变坡陡比降河道逆行淤积物清水冲刷规律研究

荆圆圆，黄小利，郭志学，彭清娥，黄 尔

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

0 引 言

我国是一个多山的国家，山地面积占全国面积的70%以上，山洪、泥石流、滑坡等突发性灾害暴发频繁，水土流失也较严重，是世界上山洪灾害最严重的国家之一。山洪灾害的发生起始于局部强降雨，很难预报准确，同时山区气候多变，地质地貌复杂，陡峻的山坡坡度和沟道纵坡为山洪的发生提供了充分的流动条件，使得山洪汇流快、河水陡涨，造成河岸崩塌、山体滑坡，不仅对中国山丘区的基础设施造成毁灭性的破坏，而且对人民的生命安全造成极大的损害和威胁，严重制约着山丘区经济的可持续发展[1]。

前人已在水沙运动规律方面开展了大量的研究工作并取得了丰富的研究成果，如曹叔尤等[2]通过开展泥沙补给变化下山区河流河床变化情况的试验研究，指出山洪泥沙致灾因子关联复杂且具有多重不确定性，其防治与调控也相对比较复杂；李乾德等[3]通过水槽试验指出陡坡河槽中清水冲刷作用下的平均输沙率随来流量的增加而增大；侯极等[4]通过水槽试验模拟河道上山洪泥沙汇入后引起的河道水深变化，指出水深受泥沙粒径、来流条件、加沙强度和床面比降、形态等的影响，推导出了水流挟带泥沙后水深变化的经验公式；李彬等[5]通过变坡水槽试验，指出泥沙逆行淤积的起始位置、淤积厚度和淤积速率主要受上游来流量、加沙强度、床面比降和加沙粒径的影响；李瑞杰等[6]从泥沙沉降几率和冲刷系数的分析出发，通过定义临界含沙量，导出近底泥沙通量的表达式，指出应存在临界淤积含沙量和临界冲刷含沙量，当挟沙力介于两者之间时，冲淤平衡；Karim F[7]、Wu W[8]等主要研究非均匀沙粗细颗粒之间的相互影响，深入分析不同颗粒之间的隐暴作用对泥沙输移过程的影响。上述研究对泥沙在山洪中的致灾作用进行了解释，但是对于泥沙在洪水过程中起作用而洪水过后消失不见的现象的机理揭示尚不够深入。本文把上游来流量、加沙强度、比降和泥沙粒径作为影响因子，通过研究变坡陡比降水槽逆行淤积物冲刷变化规律，分析不同控制条件下清水冲刷水位与速度的变化规律，从机理上解释泥沙致灾作用的隐蔽性，为防御山洪泥沙灾害的发生提供技术支持。

1 试验布置及方法

1.1 试验布置

因来沙强度大于水流挟沙力而逆行淤积在床面上的泥沙被清水冲刷的试验规律研究，在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室的变坡水槽中进行。该水槽上游段长3.2 m，下游段长为4.4 m，宽20 cm，深30 cm，每间隔20 cm设置一条带刻度的标尺，通过架设在与水槽旁侧等高轨道上的摄像机以记录冲刷发展过程中沿程的床面淤积厚度和水深。水槽的底部、两侧均为玻璃壁面(见图1)，进水口处采用自制的全断面加沙机进行加沙(见图2)，通过调整加沙档位实现加沙强度的调整。陡坡的水利学定义是使上游渠道的水流沿陡槽下泄到下游渠道的落差建筑物，陡坡段的底坡根据地形、地质和衬砌材料等因素决定，一般均大于临界坡，常用的底坡为1∶2～1∶10。结合山区河流上陡下缓的实际以及本试验的研究目的，在水槽上游设置2%、5%、8%三组试验比降工况，下游的比降恒为1%。为了消除尾门和进水口处水流波动造成的影响，本试验选取水槽出水口以上6.6 m作为试验段，入口采用薄壁堰进行流量控制，并在下游出水口采用称重法进行流量复核。

图1 试验用变坡水槽Fig.1 Variable slope flume for test

图2 试验用加沙机Fig.2 Test with sand machine

试验前对加沙机进行加沙强度率定，加沙强度范围为0～0.5 kg/s。为了使最终的试验数据精准可靠，在试验正式开始前先用微小流量的来水对试验用沙进行淘洗，并根据试验情况在用摄像机录制冲刷过程中采用白炽灯补光。

1.2 试验控制

为研究不同控制条件对试验结果的影响，试验选取不同组次的比降、上游来流量、加沙强度和泥沙粒径对比研究沿程不同断面处的水流特性，试验工况如表1所示。概化洪水过后泥沙来量减小、含沙浓度降低而被来流冲刷的现象，试验控制为：当泥沙的逆行淤积发展到加沙断面附近后，立即停止加沙，即取上游来流含沙浓度为零，用清水冲刷床面。

表1 陡坡河道清水冲刷试验工况汇总Tab.1 Summary of water erosion test conditions for steep slope rivers

2 试验现象及成果分析

2.1 试验现象

当未加沙时，水槽水流相对平顺，除在变坡点附近水流略有波动外，基本近似均匀流。由于试验段内水流弗汝德数均大于1[9]，下游1%坡度段水深虽然比上游大，但壅水效果无法向上游传播。当加沙强度较小时，泥沙都能够被水流挟带走，没有淤积现象产生。逐渐增大加沙强度至某一临界点，加入的泥沙在上游陡坡段可稳定输移，但输移至下游段后由于河床比降较小，水流动力条件降低，流速减小，导致水流挟沙能力减弱，当其减弱至水流所能挟带的最大泥沙强度后，下游河床会有部分泥沙落淤。淤积的泥沙增大了床面阻力，导致水位抬高，产生局部壅水作用，同时也调缓了河床局部的比降，两者叠加的效果使得淤积处水流动力条件进一步减小，上游来沙无法全部输往下游，在淤积锋面处停留下来。随着后续的泥沙补给，淤积锋面位置会继续向上游传播，当淤积发展到加沙口附近后，输沙达到平衡， 泥沙淤积厚度在变坡点附近达到最大值，并向上下游递减且上游的淤积厚度比下游更大[9]，同时上游比降调缓，下游比降变陡，淤积床面接近均一比降，河床整体抬升，沿程水位大幅增加。

清水冲刷试验与泥沙逆行淤积试验的过程基本类似，其本质都是水流挟沙力与加沙强度不匹配所致，使得同样流量下出现不同的洪水位，这种水深的增加和均匀流水深的增加完全不同。均匀流水深的增加，是由流量的增加引起的，断面平均流速随之增加，而本试验中由壅水引起的水深增加，流量没有发生变化，断面平均流速因水流动力条件降低而减小，其水深要远大于均匀流下的正常水深。泥沙逆行淤积试验的发展方向为由变坡点附近发展到上游加沙口，而清水冲刷试验则相反，当淤积发展到加沙口附近时，立即停止加沙，开始用清水冲刷床面，试验研究范围为逆行淤积的泥沙从上游进水口附近发展到下游出水口。

清水冲刷的初始时刻为逆行淤积试验的结束时刻，上游来流变为清水，水深较小，水流在前锋淤积位置处受到床沙阻力和前期淤积泥沙对河床比降调整的影响，产生明显的水跃现象(图3)。随着冲刷向出水口方向发展，越靠近上游大比降段末端变坡点位置，水跃高度越高(图4)，在变坡点处达到最大值(图5)。进入下游小比降段上部的一小段范围内，由于床面比降的突然变缓和淤积床沙的影响，水跃高度仍然很大(图6)。等到冲刷发展到下游中部以后，由于稳定淤积段的泥沙厚度本身就较小，再加上沿程床沙也被逐渐带走，因而水跃高度不断减小(图7～图8)。

图3 冲刷初始时刻Fig.3 Initial flush moment

图4 冲刷发展到上游中部Fig.4 Scouring develops to the middle of the upper reaches

图5 冲刷发展到变坡点Fig.5 Scouring develops to the changing slope point

图6 冲刷发展到下游上部Fig.6 Scouring develops to the upper downstream

图7 冲刷发展到下游中部Fig.7 Scouring develops to the middle of the lower reaches

图8 冲刷发展到下游末端Fig.8 Scouring develops to the downstream

2.2 清水冲刷水深研究

在清水冲刷过程中，上游的急流在冲刷前锋处的局部动力比降变缓，形成水跃使得水位激增，其与逆行淤积过程产生的水跃现象不同。逆行淤积过程因上游来流含沙量较高，水跃过后水流的挟沙力还会沿程减小，其挟带的泥沙还会沿程淤积，导致淤积过境段淤积厚度增加，有加剧锋面水跃的趋势。而清水冲刷过程中上游来流为清水，在发生水跃后水流含沙浓度尚未饱和，沿程会冲起部分泥沙输往出水口，使下游段泥沙厚度减小，对交界面水跃有降低作用。

图9-11为5%～1%比降下的逆行淤积位置与逆行淤积过程中稳定淤积水深和清水冲刷过程中波峰水深变化的对比图。由图可知，当形成稳定淤积床面的流量和加沙强度一定时，水深均呈现在变坡点(平距为4.4 m处)达到最大值而向上下游递减的规律，且大粒径下的冲刷水深要显著大于同等条件下小粒径的冲刷水深。这是因为稳定淤积段的泥沙粒径越大，对水流的阻力越大，用同样流量下的清水冲刷难以达到其起动流速，需要更大的动力条件才能把粗沙淤积物冲起输往下游。同时泥沙淤积在床面后会导致床面比降变缓,也会造成床面阻力增大且粗颗粒比细颗粒导致床面增加的阻力更大，壅水现象较为显著，因此水深差异较大。

图9 1.5 mm粒径、3.1 L/s流量、0.117 kg/s加沙强度下的水深变化Fig.9 Water depth changes at a 1.5 mm particle size, 3.1 L/s flow and 0.117 kg/s Galactic intensity

图10 2.5 mm粒径、3.1 L/s流量、0.117 kg/s加沙强度下的水深变化Fig.10 Water depth changes at a 2.5 mm particle size, 3.1 L/s flow and 0.117 kg/s Galactic intensity

图11 1.5 mm粒径、3.8 L/s流量、0.182 kg/s加沙强度下的水深变化Fig.11 Water depth changes at a 1.5 mm particle size, 3.8 L/s flow and 0.182 kg/s Galactic intensity

试验还发现当增大流量和加沙强度时，下游段的冲刷水深显著低于淤积水深，变坡点处的冲刷水深逐渐接近于淤积水深，而上游段的两种水深均较大。因此若想通过人为干扰，减小陡坡强输沙河道水深，对水位的控制应该是在淤积发展过程中，一旦产生逆行淤积就加以控制，增大上游水动力条件或减小来沙强度(采取有效的分沙措施)是控制水位激增的有效方法，否则一旦淤积发展完成，整个淤积段将长期处于高水位状态，对防洪安全极为不利。

2.3 清水冲刷速度研究

清水冲刷发展过程中，下游淤积段由于比降较小，淤积床沙导致河床整体抬高、床面阻力增大，淤积段持续处于高水位状态，如果水位漫过堤顶，则两岸将遭受洪水的威胁。更严重的是，漫顶洪水将对堤防背部产生淘刷，时间越长对堤防本身越不利。清水冲刷的实质是以泥沙为介质下的上游清水和淤积床面之间的相互作用，冲刷速度由上游水动力条件和床面淤积厚度共同控制。

图12-14为不同控制条件下的冲刷速度变化图，其中纵轴表示该冲刷试验中波峰通过两个相邻试验断面的时间，即波峰每发生位移20 cm所用的时间。由图可知，在变坡点略向下游断面处冲刷速度最慢，而在该断面的上下游冲刷速度逐渐增大。这是因为在进水口处床面比降较大，易达到沙粒的起动流速，而在出水口处初始淤积厚度较小，因而冲刷速度都比较快。在变坡点略向下游处，因为逆行淤积阶段稳定淤积在床面的泥沙厚度较大且比降骤减，使得上游来流流速急剧减小，壅水产生的势能仅能够保证让水流因为惯性往下游流动一小段距离，但其大部分水体的流速都小于前锋泥沙的起动流速值，因此冲刷速度减小。在变坡点的下游侧虽然河床比降变缓，但是下游河道的前期泥沙淤积物总体偏细，泥沙颗粒容易起动，因此冲刷时间相对较短。

图12为仅改变上游比降和泥沙粒径引起的冲刷速度变化图。由图可知，下游比降一定时，上游比降越大，水流流速越大，挟沙能力越强，因此冲刷速度越快。而在变坡点附近因为5%比降时的初始淤积厚度更小，因此冲刷时间更少。

图12 上游来流量和加沙强度相同，河床比降和泥沙粒径不同条件下的冲刷Fig.12 Scouring velocity at different riverbed gradient and sediment particle sizes with the same pstream inflow and Gaza intensity

图13为仅改变加沙强度引起的冲刷速度变化图。由图可知，当初始加沙强度较大时，淤积逆行发展迅速，床面初始淤积厚度小，因而冲刷所需时间较少。而初始加沙强度较低情况下，泥沙在变坡点下游“超载”不明显，淤积发展过程缓慢，淤积厚度发展充分，且存在较强烈的分选粗化，床面阻力较大，清水冲刷作用在前期淤积物上时，更难以把泥沙冲起。

图13 上游来流量、河床比降和泥沙粒径相同，加沙强度不同条件下的冲刷速度Fig.13 Scouring velocity under different conditions of riverbed gradient of upstream inflow and the same grain size of sediment with different intensity in Gaza

图14为仅改变上游来流量和泥沙粒径引起的冲刷速度变化图。由图可知，当仅改变泥沙粒径时，粒径越小，越容易起动，冲刷速度越快。仅改变流量条件时，流量越大，冲刷发展的速度越快，冲刷相同的距离花费的时间越少。

图14 加沙强度和河床比降相同，不同上游来流量和泥沙粒径下的冲刷速度Fig.14 Gaza intensity and riverbed gradient are the same, different upstream inflow and scouring velocity under Gaza grain size

试验还发现在清水水流冲刷作用下，清水冲刷速度远远小于淤积逆行发展速度，这就意味着陡坡河道淤积一旦开始往上游发展，淤积锋面以下已发生淤积的河段将长期持续处于高水位状态，这对于堤防以及两岸人民的生命财产安全都是极为不利的。

实际洪水过程中，一旦来沙超过某河段的挟沙能力，逆行淤积发展过程就可能发生，将引起的河床整体抬高。但泥沙补给减弱后，淤积的床沙又被快速冲刷掉，洪水过后床面上找不到泥沙的踪迹，使得人们很容易忽视洪水过程中泥沙的致灾作用。人们常用超标洪水(根据洪痕反演)解释这类洪灾现象，其实很可能是对泥沙附加致灾作用认识不足引起的。对于水流流量未见显著增加，但因强输沙导致水位特异性增加的现象，我们称为泥沙的附加致灾作用。对于泥沙在山洪灾害中的过程致灾作用的认识增强，对认识山洪灾害特性，提出应对整治措施都是很有价值的。

3 结 论

本文通过清水冲刷试验对洪水消退过程的水沙输移现象进行了试验研究，通过对冲刷过程水深和冲刷速度变化的对比分析，得到以下结论：

(1)陡坡强输沙河道存在逆行淤积现象，且当其发展到一定程度，若减小泥沙补给强度，淤积的床沙又会被上游来流带走。洪水过后，在河床上看不到泥沙的踪迹，泥沙只在洪水过程中发生致灾作用，其隐蔽性使得人们很容易忽视其在山洪灾害现象中的影响。

(2)流量较小时，下游小比降段淤积水深最大，变坡点上游段冲刷水深最大，淤积水深最小；增大流量发现整个河段冲刷水深最大。综上可得出控制陡坡河道山洪水位的关键是防止淤积的发展，一旦泥沙淤积达到一定程度，淤积过境段将长期处于高水位状态，威胁沿岸人民生命财产安全。

(3)清水冲刷过程中，前期淤积的泥沙可以快速被冲向下游，到变坡点附近冲刷速度将会减小，在变坡点下游一段距离内冲刷发展最为缓慢，再往下游随着淤积厚度减小，冲刷速度又开始加快。冲刷速度受上游水动力条件和床沙淤积厚度的影响，流量越大、比降越陡、初始加沙强度越大，冲刷速度越快；随着泥沙粒径增大，冲刷速度将会减小。

(4)由于加沙机本身的加沙粒径范围限制，本文选用的泥沙粒径较为接近，且为均匀沙，同时本文试验是在定床作用下来进行的，光滑的钢化玻璃底面与天然河道动床边界有所不同，因此本试验的研究结果仅适用于山区河流中上游来沙均匀且陡坡河段床面接近光滑的河段。

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