均勻，屬于順直峽谷河段，作為模型進(jìn)口條件較好。模型出口選取長葉磧整治工程下游2.5km 處的河段，為了確保模型尾水位與原型相似，此處河段模型高程需要根據(jù)實(shí)際地形進(jìn)行調(diào)整，尾水位通過魚嘴沱處水尺進(jìn)行控制[8]。模型范圍見圖2。

（2）鋪沙范圍。由于模型難以全部改造成動(dòng)床模型。因此，在經(jīng)過充分考慮后，對(duì)于無卵石覆蓋及輸移的河床與高邊灘保持原定床條件不變;選擇將大壩子至長葉磧尾全長約2.5km 的河段改造成動(dòng)床物理模型。為保證上游泥沙補(bǔ)給的充分性，在綜合考慮了該河道的河床組成與輸沙路徑后，選擇在上游進(jìn)口處進(jìn)行全斷面鋪沙。通過在動(dòng)床模型表層鋪設(shè)紅色模型沙，底層鋪設(shè)本色天然沙，從而更直觀的觀察研究泥沙輸移及河道沖刷特性，模型鋪沙范圍見圖3。

1.2動(dòng)床模型比尺

根據(jù)模型水沙運(yùn)動(dòng)相似條件[9]，長江上游長葉磧動(dòng)床河工模型比尺設(shè)計(jì)見表1。

1.3動(dòng)床模型流量水位控制條件

寸灘水文站至長葉磧河段的距離不足三十公里，之間無支流匯入，因此可根據(jù)寸灘站實(shí)測水文數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)工況的選取。各級(jí)流量及水位控制條件見下表2。

2長葉磧卵石輸移特性

2.1長葉磧邊灘航槽泥沙輸移情況

根據(jù)圖4分析可知，在中枯水時(shí)期，流量小，水流沖擊弱，河段卵石輸移十分困難。流量施放到整治流量9350m3/s 時(shí)，卵石向前輸移，在上游的航槽邊緣處形成了卵石輸移帶，局部也出現(xiàn)卵石輸移點(diǎn)，但可以觀察到卵石移動(dòng)速度十分緩慢，在此流量下輸沙帶只向前移動(dòng)了220m。

在施放20000m3/s 的流量時(shí)，在灘面處出現(xiàn)較多的卵石輸移現(xiàn)象，在長葉磧尾部河段，卵石輸移帶覆蓋了近整個(gè)航槽。

在施放35400m3/s 的流量時(shí)，卵石輸移帶明顯向上游發(fā)展，而且輸移寬度較原來增加了一倍達(dá)到400m 左右，但輸移帶向前輸移距離卻不足100m。

總而言之，可以發(fā)現(xiàn)長葉磧邊灘輸沙能力與流量成正比，流量小時(shí)，邊灘輸沙能力弱;流量大時(shí)，長葉磧?yōu)┟孑斏衬芰?qiáng)。此外，由于床面受斜流沖擊，長葉磧輸沙方向偏向于凹岸。

2.2長葉磧水道輸沙帶卵石輸移特性

在長葉磧動(dòng)床物理模型中，先后進(jìn)行了四組流量工況的卵石輸沙帶分布情況的動(dòng)床試驗(yàn)[10]。各組流量條件下的輸沙率根據(jù)寸灘站實(shí)測卵石輸沙率與長葉磧上游斷面實(shí)際輸沙能力進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。長葉磧水道卵石推移質(zhì)輸移帶分布特征試驗(yàn)條件如下表3所示。

通過圖5分析可知，在消落枯水時(shí)期，長葉磧輸沙帶主要沿長葉磧磧翅分布，范圍較窄，例如流量為6900m3/s 時(shí)，卵石輸沙帶寬度約為130-230m，主要分布在航槽右邊緣到長葉磧磧翅區(qū)域，泥沙主要淤積在彎道彎頂區(qū)域;流量施放增加至9350m3/s 時(shí)，輸沙范圍向?yàn)┟鏀U(kuò)寬約30m，并且在長葉磧尾部形成了一條狹長的輸沙帶;流量施放增加至13500m3/s，輸沙帶分布范圍與9350m3/s 時(shí)相差不大，但輸沙帶向左右拓寬，寬度明顯增加，且長葉磧尾部河段的航槽區(qū)域近乎被卵石輸沙帶覆蓋;流量施放增加至37100m3/s 時(shí)，可以觀察到，上游河段全部斷面基本被輸沙帶所覆蓋，河段彎道區(qū)域近乎整個(gè)灘面被輸沙帶涵蓋，輸沙帶寬度達(dá)550m。

2.3卵石推移速度公式擬合

根據(jù) Van Rijn，L.C 的自由系數(shù)與升力系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合表4的實(shí)測卵石推移速度記錄數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出如

下卵石推移速度表達(dá)公式：

（1）

（2）

（3）

其中：為卵石推移速度;為泥沙密度;為泥沙容重; T 為運(yùn)輸參數(shù); s 為比密度;為水流剪切力。

結(jié)合本次試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)得知，對(duì)長葉磧卵石推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度公式2進(jìn)行修正得：

（4）

3結(jié)論

長葉磧彎道凸岸流速較小，泥沙在此處淤積，凹岸流速較大，頂沖作用強(qiáng)，使彎道向下游不斷運(yùn)動(dòng)。長葉磧邊灘灘面輸沙能力與流量成正比，由于床面受斜流的沖擊，輸沙方向總體偏向凹岸。消落枯水時(shí)期輸沙帶范圍較窄，沿長葉磧磧翅分布，泥沙淤積主要在長葉磧彎頂區(qū)域;隨流量增大，輸沙能力增強(qiáng)，輸沙帶向左右拓展，汛期時(shí)上游輸沙帶基本覆蓋全斷面，彎道處幾乎布滿整個(gè)灘面。

長葉磧水道為長江上游朝天門至涪陵河段4.5米水深航道整治工程的一部分，水道水勢復(fù)雜，不良流態(tài)顯著。本文通過長葉磧河段動(dòng)床物理模型試驗(yàn)，得到長葉磧河段卵石推移質(zhì)輸移規(guī)律及輸移特性，測定卵石輸移速度，并擬合適用于本河段的卵石輸移速度表達(dá)公式，為長葉磧整治工程提供相關(guān)依據(jù)，也為其他卵石大邊灘彎曲水道整治工程提供參考。

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