水沙变化条件下不同边界弯曲河道演变特征研究

陈羿名 渠庚 郑承太 胡呈维 栾华龙

摘要：弯曲河道具有迂回曲折的外形和蜿蜒蠕动的动态特征，其形成、发展和演变是受多种因素综合影响的复杂过程。为研究水沙变化条件下弯曲河流的河道演变特征，采用自然模型法在室内水槽中塑造出相对自然的弯曲河道，设置有、无护岸措施两种工况进行模型试验。结果表明：在有护岸措施条件下，河道纵剖面

上游段冲刷下切、下游段变化不大，河道整体比降呈减小趋势，河道深泓弯曲度减小，其演变响应特性对含沙量的变化更敏感；在无护岸措施条件下，河道滩槽演变调整作用较强，纵剖面呈整体式下切，且下游段纵剖面下切幅度较上游段大，河道深泓弯曲度逐渐增大，其演变响应特性对流量的变化更敏感。弯曲河道发生演变的实质是变化的水沙条件与河道形态调整之间相互适应的过程，演变的最终趋势是河道的形态结构与水沙条件达到相互协调的平衡状态。

摘要：弯曲河道； 水沙变化； 河道演变； 自然模型； 护岸措施

中图法分类号： TV142

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.003

0 引 言

弯曲河道具有迂回曲折的外形和蜿蜒蠕动的动态特征［1］，其形成、发展和演变是受多种因素综合影响的复杂过程［2］。在河道上游修建水库后，下游弯曲河道的水沙条件发生变化，水沙运动和河道演变特征随之改变。如三峡工程运用后，下荆江部分弯曲河道滩槽冲淤变化幅度较大，凹岸深槽明显淤积、凸岸边滩大幅冲刷（而非建库前弯曲河道凹岸崩退、凸岸淤长的一般变化规律）［3］，弯顶断面形态由偏“V”形向“W”形调整，单深槽逐渐转化为双深槽［4］，弯道“撇弯切滩”的现象日益明显，局部河段河势发生明显调整［5-6］。

前人针对弯曲河道的水沙运动与河道演变规律开展了大量的原型观测分析、水槽试验以及数值模拟研究。实测资料分析的内容主要为河道形态演变规律和河弯演变过程中发生的“切滩撇弯”现象，姚仕明等［7-8］通过实测资料分析发现，丹江口水库建成后，下游的皇庄至岳口弯曲段，弯道水动力轴线出现偏离凹岸趋中的现象；周祥恕等［9］研究结果表明，三峡水库运用后，下荆江来家铺弯道段主流出现摆动，细沙大幅度减少，导致凸岸边滩、高滩冲刷后退。水槽试验研究的主要内容包括弯道横向侵蚀、河床演变影响因素及规律等，如Hong等［10］在室内通过人造洪水研究了洪水对弯曲河道的影响作用；Constantinescu等［11］通过对比圆心角为135°和193°的弯曲河道演变情况，指出曲率较大的弯道具有更复杂的水动力学和冲淤特性；余明辉等［12］研究了弯道段凹岸坡脚处成型崩塌体在水力作用下的输移过程，及其对岸坡稳定性与河床冲淤的交互影响作用；岳红艳等［13］采用不同粒径的新型复合塑料沙研究了弯曲河道二元结构河岸崩塌过程。随着计算机硬件和软件的发展，数值模拟也逐渐成为弯曲河道演变规律研究的手段之一，如Ikeda等［14］在假设河岸侵蚀速率與近岸流速成正比的基础上，开发了用于模拟弯曲河道形成和演变的数学模型，此模型随后被许多学者借鉴应用［15］；Odgaard［16］假设河岸的冲刷速率与河岸附近的水深成正比，通过线性化处理，得到了弯道演变的模型；但Darby等［17］认为上述模型存在河岸侵蚀系数不是根据泥沙的性质决定，而是通过率定得到，以及模型对河宽的变化考虑较少等缺点，并利用动网格建立了弯道平面二维模型。

上述有关弯道河床演变规律方面的研究中，原型观测分析仅能基于实测资料，难以研究河道边界条件对河道演变的影响，水槽试验和数值模拟研究大多为概化模型，在建模过程中一般含有较多简化和假设，难以真实地反映水沙条件和边界条件对自然弯曲河道演变的影响。本文采用自然模型法，在室内水槽中塑造出相对自然的弯曲河道，通过改变上游来流的水沙条件和河道边界条件，分析在有、无护岸措施条件下，水沙条件发生变化时弯道段的滩槽演变特性。

1 自然模型构建

试验水槽长50 m、宽6 m，分为进口过渡段、试验段、出口过渡段和尾门4个部分（见图1）。水槽导墙两侧设置有固定的水位站混凝土墩，用以固定水位站测针。试验过程中，通过调节尾门开度来调节尾门水位，进而控制模型水位和流速，使之达到试验要求。

1.1 模型水槽设计

试验水槽全长50 m，中间试验段长34 m。试验开始前，先在水槽底部铺上一定厚度的模型沙，水槽中间预留一条断面为梯形的顺直渠槽，梯形断面的坡比为1∶1，渠槽纵向比降为1‰。试验段上游侧铺沙向上游延伸2 m，上游侧预留一定长度的过渡段，下游侧铺沙向下游延伸2 m，同样预留一定长度的过渡段。

1.2 模型沙铺设

为了模拟天然弯曲河道的演变特征，采用中值粒径分别为0.2 mm和0.5 mm的塑料合成模型沙进行试验，湿容重为1 380 kg/m3。为模拟天然冲积性河道河床泥沙的分层状态，模型沙采取分层铺设方式（见图2），以利于河道的刷深和形态的塑造。试验过程中模型进口采用中值粒径为0.2 mm的模型沙。初始水槽形态全景图见图3。

1.3 稳定弯曲河道造床过程

1.3.1 造床试验要素确定

在正式试验开始前，根据自然模型法的要求进行了多组尝试性试验，通过对尝试性试验获取的试验资料进行分析，确定了合适的造床相关试验要素，如表1所列。

1.3.2 稳定弯曲河道形成

按照表1的水沙条件放水运行4个循环周期后，所形成的弯曲河道整体趋于稳定，局部小范围仍有小幅度冲淤交替变化，采用人工回填模型沙的方式补齐被冲刷的凸岸边滩，使弯曲河道保持相对理想的弯曲形态。弯曲形态修补工作完成后，用粒径为3～6 mm的碎瓜米石对易冲刷崩退的岸段加以护岸，以限制河道在随后的放水试验中持续崩岸展宽，碎瓜米石护岸范围为河床至滩地，护岸厚度约为1 cm（见图4）。

对修补后的弯曲河道模型继续按照表1的水沙条件循环放水，每完成一个循环周期，采用ABF 2-3二维地形测量系统对河道模型进行一次地形测量，并用大疆无人机航拍记录一次河道整体形态，直至河床地形和河道形态不再发生明显的变化，即认为弯曲河道模型已达到输沙相对平衡状态（见图5）。

2 水沙变化条件下弯曲河道演变研究

2.1 试验工况

利用上述已达到输沙平衡的自然弯曲河道模型开展水沙变化条件下弯曲河道演变试验，试验设置A、B两组工况，水沙条件相同（详见表2），但河道边界不同。工况A的初始条件直接采用已达到输沙平衡的自然弯曲河道模型，来水来沙减小，有护岸;工况B同样也是来水来沙减小，但河道两岸不再加以碎瓜米石护岸，且不设置任何人工干预措施。模型设置了14个监测断面，对水位、断面的流速、含沙量进行测量。试验过程中选择一个弯道段（J7～J12）为主要研究对象（各监测断面平面布置情况见图6）。

2.2 模型试验结果

2.2.1 河道形态和地形变化

图7展示了在有、无护岸措施两种情况下不同监测时期河道整体形态的变化情况。从河道的整体形态变化来看，在有护岸措施的情况下，河道的整体形态维持相对稳定，河道达到相对平衡前，在洪、中、枯交替流作用下，河道内浅滩有交错变化的趋势。

在无护岸措施的情况下，河道整体形态发生了较大的调整，河道上下游段表现出了不同的演变趋势。从上游段的形态变化来看，主要形成了交错边滩，深槽略有趋直的趋势。从下游段的形态变化来看，弯道段凹岸持续崩退而凸岸持续淤长，弯道段弯曲程度不断增大，直至96 h 形成“Ω”形弯道，弯道颈口达到最窄，随后颈口又出现展宽趋势，紧邻的上游侧弯曲程度也逐步增大。

图8展示了在有、无护岸措施两种情况下不同监测时期河道典型监测断面的地形变化情况。其中，J8断面和J10断面分别为弯道进口断面和弯顶断面。在有护岸措施的条件下，水沙条件改变后，J8断面深泓向凹岸一侧移动，而凸岸侧原有深泓则出现淤积，新刷出的深泓与原有深泓相比深度更深；J10断面凸岸一侧出现淤积，而凹岸一侧略有冲刷。而在无护岸措施的条件下，河道横断面形态调整较大，河岸崩退明显。J8断面深槽由原来的凹岸侧移动至凸岸侧，有明显的的切滩特征。J10断面凹岸侧和凸岸侧河岸均出现崩退，断面形态有从偏“V”形转向偏“W”形的趋势，且凸岸侧出现了突发式崩退。

试验表明，当水沙条件发生变化，在有护岸措施的情况下，由于河道边界存在护岸措施的强力约束作用，河道横向抗侵蚀能力较高，河道岸线基本稳定，整体形态不会产生较明显的调整。河道地形会发生调整，由于洪水期流量削减，来流过程流量变幅减小，致使凸岸浅滩在洪水期滩面流速减小，浅滩部分容易出现淤积抬高，而凹岸侧主流趋于深槽并集中，致使凹岸侧有刷深趋势。而在无护岸措施的条件下，河道的整体形态和地形会有较大的调整，且产生的调整作用在河道的上、下游段并不相同。造成这种现象的原因主要是上、下游段河道边界条件不同。虽然上、下游河道均未采取任何护岸措施，河道的横向抗侵蚀性差异并不大，但在初始时，下游段河道边界弯曲程度较上游段大，上、下游段在初始时河道边界弯曲度的不同可能是造成上、下游段河道产生差异性调整的重要原因。

2.2.2 河道深泓弯曲系数变化

图9展示整个河道的深泓弯曲系数随试验累计历时的变化情况。当来流水沙条件发生变化时，在有护岸措施的情况下，河道的深泓弯曲系数整体呈减小趋势。流量的减小和含沙量的增大，均会促使河道的弯曲系数向增大的方向演变［18］。而在该组试验中，水沙条件发生变化时，如果仅考虑最大流量减小所产生的影响，那么河道的弯曲系数会增大；如果仅考虑来流含沙量减小所产生的影响，那么河道的弯曲系数会减小。在两种因素共同作用下，河道弯曲系数向减小的趋势发展，说明这时含沙量的减小是影响河道弯曲度变化的主要因素。而在无护岸措施情况下，河道的深泓弯曲系数整体呈增大趋势。这说明，流量的减小所产生的使河道弯曲系数增大效应，超过了含沙量的减小所产生的使河道弯曲系数减小的效应，即流量减小是影响河道弯曲度变化的主要因素。

2.2.3 河道纵剖面变化

河道纵剖面是从河源到河口河床床面最低点的连线。根据J2～J13断面所测得的地形数据资料，以J2断面为起始断面，J13断面为终止断面，绘制出J2～J13河段河道纵剖面随试验历时的变化情况（见图10）。

上游来流水沙条件发生变化后，在有护岸措施的情况下，河道纵剖面整体呈下切趋势，从沿程纵剖面下切的幅度来看，这种下切趋势是以下游段某一侵蚀基准为支点呈旋转式下切，上游段河道纵剖面下切的幅度较下游段下切的幅度大。从整体河道纵剖面比降变化来看，河道纵剖面平均比降向减小的趋势发展。

而在无护岸措施情况下，河道纵剖面随试验历时的变化情况表现出了不同的特点。从河道纵剖面整体变化情况来看，河道纵剖面整体呈下切发展趋势；从河道纵剖面沿程调整的幅度来看，下游段纵剖面下切的幅度较上游段大，河道纵剖面比降有增大的趨势；从变化的趋势来看，随着试验持续进行，纵剖面持续性下切会逐渐向上游段发展，河道纵剖面比降在最终河道恢复到新的平衡态时有再次减缓的趋势。

试验表明：在有护岸措施条件下，当河道内水流含沙量锐减时，河床由于受到冲刷而致使河道纵剖面侵蚀下切，由于水流挟沙量沿程恢复等原因，沿程水流对河床的冲刷能力减弱，从而使得下游段河道纵剖面下切的幅度较上游段小。

当河道水沙条件发生变化而失去平衡时，河流会产生一定的调整作用，这种调整作用驱使河流演变至新的平衡状态。当上游来沙减少时，河道会向纵剖面平均比降减小的趋势发展，是因为河道比降的减小会导致水面比降随之减小，进而使得河道内水流流速减小，水流挟沙力减小，从而减弱对河道的冲刷，直至河流恢复到新的平衡状态。

而在无护岸措施情况下，当上游来流水沙条件变化而使来流含沙量减小时，河道纵剖面同样会出现下切现象。河道通过产生这种调整作用以适应新的水沙条件，而这种调整作用沿程表现出不一致性，下游段调整作用较强而上游段较弱。对于纵剖面变化而言，使得下游段调整作用较强的原因是下游段水流下切能力较强。河道中水流流态为缓流，水面比降与河道比降密切相关，河道纵比降越大，则水面纵比降也越大，单位水体所具有的能量越高，从而使水流对河道纵剖面的下切能力越强。随着演变过程中河道的持续下切，河道抗下切能力也会随着床沙组成的变化而增强，这种增强作用主要表现为两个方面：一方面是床沙沿程组成不同；另一方面是随着试验的进行整个河段床沙会逐步粗化。在两方面因素作用下，河道整体纵剖面比降由下游向上游逐步减缓，下切幅度随着试验的进行而逐步减小。

2.2.4 主流线与深泓线变化

图11展示了河道内深泓线和主流线的平面位置变化情况。在有护岸措施的条件下，从深泓线随试验历时的变化情况来看，深泓线在整个河段的摆动趋势是逐步向河道各段的凹岸侧贴近；从深泓线沿程的摆

动幅度变化情况来看，河道上游段深泓线摆动的幅度较河道下游段的摆动幅度大。从主流线随试验历时的变化情况来看，主流线在整个河段的摆动趋势具有一定的趋中性，相比于周期1，周期3和周期5时主流线相对偏离了河道各段的凹岸侧；从主流线沿程的摆动幅度变化情况来看，河道中上游段主流线摆动的幅度较河道的中下游段摆动幅度大，在各弯道段主流顶冲点的位置无明显变化。从深泓线和主流线的相对位置变化来看，周期1时深泓线和主流线相对偏离度最大，周期3时次之，周期5时最小，但深泓线和主流线并不重合。

而在无护岸措施的情况下，深泓线和主流线在河道演变过程中具有以下特点：从深泓线平面位置变化来看，深泓线弯曲程度逐渐增大，各段弯顶点逐渐向下游移动，且下游段深泓线摆动的幅度较上游段大。从主流线平面位置变化来看，主流线弯曲程度逐渐增大，各段弯顶点逐渐向下游移动，且下游段主流线摆动幅度较上游段大。从深泓线和主流线的相对位置变化来看，周期1时深泓线和主流线相对偏离度最小，周期3时最大，至周期5时又减小，深泓线和主流线在不同周期均不重合。

试验表明：当上游来流水沙条件发生变化时，在河流恢复到新的相对平衡状态过程中，河道深泓和主流会作出相应的调整。在有护岸措施的情况下，这种调整作用从上游到下游呈减弱趋势，上游段首先对水沙条件变化产生响应，这种响应随后传至下游段。上游段之所以产生的调整作用较下游段强，可能的原因有两点：一方面是由于河道受到冲刷，沿程床沙补充了来流中减少的沙量；另一方面则是受河道边界条件的约束，沿程水流结构的自身调整作用使得水流由上而下逐步与河道形态相适应。

而在无护岸措施的情况下，河流在恢复到新的相对平衡态的过程中，河道深泓和主流产生的调整作用同有护岸措施相比显著不同。从沿程发生调整作用的强弱程度来看，下游段调整作用较上游段强；从主流深泓相对位置变化来看，二者在试验期内未表现出相互趋近性；从弯曲度发展趋势来看，二者弯曲程度均呈增大趋势，各段弯顶点均逐渐向下游移动。

3 结 论

本文采用自然模型法，在室内水槽中塑造出相对自然的弯曲河道，设置有、无护岸措施两种工况，研究水沙条件发生变化情况下弯道段的河道演变特性，主要得出以下结论：

（1） 在有护岸措施的条件下，当来流水沙条件发生变化后，从河道形态变化来看，河道岸线基本稳定，整体形态无明显变化；从河道地形变化来看，由于洪水期流量减小，水流含沙量降低，且水流集中于深槽，弯道段凹岸侧出现刷深而凸岸侧淤积抬高；从河道弯曲系数变化来看，弯曲系数的变化对含沙量的减小更敏感，在水沙因素综合作用下逐渐减小，河道弯曲度向减小的趋势发展；从河道纵剖面变化来看，河道纵剖面以下游侧为基点呈旋转式下切，上游段下切幅度较下游段大；从主流深泓变化来看，由于河道边界的约束作用较强，深泓和主流摆动幅度较小，各弯道段深泓趋于贴近凹岸发展，而主流表现出趋中趋势，主流深泓有趋近趋势。

（2） 在无护岸措施的条件下，当来水来沙條件发生变化后，从河道形态变化来看，河道岸线崩退明显，整体形态变化较大；从河道地形变化来看，由于失去了河道边界的强力约束作用，断面展宽明显，横断面形态变化较大，深槽浅滩可能出现易位；从河道弯曲系数变化来看，弯曲系数的变化对流量的减小更敏感，在水沙因素综合作用下逐渐减小，河道弯曲度向增大的趋势发展；从河道纵剖面变化来看，河道纵剖面出现了整体性下切，下游段下切幅度更大；从主流线及深泓线变化来看，由于失去了河道边界的强力约束作用，深泓线和主流线摆动幅度较大，弯道在演变过程中深泓和主流的弯顶点均向下游侧移动，但主流线和深泓线在试验期未表现出趋近趋势。

（3） 对比流量变化和含沙量变化的影响，在有护岸措施的条件下，河道的演变响应特性对含沙量的变化更敏感；而在无护岸措施的条件下，河道的演变响应特性对流量的变化更敏感。

（4） 一定的护岸措施能对于弯道在演变过程中保持河势相对稳定具有良好的控制效果，在河道沿程横向抗侵蚀能力差异性不大时，要控制弯道形态相对稳定，需要对河道边界弯曲度更大的河段加以护岸控制。

（5） 弯曲河道发生演变的实质是变化的水沙条件与河道形态的调整相互适应的过程，演变的最终趋势是河道的形态结构与水沙条件达到相互协调的平衡状态。

但由于天然弯曲河流的演变受多重因素的共同影响，如地形地貌、泥沙粒径与级配等，本文仅考虑了护岸措施影响，研究成果在工程应用中需结合天然河道的实际情况综合研判。

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（编辑：胡旭东）

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