水沙變化條件下不同邊界彎曲河道演變特征研究

陳羿名 渠庚 鄭承太 胡呈維 欒華龍

摘要：彎曲河道具有迂回曲折的外形和蜿蜒蠕動的動態特征，其形成、發展和演變是受多種因素綜合影響的復雜過程。為研究水沙變化條件下彎曲河流的河道演變特征，采用自然模型法在室內水槽中塑造出相對自然的彎曲河道，設置有、無護岸措施兩種工況進行模型試驗。結果表明：在有護岸措施條件下，河道縱剖面

上游段沖刷下切、下游段變化不大，河道整體比降呈減小趨勢，河道深泓彎曲度減小，其演變響應特性對含沙量的變化更敏感；在無護岸措施條件下，河道灘槽演變調整作用較強，縱剖面呈整體式下切，且下游段縱剖面下切幅度較上游段大，河道深泓彎曲度逐漸增大，其演變響應特性對流量的變化更敏感。彎曲河道發生演變的實質是變化的水沙條件與河道形態調整之間相互適應的過程，演變的最終趨勢是河道的形態結構與水沙條件達到相互協調的平衡狀態。

摘要：彎曲河道； 水沙變化； 河道演變； 自然模型； 護岸措施

中圖法分類號： TV142

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.003

0 引 言

彎曲河道具有迂回曲折的外形和蜿蜒蠕動的動態特征［1］，其形成、發展和演變是受多種因素綜合影響的復雜過程［2］。在河道上游修建水庫后，下游彎曲河道的水沙條件發生變化，水沙運動和河道演變特征隨之改變。如三峽工程運用后，下荊江部分彎曲河道灘槽沖淤變化幅度較大，凹岸深槽明顯淤積、凸岸邊灘大幅沖刷（而非建庫前彎曲河道凹岸崩退、凸岸淤長的一般變化規律）［3］，彎頂斷面形態由偏“V”形向“W”形調整，單深槽逐漸轉化為雙深槽［4］，彎道“撇彎切灘”的現象日益明顯，局部河段河勢發生明顯調整［5-6］。

前人針對彎曲河道的水沙運動與河道演變規律開展了大量的原型觀測分析、水槽試驗以及數值模擬研究。實測資料分析的內容主要為河道形態演變規律和河彎演變過程中發生的“切灘撇彎”現象，姚仕明等［7-8］通過實測資料分析發現，丹江口水庫建成后，下游的皇莊至岳口彎曲段，彎道水動力軸線出現偏離凹岸趨中的現象；周祥恕等［9］研究結果表明，三峽水庫運用后，下荊江來家鋪彎道段主流出現擺動，細沙大幅度減少，導致凸岸邊灘、高灘沖刷后退。水槽試驗研究的主要內容包括彎道橫向侵蝕、河床演變影響因素及規律等，如Hong等［10］在室內通過人造洪水研究了洪水對彎曲河道的影響作用；Constantinescu等［11］通過對比圓心角為135°和193°的彎曲河道演變情況，指出曲率較大的彎道具有更復雜的水動力學和沖淤特性；余明輝等［12］研究了彎道段凹岸坡腳處成型崩塌體在水力作用下的輸移過程，及其對岸坡穩定性與河床沖淤的交互影響作用；岳紅艷等［13］采用不同粒徑的新型復合塑料沙研究了彎曲河道二元結構河岸崩塌過程。隨著計算機硬件和軟件的發展，數值模擬也逐漸成為彎曲河道演變規律研究的手段之一，如Ikeda等［14］在假設河岸侵蝕速率與近岸流速成正比的基礎上，開發了用于模擬彎曲河道形成和演變的數學模型，此模型隨后被許多學者借鑒應用［15］；Odgaard［16］假設河岸的沖刷速率與河岸附近的水深成正比，通過線性化處理，得到了彎道演變的模型；但Darby等［17］認為上述模型存在河岸侵蝕系數不是根據泥沙的性質決定，而是通過率定得到，以及模型對河寬的變化考慮較少等缺點，并利用動網格建立了彎道平面二維模型。

上述有關彎道河床演變規律方面的研究中，原型觀測分析僅能基于實測資料，難以研究河道邊界條件對河道演變的影響，水槽試驗和數值模擬研究大多為概化模型，在建模過程中一般含有較多簡化和假設，難以真實地反映水沙條件和邊界條件對自然彎曲河道演變的影響。本文采用自然模型法，在室內水槽中塑造出相對自然的彎曲河道，通過改變上游來流的水沙條件和河道邊界條件，分析在有、無護岸措施條件下，水沙條件發生變化時彎道段的灘槽演變特性。

1 自然模型構建

試驗水槽長50 m、寬6 m，分為進口過渡段、試驗段、出口過渡段和尾門4個部分（見圖1）。水槽導墻兩側設置有固定的水位站混凝土墩，用以固定水位站測針。試驗過程中，通過調節尾門開度來調節尾門水位，進而控制模型水位和流速，使之達到試驗要求。

1.1 模型水槽設計

試驗水槽全長50 m，中間試驗段長34 m。試驗開始前，先在水槽底部鋪上一定厚度的模型沙，水槽中間預留一條斷面為梯形的順直渠槽，梯形斷面的坡比為1∶1，渠槽縱向比降為1‰。試驗段上游側鋪沙向上游延伸2 m，上游側預留一定長度的過渡段，下游側鋪沙向下游延伸2 m，同樣預留一定長度的過渡段。

1.2 模型沙鋪設

為了模擬天然彎曲河道的演變特征，采用中值粒徑分別為0.2 mm和0.5 mm的塑料合成模型沙進行試驗，濕容重為1 380 kg/m3。為模擬天然沖積性河道河床泥沙的分層狀態，模型沙采取分層鋪設方式（見圖2），以利于河道的刷深和形態的塑造。試驗過程中模型進口采用中值粒徑為0.2 mm的模型沙。初始水槽形態全景圖見圖3。

1.3 穩定彎曲河道造床過程

1.3.1 造床試驗要素確定

在正式試驗開始前，根據自然模型法的要求進行了多組嘗試性試驗，通過對嘗試性試驗獲取的試驗資料進行分析，確定了合適的造床相關試驗要素，如表1所列。

1.3.2 穩定彎曲河道形成

按照表1的水沙條件放水運行4個循環周期后，所形成的彎曲河道整體趨于穩定，局部小范圍仍有小幅度沖淤交替變化，采用人工回填模型沙的方式補齊被沖刷的凸岸邊灘，使彎曲河道保持相對理想的彎曲形態。彎曲形態修補工作完成后，用粒徑為3～6 mm的碎瓜米石對易沖刷崩退的岸段加以護岸，以限制河道在隨后的放水試驗中持續崩岸展寬，碎瓜米石護岸范圍為河床至灘地，護岸厚度約為1 cm（見圖4）。

對修補后的彎曲河道模型繼續按照表1的水沙條件循環放水，每完成一個循環周期，采用ABF 2-3二維地形測量系統對河道模型進行一次地形測量，并用大疆無人機航拍記錄一次河道整體形態，直至河床地形和河道形態不再發生明顯的變化，即認為彎曲河道模型已達到輸沙相對平衡狀態（見圖5）。

2 水沙變化條件下彎曲河道演變研究

2.1 試驗工況

利用上述已達到輸沙平衡的自然彎曲河道模型開展水沙變化條件下彎曲河道演變試驗，試驗設置A、B兩組工況，水沙條件相同（詳見表2），但河道邊界不同。工況A的初始條件直接采用已達到輸沙平衡的自然彎曲河道模型，來水來沙減小，有護岸;工況B同樣也是來水來沙減小，但河道兩岸不再加以碎瓜米石護岸，且不設置任何人工干預措施。模型設置了14個監測斷面，對水位、斷面的流速、含沙量進行測量。試驗過程中選擇一個彎道段（J7～J12）為主要研究對象（各監測斷面平面布置情況見圖6）。

2.2 模型試驗結果

2.2.1 河道形態和地形變化

圖7展示了在有、無護岸措施兩種情況下不同監測時期河道整體形態的變化情況。從河道的整體形態變化來看，在有護岸措施的情況下，河道的整體形態維持相對穩定，河道達到相對平衡前，在洪、中、枯交替流作用下，河道內淺灘有交錯變化的趨勢。

在無護岸措施的情況下，河道整體形態發生了較大的調整，河道上下游段表現出了不同的演變趨勢。從上游段的形態變化來看，主要形成了交錯邊灘，深槽略有趨直的趨勢。從下游段的形態變化來看，彎道段凹岸持續崩退而凸岸持續淤長，彎道段彎曲程度不斷增大，直至96 h 形成“Ω”形彎道，彎道頸口達到最窄，隨后頸口又出現展寬趨勢，緊鄰的上游側彎曲程度也逐步增大。

圖8展示了在有、無護岸措施兩種情況下不同監測時期河道典型監測斷面的地形變化情況。其中，J8斷面和J10斷面分別為彎道進口斷面和彎頂斷面。在有護岸措施的條件下，水沙條件改變后，J8斷面深泓向凹岸一側移動，而凸岸側原有深泓則出現淤積，新刷出的深泓與原有深泓相比深度更深；J10斷面凸岸一側出現淤積，而凹岸一側略有沖刷。而在無護岸措施的條件下，河道橫斷面形態調整較大，河岸崩退明顯。J8斷面深槽由原來的凹岸側移動至凸岸側，有明顯的的切灘特征。J10斷面凹岸側和凸岸側河岸均出現崩退，斷面形態有從偏“V”形轉向偏“W”形的趨勢，且凸岸側出現了突發式崩退。

試驗表明，當水沙條件發生變化，在有護岸措施的情況下，由于河道邊界存在護岸措施的強力約束作用，河道橫向抗侵蝕能力較高，河道岸線基本穩定，整體形態不會產生較明顯的調整。河道地形會發生調整，由于洪水期流量削減，來流過程流量變幅減小，致使凸岸淺灘在洪水期灘面流速減小，淺灘部分容易出現淤積抬高，而凹岸側主流趨于深槽并集中，致使凹岸側有刷深趨勢。而在無護岸措施的條件下，河道的整體形態和地形會有較大的調整，且產生的調整作用在河道的上、下游段并不相同。造成這種現象的原因主要是上、下游段河道邊界條件不同。雖然上、下游河道均未采取任何護岸措施，河道的橫向抗侵蝕性差異并不大，但在初始時，下游段河道邊界彎曲程度較上游段大，上、下游段在初始時河道邊界彎曲度的不同可能是造成上、下游段河道產生差異性調整的重要原因。

2.2.2 河道深泓彎曲系數變化

圖9展示整個河道的深泓彎曲系數隨試驗累計歷時的變化情況。當來流水沙條件發生變化時，在有護岸措施的情況下，河道的深泓彎曲系數整體呈減小趨勢。流量的減小和含沙量的增大，均會促使河道的彎曲系數向增大的方向演變［18］。而在該組試驗中，水沙條件發生變化時，如果僅考慮最大流量減小所產生的影響，那么河道的彎曲系數會增大；如果僅考慮來流含沙量減小所產生的影響，那么河道的彎曲系數會減小。在兩種因素共同作用下，河道彎曲系數向減小的趨勢發展，說明這時含沙量的減小是影響河道彎曲度變化的主要因素。而在無護岸措施情況下，河道的深泓彎曲系數整體呈增大趨勢。這說明，流量的減小所產生的使河道彎曲系數增大效應，超過了含沙量的減小所產生的使河道彎曲系數減小的效應，即流量減小是影響河道彎曲度變化的主要因素。

2.2.3 河道縱剖面變化

河道縱剖面是從河源到河口河床床面最低點的連線。根據J2～J13斷面所測得的地形數據資料，以J2斷面為起始斷面，J13斷面為終止斷面，繪制出J2～J13河段河道縱剖面隨試驗歷時的變化情況（見圖10）。

上游來流水沙條件發生變化后，在有護岸措施的情況下，河道縱剖面整體呈下切趨勢，從沿程縱剖面下切的幅度來看，這種下切趨勢是以下游段某一侵蝕基準為支點呈旋轉式下切，上游段河道縱剖面下切的幅度較下游段下切的幅度大。從整體河道縱剖面比降變化來看，河道縱剖面平均比降向減小的趨勢發展。

而在無護岸措施情況下，河道縱剖面隨試驗歷時的變化情況表現出了不同的特點。從河道縱剖面整體變化情況來看，河道縱剖面整體呈下切發展趨勢；從河道縱剖面沿程調整的幅度來看，下游段縱剖面下切的幅度較上游段大，河道縱剖面比降有增大的趨勢；從變化的趨勢來看，隨著試驗持續進行，縱剖面持續性下切會逐漸向上游段發展，河道縱剖面比降在最終河道恢復到新的平衡態時有再次減緩的趨勢。

試驗表明：在有護岸措施條件下，當河道內水流含沙量銳減時，河床由于受到沖刷而致使河道縱剖面侵蝕下切，由于水流挾沙量沿程恢復等原因，沿程水流對河床的沖刷能力減弱，從而使得下游段河道縱剖面下切的幅度較上游段小。

當河道水沙條件發生變化而失去平衡時，河流會產生一定的調整作用，這種調整作用驅使河流演變至新的平衡狀態。當上游來沙減少時，河道會向縱剖面平均比降減小的趨勢發展，是因為河道比降的減小會導致水面比降隨之減小，進而使得河道內水流流速減小，水流挾沙力減小，從而減弱對河道的沖刷，直至河流恢復到新的平衡狀態。

而在無護岸措施情況下，當上游來流水沙條件變化而使來流含沙量減小時，河道縱剖面同樣會出現下切現象。河道通過產生這種調整作用以適應新的水沙條件，而這種調整作用沿程表現出不一致性，下游段調整作用較強而上游段較弱。對于縱剖面變化而言，使得下游段調整作用較強的原因是下游段水流下切能力較強。河道中水流流態為緩流，水面比降與河道比降密切相關，河道縱比降越大，則水面縱比降也越大，單位水體所具有的能量越高，從而使水流對河道縱剖面的下切能力越強。隨著演變過程中河道的持續下切，河道抗下切能力也會隨著床沙組成的變化而增強，這種增強作用主要表現為兩個方面：一方面是床沙沿程組成不同；另一方面是隨著試驗的進行整個河段床沙會逐步粗化。在兩方面因素作用下，河道整體縱剖面比降由下游向上游逐步減緩，下切幅度隨著試驗的進行而逐步減小。

2.2.4 主流線與深泓線變化

圖11展示了河道內深泓線和主流線的平面位置變化情況。在有護岸措施的條件下，從深泓線隨試驗歷時的變化情況來看，深泓線在整個河段的擺動趨勢是逐步向河道各段的凹岸側貼近；從深泓線沿程的擺

動幅度變化情況來看，河道上游段深泓線擺動的幅度較河道下游段的擺動幅度大。從主流線隨試驗歷時的變化情況來看，主流線在整個河段的擺動趨勢具有一定的趨中性，相比于周期1，周期3和周期5時主流線相對偏離了河道各段的凹岸側；從主流線沿程的擺動幅度變化情況來看，河道中上游段主流線擺動的幅度較河道的中下游段擺動幅度大，在各彎道段主流頂沖點的位置無明顯變化。從深泓線和主流線的相對位置變化來看，周期1時深泓線和主流線相對偏離度最大，周期3時次之，周期5時最小，但深泓線和主流線并不重合。

而在無護岸措施的情況下，深泓線和主流線在河道演變過程中具有以下特點：從深泓線平面位置變化來看，深泓線彎曲程度逐漸增大，各段彎頂點逐漸向下游移動，且下游段深泓線擺動的幅度較上游段大。從主流線平面位置變化來看，主流線彎曲程度逐漸增大，各段彎頂點逐漸向下游移動，且下游段主流線擺動幅度較上游段大。從深泓線和主流線的相對位置變化來看，周期1時深泓線和主流線相對偏離度最小，周期3時最大，至周期5時又減小，深泓線和主流線在不同周期均不重合。

試驗表明：當上游來流水沙條件發生變化時，在河流恢復到新的相對平衡狀態過程中，河道深泓和主流會作出相應的調整。在有護岸措施的情況下，這種調整作用從上游到下游呈減弱趨勢，上游段首先對水沙條件變化產生響應，這種響應隨后傳至下游段。上游段之所以產生的調整作用較下游段強，可能的原因有兩點：一方面是由于河道受到沖刷，沿程床沙補充了來流中減少的沙量；另一方面則是受河道邊界條件的約束，沿程水流結構的自身調整作用使得水流由上而下逐步與河道形態相適應。

而在無護岸措施的情況下，河流在恢復到新的相對平衡態的過程中，河道深泓和主流產生的調整作用同有護岸措施相比顯著不同。從沿程發生調整作用的強弱程度來看，下游段調整作用較上游段強；從主流深泓相對位置變化來看，二者在試驗期內未表現出相互趨近性；從彎曲度發展趨勢來看，二者彎曲程度均呈增大趨勢，各段彎頂點均逐漸向下游移動。

3 結 論

本文采用自然模型法，在室內水槽中塑造出相對自然的彎曲河道，設置有、無護岸措施兩種工況，研究水沙條件發生變化情況下彎道段的河道演變特性，主要得出以下結論：

（1） 在有護岸措施的條件下，當來流水沙條件發生變化后，從河道形態變化來看，河道岸線基本穩定，整體形態無明顯變化；從河道地形變化來看，由于洪水期流量減小，水流含沙量降低，且水流集中于深槽，彎道段凹岸側出現刷深而凸岸側淤積抬高；從河道彎曲系數變化來看，彎曲系數的變化對含沙量的減小更敏感，在水沙因素綜合作用下逐漸減小，河道彎曲度向減小的趨勢發展；從河道縱剖面變化來看，河道縱剖面以下游側為基點呈旋轉式下切，上游段下切幅度較下游段大；從主流深泓變化來看，由于河道邊界的約束作用較強，深泓和主流擺動幅度較小，各彎道段深泓趨于貼近凹岸發展，而主流表現出趨中趨勢，主流深泓有趨近趨勢。

（2） 在無護岸措施的條件下，當來水來沙條件發生變化后，從河道形態變化來看，河道岸線崩退明顯，整體形態變化較大；從河道地形變化來看，由于失去了河道邊界的強力約束作用，斷面展寬明顯，橫斷面形態變化較大，深槽淺灘可能出現易位；從河道彎曲系數變化來看，彎曲系數的變化對流量的減小更敏感，在水沙因素綜合作用下逐漸減小，河道彎曲度向增大的趨勢發展；從河道縱剖面變化來看，河道縱剖面出現了整體性下切，下游段下切幅度更大；從主流線及深泓線變化來看，由于失去了河道邊界的強力約束作用，深泓線和主流線擺動幅度較大，彎道在演變過程中深泓和主流的彎頂點均向下游側移動，但主流線和深泓線在試驗期未表現出趨近趨勢。

（3） 對比流量變化和含沙量變化的影響，在有護岸措施的條件下，河道的演變響應特性對含沙量的變化更敏感；而在無護岸措施的條件下，河道的演變響應特性對流量的變化更敏感。

（4） 一定的護岸措施能對于彎道在演變過程中保持河勢相對穩定具有良好的控制效果，在河道沿程橫向抗侵蝕能力差異性不大時，要控制彎道形態相對穩定，需要對河道邊界彎曲度更大的河段加以護岸控制。

（5） 彎曲河道發生演變的實質是變化的水沙條件與河道形態的調整相互適應的過程，演變的最終趨勢是河道的形態結構與水沙條件達到相互協調的平衡狀態。

但由于天然彎曲河流的演變受多重因素的共同影響，如地形地貌、泥沙粒徑與級配等，本文僅考慮了護岸措施影響，研究成果在工程應用中需結合天然河道的實際情況綜合研判。

參考文獻：

［1］ 渠庚，鄭承太，趙占超，等.彎曲河道成因及演變機制研究進展［J］.水利水電快報，2020，41（2）：9-16.

［2］ 王平義.彎曲河道動力學［M］.成都：成都科技大學出版社，1995.

［3］ 樊詠陽，張為，韓劍橋，等.三峽水庫下游彎曲河型演變規律調整及其驅動機制［J］.地理學報，2017，72（3）：420-431.

［4］ 渠庚，許輝，唐文堅，等.三峽水庫運用后荊江河道斷面形態變化及對航道條件的影響［J］.水運工程，2011，12（461）：117-122.

［5］ 覃蓮超，余明輝，談廣鳴，等.河灣水流動力軸線變化與切灘撇彎關系研究［J］.水動力學研究與進展A輯，2009，24（1）：29-35.

［6］ 李寧波，曾勇，吳忠明.長江河段七弓嶺彎道主流撇彎原因初探［J］.人民長江，2013，44（1）：22-25.

［7］ 姚仕明，黃莉，盧金友.三峽與丹江口水庫下游河道河型變化研究進展［J］.人民長江，2011，42（5）：5-10.

［8］ 姚仕明，盧金友.長江中下游河道演變規律及沖淤預測［J］.人民長江，2013，44（23）：22-28.

［9］ 周祥恕，劉懷漢，黃成濤，等.下荊江萊家鋪彎道河床演變及航道條件變化分析［J］.人民長江，2013，44（1）：26-29.

［10］ HONG X T，MA S J，GUO Q W.An experimental study on the forming conditions of meandering rivers［J］.Scientia Geographica Sinica，1987，7（1）：35-43.

［11］ CONSTANTINESCU G，KASHYAP S，TOKYAY T，et al.Hydrodynamic processes and sediment erosion mechanisms in an open channel bend of strong curvature with deformed bathymetry［J］.Journal of Geophysical Research：Earth Surface，2013，118：480-496.

［12］ 余明輝，郭曉.崩塌體水力輸移與塌岸淤床交互影響試驗［J］.水科學進展，2014，25（5）：677-683.

［13］ 岳紅艷，姚仕明，朱勇輝，等.二元結構河岸崩塌機理試驗研究［J］.長江科學院院報，2014，31（4）：26-30.

［14］ IKEDA S，PARKER G，SAWAI K.Bend theory of river meanders：Part I.Linear development［J］.Journal of Fluid Mechanics，1981，112：363-377.

［15］ SUN T，MEAKIN P，JOSSANG T.A computer model for meandering rivers with multiple bedload sediment sizes：I.Theory［J］.Water Resources Research，2001，37（8）：2227-2241.

［16］ ODGAARD A J.River meander model：I.development［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1989，115（11）：1433-1450.

［17］ DARBY S E，ALABYAN A M，VAN DE WIEL M J.Numerical simulation of bank erosion and channel migration in meandering rivers［J］.Water Resources Research，2002，38（9）：1163-1184.

［18］ 錢寧.河床演變學［M］.北京：科學出版社，1987.

（編輯：胡旭東）

Evolution characteristics of curved river channels with different boundaries under water-sediment variation conditions

CHEN Yiming1，2，QU Geng1，2，ZHENG Chengtai3，HU Chengwei1，2，LUAN Hualong1，2

（1.River Research Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.Key Laboratory of River and Lake Regulation and Flood Control in the Middle and Lower Reaches of the Changjiang River of MWR，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 3.China Gezhouba Group International Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100000，China）

Abstract：

The curved river channel has a tortuous shape and dynamic characteristics of meandering and creeping.Its formation，development and evolution are complex processes affected by many factors.In order to study the evolution characteristics of curved river channels under water-sediment variation，the natural model method was used to create a relatively natural curved river channel in an indoor flume，and the model test was carried out under two working conditions of whether implementing riverbank protection measures or not.The results showed that under riverbank protection measures，the upstream of the longitudinal section was scoured and cut down，the downstream section didnt change much，the thalweg curvature of the river decreased，and its evolution response characteristics were more sensitive to the variation of sediment concentration.For no riverbank protection measures，the evolution and adjustment of the river channel was strong，and the longitudinal section was integrally incised with larger magnitude at downstream section than that at the upstream section，the thalweg curvature of the river channel gradually increased，and its evolution response characteristics was more sensitive to flow variation.The essence of the curved river channel evolution was the process of mutual adaptation between the water-sediment variation and the river channel morphology adjustment.The final trend of the evolution was that the morphological structure of the river channel and the water-sediment conditions reach a balanced state of mutual coordination.

Key words：

curved river channel；water-sediment variation；channel evolution；natural model；riverbank protection measures