来水流量变化条件下沙洲冲淤试验研究

2019-06-26王云波

陕西水利 2019年5期

李露，唐伟，王云波

（四川大学水利水电学院，四川成都 610065）

受气候、季节、地形变化等因素影响，河流中的沙洲一直受流速不断变化的水流冲击。水流流速变化不仅直接作用于沙洲本身，还会影响河道的发育和河床的演变，从而间接影响沙洲的发育。地形变化通过改变坡降影响流速分布，但地形地貌一般较为稳定，短期不会造成流速突变，导致沙洲变化。相对而言，局部范围的气候变化、季节交替常使来水流量变化快，流速随之变化，进而影响沙洲发育。因此，来水流量对沙洲发育有明显影响。

沙洲是冲积河道泥沙长期淤积的产物，河道为其提供形成发育条件的同时也对其自由发展进行了限制，沙洲的形成会受到河道分汊比、河道形状和宽度的影响。水流受河势、沙洲本身的影响，在左右汊的流速不同。流速快的汊道常表现为受冲击侵蚀，流速慢的汊道常表现为泥沙、卵石等推移质沉积。经过一段时间的积累，沙洲左右侧的发育情况差异明显，从而使沙洲呈现出不同形态。

沙洲不但影响着生态、地理环境，同时对人们的生产生活也有直接或者间接的影响。近年来，国内外学者针对沙洲已有不少的研究成果。其中，高进对河流沙洲的发育进行了理论分析，导出了菱形沙洲、等腰三角形沙洲等发育长度的理论公式[1]。彭玉明对荆江汊道进行分析得出了水流速度和水沙条件对汊道形成有重要影响[2]。李志威进行了卵石沙洲发育冲刷试验[3]，得出了卵石淤积沙洲的发育机理[4]，并分析了典型沙洲形态和河道的关系[5]。李龙成等人得出了岷江流域水沙变化的主要原因[6]。但是针对不同来水流量情况下沙洲的冲淤变形仍未有深入研究。

不同来水流量情况下，沙洲的冲淤变形大小差异比较明显，依据最小阻力原理，沙洲的发育变形也有一定的规律。本研究采用清水冲刷试验，用不同流量模拟不同流量的水文年对白沙河模型中的椭圆形沙洲进行冲刷，观察总结沙洲的演变规律并分析影响其变形的主要因素。

1 试验方法

实验场地位于四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室内的模拟白沙河河道区内。在该模型试验场，该河流交汇区物理模型按照重力相似准则修建，几何比尺为1∶20，见图1，模型总长度为25 m，总宽度为10 m。干流河段长度为24 m，河宽沿程渐变，范围在2.35 m～7.55 m 之间，河段平均比降为1.4%；支流河段长度为4 m，河宽为2 m，平均比降为4.2%。干、支流河道床面平顺相接，交汇角约为90°。

在河道模型的中间修筑了近似椭圆形（长轴∶短轴=2∶1）的沙洲，沙洲所在的河段主要按照图1 所示布设断面D1～D4。沙洲修筑在弯曲河道上，因此，试验得出的结论也具有一定的针对性和特殊性，但是更符合天然河流沙洲发育的自然地理环境。

图1 沙洲位置及断面布设图

本试验共计开展9 组，采用控制变量法，以流量为唯一变量。分别采用流量级为100 L/s、140 L/s 和180 L/s 的三个流量进行冲刷，每个流量级的实验反复做三次，避免偶然误差，使得出的结论更具有说服力。首先，试验前，先修整沙洲，使沙洲受冲刷前的形状大致相同，保证变量的唯一性，但由于是人工修整，误差也不可避免。接着使用全站仪测量地形，按照“之”字形进行取点测量，沙洲洲体处地形变化较大，取点应较密集，保证得出的结果精确。然后按照设计的流量进行冲刷，为保证时间的一致性，当实际流量达到设定流量且稳定时开始计时，冲刷时间均为2 h。同时在水流稳定时测量各断面流速，流速测量采用螺旋桨式流速仪，精度为0.01 m/s。在沙洲上游，流速变化较小，则每隔1 m 测量一个断面流速，每个断面等距测量五个位置的流速，每个位置测量三个深度的流速取平均值；在沙洲周围，水流的流速变化较大，每隔50 cm 测量一个断面，每个断面依据各自地形测量5 个～8 个沿程距离位置，每个位置测量三个深度的流速取平均值。同时利用水准仪测量不同断面左右岸的水位高度。冲刷试验结束后，关闭闸门，待实验场地的积水完全干后，再用全站仪测量地形，避免积水反光造成测量误差，最后用软件Tecplot 导入数据生成地形图，结合CAD 绘图软件便可获得地形断面对比图。地形断面对比图与流速分布图结合，分析流速对沙洲形态演变的影响，着重关注沙洲左右侧发育情况的对比。

2 试验分析

2.1 沙洲总体冲淤变形分析

图2 沙洲不同流量冲刷前后对比图

通过图2 得出的沙洲冲淤前后的沙洲轮廓图，由图可知，处于河道中间的椭圆形沙洲在清水冲刷后，整体呈变大的趋势。当用Q=180 L/s 的流量冲刷后，沙洲的轮廓最大，向右的偏移量最大；Q=140 L/s 的沙洲轮廓和偏移量次之；Q=100 L/s 的沙洲变化量最小。上游来水流速较大，不断冲刷左侧沙洲，而右侧河弯处水流流速下降，流速较小，水流裹挟泥沙的能力下降，泥沙逐渐淤积。因此，沙洲呈现整体向河岸凹岸处偏移的趋势。由卵砾石淤积的沙洲洲头浅滩、边滩和洲尾浅滩的边坡泥沙颗粒临界起动的受力分析可知，洲头浅滩的推移质处在逆坡中最难起动，洲尾浅滩处在顺坡次之，两侧边滩沿水流方向最易起动，故洲头相对于洲尾更易于推移质停留与淤积[7]。因此，整体级配均匀的沙洲在上游来水冲刷情况下，洲头大部分质量小的细砂碎石被水流带走，而质量大的卵碎石不易起动。此外，上游河道中的卵石等推移质被水流裹挟到洲头滞水区，因为质量较大，来水流速不够，推移质失去了随水流运动的条件，便在洲头淤积下来。最终，卵碎石等主要在洲头；而沙洲洲尾则主要是细沙沉降。

因此，多次冲刷后，椭圆形的沙洲逐渐发育成镰刀形沙洲，且呈现逆流向上的增长趋势。

2.2 沙洲局部断面冲淤变形分析

为研究流量流速变化与沙洲变化、河道发育以及河床的演变三者间的关系，选取沙洲上游、洲头、洲尾等几个具有代表性的断面进行分析[8]。

从图3 的六个断面图的分析对比图上可以看到模型河段河床在不同流量冲刷下的变化情况。长江上游地区，大部分山区河流含泥沙较少，近似为清水冲刷状态，而其冲刷河流带走的泥沙碎石也成为了影响下游沙洲发育的重要因素。其中，D1断面是沙洲上游河床断面，从图3（a）中发现100 L/s、140 L/s、180 L/s 的不同流量均对沙洲上游的河床产生不同的冲刷作用。其中，随着流量的增大，水流流速也增大，对河床的冲刷淘蚀作用更剧烈。这是由于水流流速增加，携带的动能随之增大，对河床泥沙、卵石的裹挟能力增强，最终，该处泥沙、卵石等将被带往下游沉积。D2 断面位于沙洲洲头处，冲刷现象均比较明显，但在三个不同流量级水流冲刷的条件下，沙洲左右侧的坡度变化差异较大，由于沙洲使河流分汊，两汊的流速差异较大，沙洲左侧的冲刷现象明显大于右侧，且流量越大，这种态势越明显。D3 断面选取的沙洲中部位置，由于沙洲修筑在河道转弯处，具有一定的特殊性，从断面图中可以看出，沙洲左侧（河岸凸岸侧）有明显的冲刷侵蚀现象，沙洲右侧（河岸凹岸侧）有明显的淤积现象，沙洲向河岸凹岸侧偏移现象明显。D4 断面（沙洲洲尾处）左右汊流速差减小，对沙洲的冲刷淤积影响减小。

图3 D1～D4 断面不同流量冲刷对比图

从河道模型平面图可以看出，左右汊河道并不相同。试验模型中，左汊河道河岸凹凸变化比较小，对水流的迟滞影响小，右汊河道河岸凹凸变化较大，对水流的迟滞作用相对来说比较大。按理来说，右汊河道的水流被迟滞，卵石、泥沙等推移质沉积更多，河床应该被抬升[9]，但结果恰恰相反，这是因为水流流速的影响更大。从所选四个断面的流速图表分析来看，总体都是右汊河道流速更大，右汊河道水流裹挟泥沙、推动卵石的作用强度比左汊河道水流高不少，因此沙洲左侧被冲刷蚀退。在河道形态与水流流速的双重影响中，水流流速占据了主导地位。

另外，从图4 断面流速对比图表中可以看出，左右汊河道水流流速差异较大。流速在很大程度上影响着沙洲变化、河道发育以及河床的演变，三者的演化作用又相互影响。图4 中D1断面（沙洲上游）流速呈靠近岸边小，中间流速大的状态。而从图4（b）（c）中可分析出，沙洲洲头两侧流速较大，水动力较强，沙洲上的泥沙颗粒满足其失稳条件[10]。因此，泥沙被水流带走，沙洲变化较大。洲头正前方形成雍水区，流速较小，粗颗粒泥沙粘结力和水柱压力很小，起动后仍在洲头附近运动，而细颗粒泥沙因粘结力和水柱压力远超过重力，起动后失去粘结力和水柱压力而悬浮。因此在水流流速较大地方，沙洲的泥沙起动较大，随水流运动，在流速减小的地方，重力起主导作用而被沉积。从图4 中可看出，流量越大，流速越大，沙洲的泥沙运动也越明显，沙洲的变化也就越大。

流量差异越大，左右汊河道中水流流速差异越大，水流裹挟泥沙的能力也不同。左右汊的泥沙运动状况也不同，沙洲左侧的流速普遍大于右侧流速，结合断面图可得，左侧坡度冲刷后由锐角变化成直角甚至钝角，受冲刷严重，而右侧流速较小，主要为淤积，沙洲的坡度越来越缓，河床逐渐抬升，所以沙洲向河岸凹岸处偏移的趋势越来越大，甚至出现与凹岸侧合并的现象，椭圆形沙洲逐渐向镰刀形沙洲演变。从图4（d）中可看出D4断面的流速差距最小，两汊汇流，对洲尾有一定量的冲刷，因此，在弯曲河流中，镰刀形沙洲的发育也尚不稳定，会逆向上游增长，逐渐形成在顺直河段中较稳定的椭圆沙洲。