漫滩流量对河床演变及防洪航运的影响研究

2020-10-28李雅琪刘善均于子健

人民长江 2020年10期

李雅琪，刘善均，于子健

(四川大学水利水电学院，四川成都 610065)

流域特有的自然特征决定着流域内的水系形态及产流产沙条件。流域内部水流与河床互相作用构成一个矛盾的统一体[1]。Gilbert是第一位利用水槽研究泥沙运动的泥沙运动力学奠基人，开启了泥沙运动规律与河床演变研究，开创性地提出泥沙运动造成了河床演变[2]。河床演变即当来沙量低于或超过水流挟沙能力,河床产生冲刷或淤积，导致的河床形态变化。目前，国内外科学家针对单一河槽内的泥沙输移特性变化及河床演变过程等开展了大量研究，但当洪水溢出河道，形成复式河道后，水流的原始水力特性改变，水流流速及含沙量均存在横向梯度，横向运输导致主河槽输水输沙能力下降，滩地输水输沙能力增强，使输沙能力变化幅度更大。而且，由于主槽水深大、流速高，滩地水深浅流速低，两部分水力特性相差较大的水流在滩槽交界面处会发生剧烈的动量交换，同时也会产生大量二次流漩涡，使之前的部分研究结果不再适用于复式河道[3-6]。由于复式河道水力特性复杂，近20 a来人们才开始相关研究。吉祖稳等[7-9]根据漫滩水流运动特点将复式断面分区，同时给出各区宽度经验公式、流速垂线分布规律等，获得了水沙横向扩散表达式、解析解, 为复式河道水沙运动的数值求解做出贡献，并通过试验得到滩槽交互区内主槽流速垂线分布的最大值点下移的结论。张明武等在前人研究的基础上探讨了弯曲复式河槽断面流速和挟沙力的横向分布规律[10]。在复式河道流量计算方面，可使用Eq.和ANN模型进行计算与估计，同时M.F.Lambert等提供了有足够精度的复式河道流量及剪切力计算式[11-12]。

然而，天然复式河道的边界均为动床，前人研究结果多是建立在主槽为动床、主槽边界及滩地为定床的假设上，在建模过程中对边界条件有所简化，考虑因素较为单一。近几年，由于极端天气的出现且频率不断加大，如由特大暴雨、洪水，导致河道水位迅猛上涨后又迅速回落，亦或是携带大量固体颗粒，导致流域短时间内泥沙通量迅猛上涨产生强大破坏力的泥石流[13-15]，类似灾害愈发频繁，河床演变愈发剧烈。由简化模型总结出的求解算法较粗糙，引入误差较大，得出的结论不够精确、可靠。河床演变包括河道主槽位置不断摆动、河床高程上下浮动以及河流展宽等，通过影响水流流量、流速及流态，阻隔、扰动甚至破坏河流泥沙通量，威胁各类水利工程的安全，影响航运等人类活动。此外，对于不同水流冲淤条件下山区河流河床形态剧烈调整估计不足，而未能采取相应预防、治理措施，也可能导致自然灾害造成巨大的灾害损失和人员伤亡。虽然冲积性河流水沙变化具有不断走向动态平衡的倾向性，但如今灾害发生频率不断增大，间隔周期有小于河流水沙动态恢复平衡期的倾向。本文基于主槽及滩地均为动床的水槽模型，通过试验分析，从不同流量下产生的河床演变现象对于河道行洪及通航能力的影响方面入手，研究全动床条件下流量变化导致的河床演变对于人类活动的影响。

1 试验概况

试验在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室开展。试验模型为主槽顺直的矩形复式河槽，包括长12 m的上游段，长11 m的展宽段及长3 m的下游段，全长26 m。主槽和滩地均设置为动床，比降3‰，滩地在主槽左右岸分别展开2.1 m。模型首部设有调节阀和静水池以控制和稳定水流。上游来流为清水，水流流经矩形薄壁堰出静水池，经两级消力池和砖石消能构造及长1 m、粒径为2 cm的卵石层消能后，平稳进入模型主槽上游。模型末端是自由跌坎及沉沙池。展宽段每隔1 m设置一个观测断面，记为CS1，CS2，……，CS10。模型尺寸及平面布置如图1所示。为了更精确地模拟冲积平原，试验模型全床面铺沙，主槽及滩地铺沙厚度均为20 cm，滩地铺沙后的平面与主槽边缘相齐平，主槽铺沙平面低于边缘5 cm留作过流输沙空间。铺沙段上游铺以长1 m的卵石段以防上游铺沙被过度冲刷，下游则有相当于铺沙厚度的矩形堰墙挡沙。在铺沙过程中，由于人工找平较难实现，所以主槽左右岸铺沙不对称且左岸中部所铺沙层的厚度略大于两端。试验中水位由LH-1水位仪测得，水位仪按从上游至下游的顺序，依次命名为1，2，3号和4号水位仪，分别位于CS1、CS2、CS6、CS8，每隔2 s测量一次，测量水沙二相流运动过程中主槽及滩地横断面的水深。NiKon全站仪分别架设在展宽断面上游2～3 m及收缩断面下游2～3m处。由于展宽断面及收缩断面一定范围内水流流动紊乱，本次试验选取CS2、CS6及CS8为典型断面。

图1 模型尺寸及平面布置示意(单位：m)Fig.1 Model size and layout

本次试验共设置8个工况，流量分别为Q1=22 L/s(试验平滩流量)，Q2=28 L/s，Q3=30 L/s，Q4=32 L/s，Q5=36 L/s，Q6=40 L/s，Q7=45 L/s，Q8=22 L/s(在第6工况处理后形成的河床上进行试验)。

2 试验结果与分析

造床流量采用平滩流量。经过试验，适用于该模型的平滩流量为22 L/s。河道通航能力指标主要包括航道许可流速、航深、航道宽度、航道转弯半径等。航深是判断河道通航能力的重要指标，本次试验在暂不考虑水流流速及航道宽度的基础上，分析不同流量对于河床的冲刷航深，比较各工况下河道通航能力。航深采用设计最低航行水位至航道底最浅处的水深，试验中的设计最低航行水位取试验过程中的水面高程。

水流进入展宽段后，流态变化较大，河床断面形态也因此发生较大变化。因此，试验主要分析水流进入展宽段后的断面形态。

2.1 单冲刷处理

2.1.1单冲刷条件下河床断面形态变化

试验平滩流量Q=22 L/s，因此在工况一条件下，河床被冲刷。在CS2断面处，当Q<36 L/s时，河床被冲刷；当Q=36 L/s时，床面被冲刷但主槽两边泥沙开始淤积；当Q>36 L/s时，泥沙在主槽全范围淤积，且随着流量的增大，淤积作用越明显。试验后断面形态较原河床对比示于图2。

图2 CS2断面处各工况处理后河床高程同原始河床对比Fig.2 Comparison of riverbed elevation between original condition and treated by various working conditions in CS2

在CS6断面处，各工况条件下，河床淤积，同时随着流量的增加，泥沙淤积厚度增大。试验后断面形态较原河床对比示于图3。

图3 CS6断面处各工况处理后河床高程同原始河床对比Fig.3 Comparison of riverbed elevation between original conditon and treated by various working conditions in CS6

在CS8断面处，Q2=28 L/s时上游来沙量同水流携带走的泥沙量相等，此条件下河床高程值同原始高程值几乎相等；Q>28 L/s时，主槽泥沙淤积，且淤积厚度随流量增大而增加，但Q7=45 L/s时，由于漩涡的发展，主槽边缘出现了凹槽。试验后断面形态较原河床对比示于图4。

图4 CS8断面处各工况处理后河床高程同原始河床对比Fig.4 Comparison of riverbed elevation between original condition and treated by various working conditions in CS8

各工况处理下，3个典型断面处河床冲淤的情况如表1所列。

表1 各工况处理下典型断面河床冲淤情况Tab.1 Scouring and silting of riverbed in typical section under various working conditions

在普通河道中，其他条件一定时，多表现为流量越大造床作用越强。但由图2～4可得：复式河道内，其他条件一定，在流量大于平滩流量一定范围内，流量越大，冲刷作用越弱，甚至当流量增大到一定程度后，水流对于河床的作用已不再是冲刷而表现为淤积，与深槽涨冲落淤的传统认知相悖。分析原因或为：在复式河道内，流量超过平滩流量后，大量水流冲上滩地，滩地上相对水深增大，由于滩地的存在对于主槽水流产生了较大的阻力作用，主槽流速反而较漫滩前有所降低，因此对于主槽的造床作用也有一定程度的减弱。当水流流速低于泥沙起动流速时，泥沙在河床内淤积，同时随着淤积量增加，主槽内水深变浅，进而导致对于泥沙的起动作用进一步降低，河床淤积加重，水深变浅，往复循环。

2.1.2单冲刷条件下河道航深变化

航深与河床高程及水位有关，试验分析中比较航深应将二者结合考虑，但试验观察发现，除尺寸突然变化导致水位大幅度壅高或降低的少数断面外，多数断面水位变化相较河床高程变化来说并不明显。因此在收集了水位及河床高程数据的基础上，多从河床冲淤情况入手分析航深变化。平滩流量Q1=22 L/s，该流量冲刷下河道通航条件不会发生太大的变化。

漫滩流量Q2=28 L/s，CS2处河床为冲刷，冲刷后航深较冲刷前增加0.008 m；CS6处河床高程没有太大变化，该断面处航深变化值为0 m；CS8处河床淤积，航深减小0.003 m。Q3=30 L/s时，CS2处水流表现为对河床的冲刷作用，航深增大0.019 m；在CS6及CS8处，河床淤积，航深分别降低0.022 m和0.009 m。Q4=32 L/s时，在CS2处河床冲刷，在CS6及CS8处河床淤积，过流处理后CS2处航深增加0.012 m，CS6处降低0.018 m，CS8处降低0.015 m。工况Q5=36 L/s、Q7=45 L/s水流处理后，河床均从第二断面开始向下游全断面淤积，航深较处理之前均减小。除Q6=40 L/s的CS2断面处，各工况条件下水位相比于河床高程变化不大。在Q6=40 L/s工况下， CS2断面水位壅高幅度较大，因此航深表现为增大。结合以上对比分析，各工况处理后航深值较试验前变化如表2所列。

表2 单冲刷处理条件下航深变化值Tab.2 Change in the depth of waterway under single flow condition

注：表中正值表示航深增加，负值表示航深降低。

由表2可见，综合考虑水位及河床高程变化，航深随河床冲淤情况变化基本表现为：河床被水流冲刷时，航深有所增大；当河床由于水流作用产生淤积时，航深有所降低。但由于需要同时兼顾水位变化，考虑某些断面尺寸突然变化区域，发生水位壅高现象，因此上述规律并不绝对。在复式河道中，一定流量变化范围内(排除在某些断面尺寸突然变化的特殊断面内水位突然壅高或降低的现象)，航深随流量的变化规律为：复式河道上中下游段，航深基本均表现为随流量增大而降低。因此，漫滩流量下，从航深角度考虑复式河道通航能力，流量越大越不利于河道通航。这一规律与普通河道内，流量越大水流对于河床冲刷作用越显著，航深增加的基本规律相反。但究竟流量增大到何种程度才能够克服边滩阻力，使其流速大于泥沙起动流速，重新冲刷河床，仍需做进一步研究。

2.2 先淤后冲处理

自然界中，河床冲刷形态各异，单冲刷处理试验是研究河床演变的基础，但并不代表自然界中河道冲刷特性表现为单冲刷。实际上，自然界中大部分河床受到水流作用后，表现为冲淤交替。例如，在特大洪水或暴雨经过后，河道中水流流量会在一定时期内恢复到原始水平。接下来的试验将研究大流量作用河床淤积后平滩流量对于河床的再造床作用及对河道行洪及通航能力的影响。

具体试验过程为：在第6组试验工况(Q6=40 L/s)下形成的冲淤床面形态上，先直接用一个很小的流量(Q=5 L/s)冲刷淤积形成的床面；然后，将流量增大至平滩流量(Q8=22 L/s)并不再改变，以此模拟特大洪水、泥石流等自然灾害爆发时河道内流量变化情况。试验结束后，对床面形态进行分析，并与原始床面形态进行比较，以分析较大流量进入河道后，对于河道行洪能力及通航能力的影响。

2.2.1先淤后冲处理条件下床面形态变化

用平滩流量(Q=22 L/s)冲刷第6组试验工况(Q6=40 L/s)处理过后的河床，由于主槽河床为泥沙所淤积，水流会在进入展宽断面后，漫上滩地，形成漫滩水流。第6组试验工况(Q6=40 L/s)下床面冲淤情况为：床面在CS2断面处起淤，往下游淤积高程增大，直到CS9断面处淤积高程达到最大值0.05 m。接下来，淤积高程逐渐减小，在收缩断面边界处水流形成漩涡，冲刷河床产生0.09 m冲刷坑。而第8组试验工况水流(Q8=22 L/s)冲刷后，床面在CS4断面起淤，从CS5断面开始，主槽断面分为左右两部分，左半边床面为泥沙所淤积，右半边床面被冲刷。直到CS9断面，河床又表现为被水流所冲刷。滩地床面形态较之前无明显变化。

第8组工况下水流冲刷过程表现为：先冲刷主槽右侧淤积的泥沙，形成一个很窄的凹槽，并从这个凹槽向左不断侵蚀先前淤积的泥沙。最终，在平滩流量的冲刷下，河道束窄，并形成了新的滩地。

先淤后冲处理后的河床同原河床对比表现为：展宽段内CS2断面上游，床面泥沙高程较原河床没有发生变化；在CS3断面处有冲刷现象，从CS5断面向下游到CS10断面处，主槽内床面形态分为两部分：右半部分床面高程较原床面有所降低；左半部分的床面形态较原床面形态有淤积现象；从CS10断面向下游至断面收缩处的地形与原地形相比则有被冲刷现象，冲刷深度达0.06 m。滩地上床面形态与原地形相比，没有发生较大变化。

2.2.2先淤后冲处理对河道行洪通航的影响

由于第6组试验工况下，淤积高程很大，所以当用平滩流量冲刷其淤积地形时，水流进入展宽段后，便已经成为漫滩水流，导致床面形态重塑，进而影响河道行洪及通航能力。从上述分析可知：CS2断面处是第6组试验工况(Q6=40 L/s)下的泥沙冲淤平衡点，因此平滩流量的作用对河道行洪通航能力没有明显影响。

在CS6断面处，Q8=22 L/s处理后床面分为了两个部分，主槽左半部分较原始河床有所淤高，而右半部分床面高程较原始河床降低很多。同时，CS6断面处实测水位值与滩地床面高程几乎相等。因此可得，由漫滩流量淤积而成的地形在被平滩水流冲刷后，河床出现左淤右冲现象，冲刷河床高程在横断面约1/2处同原始河床高程相等，主槽航道为河床质所束窄。图5为第8组试验工况下CS6断面处河床水位与原河床水位的比较情况。

图5 第8组试验工况下CS6断面处河床高程及水位与原河床水位比较Fig.5 The comparison of riverbed elevation and water level between original condition and treated in CS6 under the 8th condition

试验后，CS8断面处床面高程较原始河床从左到右呈逐渐减低的坡面，冲刷河床高程在横断面约1/2处同原始河床高程相等，主槽航道为河床质所束窄。图6为第8组试验工况下CS8断面处的河床水位与原河床水位的比较。

图6 第8组试验工况下CS8断面处河床高程及水位与原河床水位比较Fig.6 The comparison of riverbed elevation and water level between original condition and treated in CS8 under the 8th condition

综上，有大流量通过时，河道主槽床面发生淤积，即使大流量通过后，上游来流量恢复到适用于原河床的平滩流量，水流也会溢出主槽、漫上滩地，形成漫滩水流，最终，在大小漫滩水流的连续作用下，河道中下游被束窄，明显影响河道的行洪能力，从航深角度分析河道通航能力也有所减低。