清水沖刷下順直河道交錯邊灘演變過程試驗研究

王 茜,盧金友,周銀軍,柴朝暉,黃 莉

(長江科學院 水利部長江中下游河湖治理與防洪重點實驗室,武漢 430010)

0 引 言

順直型河道是自然河流中廣泛存在的一種典型河型,如長江中下游的界牌河段、太平口河段、天星洲河段、東流河段等,兩岸交錯分布的邊灘是順直河道主要特征,其演變和發展過程一直是河流演變學研究的重要內容[1-5]。

關于順直河道的相關研究先前主要集中在交錯邊灘的形成、演變特征及影響因素等方面[6-9],得到了一系列的成果,如交錯邊灘的形成和演變受流量、河道寬深比、局部干擾等的影響等,如錢紅露等[10]發現順直型河道的寬深比小于某一臨界值(約12),將不會形成交錯邊灘。隨著長江上游水庫群的建設和運行,大量泥沙被攔截在水庫內,下游河道近似清水沖刷,原有平衡被打破,朝著新的平衡方向發展,其演變過程出現了新特點。

針對此,學者們開展了大量的研究,研究主要集中在兩個方面,第一個研究方面是分析水庫建設前后典型順直河段水沙輸移、河床沖淤的變化及其影響,如夏軍強等[11]結合實測資料和數值模擬結果分析了三峽水庫下游典型順直河道—界牌河段近期演變特性及其對航道條件的影響、盧金友和姚仕明[12]分析了長江中下游典型河段演變對上游水庫群建設運行的響應、朱玉德等[13]分析了近年來新洲-九江河段順直段邊灘沖淤變化對航道的影響及其治理思路、劉慰等[14]研究了黃河小浪底水庫蓄水后壩下游不同河型河道斷面形態及河床變化情況,但此類研究一般針對某個具體河段,可加深對該河段的科學認識,但較難總結成普適性的規律。因此,第二個研究方面則是通過簡化或概化的數學模型和室內試驗研究水沙條件變化對順直河道演變影響的一般性規律,如劉祥玉等[15]采用室內試驗研究了順直河道崩岸與水沙條件的關系,李覓[16]利用水槽試驗研究了河道沖刷條件下邊灘的形成過程,施騏等[17]通過試驗分析了水沙條件對順直河道交錯邊灘演變的影響,但目前對清水沖刷下交錯邊灘演變特征、上游邊灘對下游邊灘影響等的科學認識還存在一定的不足。

本文在統計長江中游典型邊灘尺寸的基礎上,通過塑造交錯邊灘組研究探討了清水沖刷下順直河道交錯邊灘演變過程及上游邊灘組的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗設計

試驗在40 m×2.4 m×1 m(長×寬×高)的水槽中進行,水槽主要由水泵、輸水管道、試驗水槽、集水池等組成,底部坡降為1‰。水槽進口布置有兩道穩花墻穩定水流,采用自動水流控制系統控制進口流量,流量控制精度為0.5%,尾門采用水位測針控制出口水位,右岸導墻布設兩道玻璃用于觀測泥沙運動情況。

試驗段長16 m,鋪沙厚度為30 cm,以保證在最大流量下不會沖刷至水槽底面,鋪沙后的床面比降與水槽底部比降相同?？紤]到粉煤灰、塑料沙等材料不便于通過玻璃觀測其運動情況,試驗用沙采用天然非均勻沙,基于試驗水流條件和張瑞瑾泥沙起動流速公式,反推得到沙樣中值粒徑為0.58 mm,級配如圖1所示?；陂L江中游典型河段順直河道邊灘尺寸(表1),通過縮放得到試驗中邊灘尺寸為:底部最大長度3.81 m、頂部最大長度2.72 m、底部最大寬度0.7 m、頂部最大寬度0.35 m、邊灘高13 cm,相距最近的2個邊灘沿水流方向間隔為4.06 m,邊灘坡度取泥沙的水下休止角斜率(1∶2.5),試驗平面布置如圖2所示。

表1 長江中游典型河段順直河道邊灘尺寸統計Table 1 Sizes of typical bars along the straight channel in the midstream of Yangtze River

圖1 試驗用沙粒徑級配曲線Fig.1 Grain size distribution curve of test sand

圖2 試驗平面布置Fig.2 Plane layout of flume experiment

1.2 試驗方案及量測內容

本次試驗設置5級流量(如表2所示),其中,M1對應枯水流量,M2、M3對應中水流量,M4對應平灘流量,M5對應洪水流量。試驗主要測量參數包括水位、流速、地形。其中,水位通過布置在水槽周圍的水位計測量;流速采用電磁流速儀測量,地形采用電阻式CY-I型電阻儀測量,設置16個測量斷面(0#—16#斷面,斷面位置見圖2),測量時間點為0、2、6、12、16、22、26、32、36、41 h。

表2 各組次流量與水深對應關系Table 2 Corresponding relation between discharge and water depth in each group

2 結果與討論

2.1 典型斷面流速分布

在邊灘Ⅰ和邊灘Ⅳ中部截取典型斷面(2#和14#斷面)分析各級流量下流速橫向分布情況,如圖3所示。

圖3 典型斷面流速分布Fig.3 Flow velocity distribution in typical sections

由圖3可知,各流量下左、右岸附近最大流速分別位于邊灘坡腳附近和邊灘另一側的主流位置,且小流量時左、右岸附近最大流速的差值相對較大(如Q=46.67、215 L/s時2#斷面左、右最大流速差值分別約為0.018、0.01 m/s)。這主要是由于大流量下灘頂被淹沒,斷面類似于復式斷面,與原斷面相比,相同流量下,主槽流速大,河漫灘流速小,因此,左、右岸附近最大流速差值小,這與吳騰等[18]的研究結果相一致。此外,邊灘Ⅰ左、右岸最大流速的差值相對下游邊灘較小(如Q=215 L/s時,邊灘Ⅰ、邊灘Ⅳ兩岸最大流速的差值分別為0.01、0.03 m/s)。

2.2 邊灘演變過程

2.2.1 床面隨時間的變化

在邊灘Ⅰ和邊灘Ⅲ中部截取典型斷面(1#和9#斷面),選取斷面上的3個典型點(灘上、灘邊和遠灘,其中灘上、灘邊和遠灘點分別取距邊灘所在一側邊壁0.2、0.8、1.6 m處)分析床面高程的變化。圖4為1#和9#斷面上3個典型點的高程隨時間的變化過程(Q=215 L/s),從圖4可知,無論哪個點,其高程隨時間總體呈下降趨勢,且初期下降速率快,河床經過長時間的沖刷后河床發生粗化,各點的沖淤幅度逐漸變小。

圖4 典型斷面和位置河床地形隨時間變化過程Fig.4 Variation process of riverbed topography with time at typical sections and locations

不同位置的演變過程存在一定差異,灘上點及上游斷面以沖刷為主,沖刷幅度最大(1#和9#斷面分別達14.45、11.49 cm);灘邊、遠灘點及下游斷面表現為沖淤交替變化,沖淤幅度較小,這主要與沙波運動和上游河床沖刷來沙的補充有關,與施騏等[17]得到的試驗結果基本吻合。

2.2.2 床面縱向變化

以深泓線為指標分析床面縱向變化,圖5為不同流量下深泓線縱向高程變化情況(Q=46.71、215 L/s,t=41 h)。由圖5可知,河床總體呈沖刷態勢,流量越大,沖深越大(流量為215 L/s的深泓平均沖深約是流量為46.71 L/s的2.1倍),此外,大流量下深泓縱向比降變緩,這與樂培九等[19]、張細兵等[20]的研究成果基本一致。

圖5 不同流量下河床深泓線變化(t=41 h)Fig.5 Variation of thalweg of riverbed under different discharges (t=41 h)

2.2.3 典型橫斷面變化

選擇進、出口處的0#、16#斷面,邊灘Ⅰ—邊灘Ⅳ中部的2#、6#、10#、14#斷面,邊灘間的4#、8#、12#斷面分析不同位置橫斷面變化,限于篇幅,圖6給出了流量為215 L/s時部分斷面的變化情況。

圖6 典型斷面形態隨時間的變化(Q=215 L/s)Fig.6 Morphological changes of typical sections with time (Q=215 L/s)

(1)進口處0#斷面在試驗過程中以沖刷為主,但不同階段的變化是有差別的。初期(0,2] h,由于床沙中含有大量極易被清水帶走的細沙,斷面以沖刷為主且沖刷幅度最大;中期(2,12] h,河床逐漸粗化,水流攜沙能力急劇下降,同時,上游泥沙的補充使該階段河床出現淤積,在邊灘Ⅰ的影響下,斷面右側淤積幅度較大;后期(12,41] h,右側灘地的沖淤基本穩定,斷面左側出現一定程度的沖刷,幅度在1.7 cm以內。

(2)出口處16#斷面的變化主要受上游來沙的影響,初期(0,2] h斷面左側在上游邊灘來沙補充作用下以淤積為主,最大淤高約5.8 cm,右側則小幅度沖刷;中期(2,12] h,隨著上游補充來沙的大幅減小,斷面左側沖刷,斷面右側則在邊灘Ⅲ(左側邊灘)泥沙向下游輸移的影響下呈現一定程度的淤積;后期(12,41] h,上游河床的來沙基本停止,除斷面中部沖淤變化不大外,左右兩側均以沖刷為主,沖刷幅度約3.5 cm。

(3)2#、6#、10#和14#斷面在試驗過程中均以沖刷為主,但斷面不同位置的變化有所不同。灘上以沖刷為主,且主要發生在前、中期(2,12] h,12 h后,邊灘床沙逐漸粗化,沖刷基本停止。對于其他位置而言(灘邊及遠灘),基本則遵循沖刷—淤積—沖刷的變化規律,且這種規律自上游向下游越來越明顯,如2#斷面灘邊以左(0,2] h平均沖深約3.5 cm、(2,12] h平均淤高約0.5 cm、(12,21] h平均沖深約0.7 cm;而10#斷面,灘邊以左(0,2] h平均沖深約4.0 cm,(2,12] h平均淤高約2.0 cm、(12,21] h平均沖深約1.8 cm。從斷面的變化來看,前期(0,2] h沖刷速率最快,沖刷最大的位置一般在灘邊,這與前文斷面流速的研究結果基本吻合。

(4)4#、8#和12#斷面的變化規律相似,主要表現為:初期(0,2] h,上游存在邊灘的一側表現出不同程度的淤積,主要原因是上游邊灘的沖刷來沙,其它部位則表現出普遍沖刷。此后,先前淤積側持續沖刷,其他部位則沖淤交替變化。

2.2.4 平面沖淤變化

圖7為2個流量下床面沖淤變化圖(Q=46.71、215 L/s)。由圖7可知,流量為215 L/s時,河床整體上以沖刷為主,邊灘所在位置的沖刷幅度較大,最大沖深達15 cm,其他位置的沖刷幅度在5 cm以內。河床淤積部位主要在4個邊灘下游1 m范圍內。通過對比初始地形和最終時刻地形發現,4個邊灘均出現不同程度的下移,幅度在4 m以內,這與文獻[6] 、文獻[7] 、文獻[9] 、文獻[16] 等的結論基本一致。對于深泓線而言,其平面呈從上一灘頭向下一個灘頭擺動的態勢,且擺動幅度隨著河床的沖刷逐漸變小,最終趨于相對穩定,如圖8所示。與大流量相比,流量為46.67 L/s時,河床沖刷幅度減少一半,但淤積幅度增加一倍。

圖7 不同流量下河床沖淤變化Fig.7 Variation of riverbed deposition and erosion under different discharges

圖8 深泓線平面變化(Q=215 L/s)Fig.8 Variation of thalweg where Q equals to 215 L/s

2.2.5 上游雙邊灘對下游異岸邊灘的影響

長江中下游順直河段的交錯邊灘多為成對出現,因此,以邊灘 Ⅲ 和 Ⅳ 為下游異岸邊灘組,設立有、無上游異岸邊灘組(邊灘 Ⅰ 和 Ⅱ )2組試驗條件(Q=215 L/s),分析上游異岸邊灘(下稱“上游邊灘”)對下游異岸邊灘(下稱“下游邊灘”)的影響,圖9為下游邊灘組典型斷面變化情況(9#、13#、10#、14#、11#、15#斷面)。

圖9 上游有、無邊灘時典型斷面形態變化(Q=215 L/s)Fig.9 Morphological changes of typical sections with or with no bars upstream(Q=215 L/s)

從圖9可知,上游邊灘的存在不會影響下游邊灘斷面發生沖淤的位置,但會加劇下游邊灘的沖刷,對不同位置斷面沖刷加劇的程度亦有所不同。對于邊灘頭部斷面(9#和13#斷面),上游邊灘對下游邊灘影響最大的為坡腳沖刷深度,增加沖深達4 cm,坡腳處坡度略微增大;對于邊灘中部斷面(10#和14#斷面),上游邊灘對下游邊灘影響最大的位置為邊坡坡腳;對于邊灘尾部斷面(11#和15#斷面),兩組對照條件下,邊灘尾斷面形態極為相似,但上游邊灘存在對邊灘Ⅲ邊灘尾的影響明顯大于邊灘Ⅳ的。

3 結 論

(1)順直型河道交錯邊灘在大流量工況下以沖刷為主,灘頭附近沖刷最嚴重,邊灘側下游發生淤積,邊灘整體向細長方向發展并向下游移動。

(2)河床橫斷面不同部位的沖淤變化有所不同。邊灘側以沖刷為主,且主要發生在前、中期;其它部位則呈沖刷—淤積—沖刷的變化規律,且這種規律自上游向下游越來越明顯。

(3)上游邊灘的存在會加劇下游邊灘的沖刷,且對邊灘坡腳影響最大。