边滩对弯曲分汊河段河床演变影响分析

付中敏，郑惊涛，王平义，刘怀汉，韩 婷

(1重庆交通大学河海学院，重庆400074;2长江航道规划设计研究院，湖北武汉430011)

长江中游浅滩众多，碍航问题复杂，成为制约航运发展的“瓶颈”，三峡工程蓄水运用后，将引起中游浅滩航道条件新的变化，部分浅滩航道条件还将进一步恶化［1］。长江中游典型弯道段浅滩成因及演变机理问题的研究，是长江航道治理关键技术中重要的必不可少的组成部分，许多学者进行了大量的研究，取得了一些成果［2－7］，为长江航道的治理提供了思路。笔者拟在前期研究工作的基础上，着重研究长江中游典型弯道段浅滩成因及演变机理，在通过大量相关资料的收集、分析，在弄清弯道段浅滩成因及演变的一般规律后，选择窑监河段为依托工程进行水槽概化模型试验，对边滩对弯曲分汊河段河床演变影响研究，包括河段深泓线的变化、横断面形态的变化、主流线的变化以及江心洲的稳定性分析等。研究成果将为长江中下游航道系统的整治工程提供参考，能够为解决弯曲分汊河段的一系列问题提供一定的理论依据，同时，也将丰富航道整治学科的内容。

1 概化模型试验的设计［8］

1.1 比尺拟定

长江中游河段边滩一般尺度均较大，从滩头到滩尾的距离(航行基面)变幅较大，少则数km，多则十几km，滩顶宽度和左右两侧的坡度变幅也较大，试验需模拟的原型河道长度也较大，水槽概化模型难以按比尺相似模拟。由于本试验主要研究主支汊道和滩头、滩尾周边水流与河床泥沙运动特征，所以对于滩型只能作概化模拟，本次试验平面上主要考虑形态相似。

根据概化水槽模型试验场地，最大河宽可取4m，故模型江心洲最宽取为2.4m。对于河道整治建筑物，因需研究局部冲刷问题，模型断面形态则按1∶60正态缩小。流速比尺为:λv=7.75 。

悬沙中床沙质部分及沙质推移质泥沙(d=0.1～1.0 mm)比尺的确定根据实测资料，本河段的沙质推移质的粒经如下:d5=0.09 mm，d50=0.18 mm，d95=0.25 mm。

由于这种推移质细沙有时处于悬移质状态，形成悬移质泥沙的床沙质部分，有时则处于推移状态。因此，这部分泥沙既要满足推移质运动相似，同时还要满足悬移质运动的悬浮相似。由于本试验为清水冲刷概化模型试验，模型最重要的是应该满足起动流速相似条件。经过泥沙起动试验，最终确定模型沙选用天然沙，d50=0.15 mm。

1.2 模型形态及横断面布置

模型河底坡降取0.1‰。进出口顺直段横断面取矩形，长度按照弯道动力学要求取进出口宽度的3～5倍设计，以保证进口顺直段水流呈均匀流状态，水流出弯后环流充分衰减。弯曲分汊段江心洲按梯形概化，两岸概化为垂直边壁。概化模型进出口顺直段横断面按1m等间距布置，弯曲段按16°分割，在弯顶附近适当加密，且在乌龟洲洲头、弯顶和洲尾布置控制横断面。本试验考虑到窑监河段的发展演变过程，主要研究右汊为主汊，有边滩和无边滩2种情况，2种洲滩型式的模型平面布置图如图1，其中分流区的代表断面为6#，分汊区的代表断面为11#，汇流区的代表断面为16#。

图1 模型示意Fig.1 Model sketch map

1.3 模型试验工况

试验控制流量和水深同定床试验条件，具体工况表如表1。模型河床、乌龟洲、洋沟子边滩和新河口边滩按与原型相似进行铺沙和塑造，然后开展清水冲刷试验，观测河床及乌龟洲演变情况。

表1 模型试验工况Tab.1 Model experiment conditions

2 有无边滩河床变形对比

2.1 深泓线的变化

图2给出了流量一定时有无边滩深泓纵剖面河床高程对比关系。由图2可知，在各种工况下，有边滩和无边滩时的冲淤规律没有大的改变，有边滩时平均河床高程比无边滩时略低。

图2 流量一定时有无边滩深泓纵剖面河床高程Fig.2 Riverbed elevation diagram of thalweg profile with and without point bar when the flow is fixed

2.2 横断面的变化

为了研究随着流量和水深的变化，河道横断面的变化情况，选择分流区、分汊区和汇流区有代表性的断面进行分析。

2.2.1 分流区

在分流区选择有代表性的6#断面来具体分析边滩对河床横断面的影响，如图3。图3中给出了各种工况下，右汊为主时有无边滩分流区横断面对比情况。通过对3组工况有无边滩情况的对比，不难得出:所有工况在有边滩时，由于受到进口左岸边滩的影响，水流较无边滩时偏向右岸，断面的最底点也相应偏向右岸。

图3 流量一定时有无边滩分流区6#横断面对比Fig.3 Comparison diagram of the sixth horizontal section indiversion area with and without point bar when the flow is fixed

2.2.2 分汊区

在分汊区选择有代表性的弯顶断面(11#)来具体分析边滩对河床横断面的影响，如图4。图4中给出了各种工况下，右汊为主时有无边滩分汊区横断面变化情况。通过对3组工况有无边滩情况的对比，不难得出:所有工况在有边滩时，由于受到右岸边滩的影响，水流较无边滩时偏向左岸，江心洲右沿冲刷幅度较无边滩时大，断面的整体形态也相应偏向左岸。

图4 流量一定时有无边滩分汊区11#横断面对比Fig.4 Comparison diagram of the eleventh horizontal section in bifurcation area with and without point bar when the flow is fixed

2.2.3 汇流区

在汇流区选择有代表性的16#断面来具体分析边滩对河床横断面的影响，如图5。图5中给出了各种工况下，右汊为主时有无边滩汇流区横断面变化情况。通过对3组工况有无边滩情况的对比，不难得出:所有工况在有边滩时，由于受到右岸边滩的影响，水流较无边滩时偏向左岸，江心洲右沿冲刷幅度较无边滩时大，断面的整体形态也相应偏向左岸。

图5 流量一定时有无边滩汇流区横断面对比Fig.5 Comparison diagram of horizontal section in confluencearea with and without point bar when the flow is fixed

2.3 江心洲的稳定性分析

2.3.1 江心洲体积的变化

因为本实验是清水冲刷实验，故江心洲总的变化趋势表现为冲刷。图6给出了有无边滩各个工况下，江心洲体积变化的对比情况。

图6 有无边滩各工况下江心洲体积对比Fig.6 Comparison diagram of river island volume in different operating modes with and without point bar

由图6可知，各个工况下江心洲的总体变化趋势都表现为冲刷，体积有不同程度的减小。有边滩时，相当于减小了有效的过水面积，流速增大，水流挟沙力相应加大，江心洲体的冲刷量相对增加，有边滩时的江心洲体积比无边滩时要小。

2.3.2 洲头洲尾的变化

图7给出了各种工况下，右汊为主时有无边滩洲头横断面变化对比情况。通过对3组工况有无边滩情况的对比，不难得出:所有工况在有边滩时，由于受到右岸边滩的影响，水流较无边滩时偏向左岸，江心洲右沿冲刷幅度较无边滩时大，断面的整体形态也相应偏向左岸，从整体上看，变化幅度较小。

图7 有无边滩流量一定时洲头横断面对比Fig.7 Comparison diagram of island head horizontal section with and without point bar flow

图8给出了右汊为主时，各种工况下，有无边滩对洲尾横断面变化的影响对比情况。通过对3个工况有无边滩情况的对比，不难得出:在有边滩时，由于受到右岸边滩的影响，水流较无边滩时偏向左岸，江心洲洲尾右沿冲刷幅度较无边滩时大，断面的整体形态也相应偏向左岸。

图8 有无边滩流量一定时洲尾横断面对比Fig.8 Comparison diagram of island tail horizontal section with and without point bar flow

3 结论

边滩大量存在于长江中下游河道，对长江航道演变发展产生较大影响，为了确保长江航道通常，采用水槽试验对边滩的影响作用进行研究，实验结果为:

1)有边滩和无边滩条件下河床的深泓线变化规律相同，有边滩时平均河床高程比无边滩时略低。

2)对于分汊区和汇流区，水流较无边滩时偏向左岸，江心洲右沿冲刷幅度较无边滩时大，断面的整体形态也相应偏向左岸。

3)边滩对江心洲的演变也产生较大影响，有边滩时的江心洲体积比无边滩时要小。洲头断面和洲尾断面水流较无边滩时偏向左岸，江心洲右沿冲刷幅度较无边滩时大，断面的整体形态也相应偏向左岸，从整体上看，变化幅度较小。

［1］余文畴，卢金友.长江河道演变与治理［M］.北京:中国水利电力出版社，2005.

［2］许足怀，赵志舟，陈健强，等.弯曲河道桥区河段航道整治研究［J］.水运工程，2004(9):53－55.

［3］孙冬梅，张明进，冯平，等.数学模型在长江中游牯牛沙水道航道整治工程中的应用［J］.水利水电技术，2009，40(7):125－128.

［4］李青云，付中敏.窑监河段航道治理方案研究［J］.水运工程，2009(3):122－127.

［5］刘怀汉，李文全，付中敏.宜昌—城陵矶河段近期航道演变及治理对策［J］.水运工程，2005(12):37－41.

［6］张瑞瑾.河流泥沙动力学［M］.2版.北京:中国水利电力出版社，1998.

［7］李晶，高桂景，王平义.长江神仙桥码头工程对航道的影响研究［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2007，25(4):128－131.

［8］王平义，郑惊涛，刘晓菲.长江中游典型弯道段浅滩成因及演变机理研究报告［R］.重庆:重庆交通大学，2009:27－32.