邊灘對彎曲分汊河段河床演變影響分析

付中敏，鄭驚濤，王平義，劉懷漢，韓 婷

(1重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074;2長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢430011)

長江中游淺灘眾多，礙航問題復(fù)雜，成為制約航運(yùn)發(fā)展的“瓶頸”，三峽工程蓄水運(yùn)用后，將引起中游淺灘航道條件新的變化，部分淺灘航道條件還將進(jìn)一步惡化［1］。長江中游典型彎道段淺灘成因及演變機(jī)理問題的研究，是長江航道治理關(guān)鍵技術(shù)中重要的必不可少的組成部分，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，取得了一些成果［2－7］，為長江航道的治理提供了思路。筆者擬在前期研究工作的基礎(chǔ)上，著重研究長江中游典型彎道段淺灘成因及演變機(jī)理，在通過大量相關(guān)資料的收集、分析，在弄清彎道段淺灘成因及演變的一般規(guī)律后，選擇窯監(jiān)河段為依托工程進(jìn)行水槽概化模型試驗(yàn)，對邊灘對彎曲分汊河段河床演變影響研究，包括河段深泓線的變化、橫斷面形態(tài)的變化、主流線的變化以及江心洲的穩(wěn)定性分析等。研究成果將為長江中下游航道系統(tǒng)的整治工程提供參考，能夠?yàn)榻鉀Q彎曲分汊河段的一系列問題提供一定的理論依據(jù)，同時(shí)，也將豐富航道整治學(xué)科的內(nèi)容。

1 概化模型試驗(yàn)的設(shè)計(jì)［8］

1.1 比尺擬定

長江中游河段邊灘一般尺度均較大，從灘頭到灘尾的距離(航行基面)變幅較大，少則數(shù)km，多則十幾km，灘頂寬度和左右兩側(cè)的坡度變幅也較大，試驗(yàn)需模擬的原型河道長度也較大，水槽概化模型難以按比尺相似模擬。由于本試驗(yàn)主要研究主支汊道和灘頭、灘尾周邊水流與河床泥沙運(yùn)動(dòng)特征，所以對于灘型只能作概化模擬，本次試驗(yàn)平面上主要考慮形態(tài)相似。

根據(jù)概化水槽模型試驗(yàn)場地，最大河寬可取4m，故模型江心洲最寬取為2.4m。對于河道整治建筑物，因需研究局部沖刷問題，模型斷面形態(tài)則按1∶60正態(tài)縮小。流速比尺為:λv=7.75 。

懸沙中床沙質(zhì)部分及沙質(zhì)推移質(zhì)泥沙(d=0.1～1.0 mm)比尺的確定根據(jù)實(shí)測資料，本河段的沙質(zhì)推移質(zhì)的粒經(jīng)如下:d5=0.09 mm，d50=0.18 mm，d95=0.25 mm。

由于這種推移質(zhì)細(xì)沙有時(shí)處于懸移質(zhì)狀態(tài)，形成懸移質(zhì)泥沙的床沙質(zhì)部分，有時(shí)則處于推移狀態(tài)。因此，這部分泥沙既要滿足推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)相似，同時(shí)還要滿足懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的懸浮相似。由于本試驗(yàn)為清水沖刷概化模型試驗(yàn)，模型最重要的是應(yīng)該滿足起動(dòng)流速相似條件。經(jīng)過泥沙起動(dòng)試驗(yàn)，最終確定模型沙選用天然沙，d50=0.15 mm。

1.2 模型形態(tài)及橫斷面布置

模型河底坡降取0.1‰。進(jìn)出口順直段橫斷面取矩形，長度按照彎道動(dòng)力學(xué)要求取進(jìn)出口寬度的3～5倍設(shè)計(jì)，以保證進(jìn)口順直段水流呈均勻流狀態(tài)，水流出彎后環(huán)流充分衰減。彎曲分汊段江心洲按梯形概化，兩岸概化為垂直邊壁。概化模型進(jìn)出口順直段橫斷面按1m等間距布置，彎曲段按16°分割，在彎頂附近適當(dāng)加密，且在烏龜洲洲頭、彎頂和洲尾布置控制橫斷面。本試驗(yàn)考慮到窯監(jiān)河段的發(fā)展演變過程，主要研究右汊為主汊，有邊灘和無邊灘2種情況，2種洲灘型式的模型平面布置圖如圖1，其中分流區(qū)的代表斷面為6#，分汊區(qū)的代表斷面為11#，匯流區(qū)的代表斷面為16#。

圖1 模型示意Fig.1 Model sketch map

1.3 模型試驗(yàn)工況

試驗(yàn)控制流量和水深同定床試驗(yàn)條件，具體工況表如表1。模型河床、烏龜洲、洋溝子邊灘和新河口邊灘按與原型相似進(jìn)行鋪沙和塑造，然后開展清水沖刷試驗(yàn)，觀測河床及烏龜洲演變情況。

表1 模型試驗(yàn)工況Tab.1 Model experiment conditions

2 有無邊灘河床變形對比

2.1 深泓線的變化

圖2給出了流量一定時(shí)有無邊灘深泓縱剖面河床高程對比關(guān)系。由圖2可知，在各種工況下，有邊灘和無邊灘時(shí)的沖淤規(guī)律沒有大的改變，有邊灘時(shí)平均河床高程比無邊灘時(shí)略低。

圖2 流量一定時(shí)有無邊灘深泓縱剖面河床高程Fig.2 Riverbed elevation diagram of thalweg profile with and without point bar when the flow is fixed

2.2 橫斷面的變化

為了研究隨著流量和水深的變化，河道橫斷面的變化情況，選擇分流區(qū)、分汊區(qū)和匯流區(qū)有代表性的斷面進(jìn)行分析。

2.2.1 分流區(qū)

在分流區(qū)選擇有代表性的6#斷面來具體分析邊灘對河床橫斷面的影響，如圖3。圖3中給出了各種工況下，右汊為主時(shí)有無邊灘分流區(qū)橫斷面對比情況。通過對3組工況有無邊灘情況的對比，不難得出:所有工況在有邊灘時(shí)，由于受到進(jìn)口左岸邊灘的影響，水流較無邊灘時(shí)偏向右岸，斷面的最底點(diǎn)也相應(yīng)偏向右岸。

圖3 流量一定時(shí)有無邊灘分流區(qū)6#橫斷面對比Fig.3 Comparison diagram of the sixth horizontal section indiversion area with and without point bar when the flow is fixed

2.2.2 分汊區(qū)

在分汊區(qū)選擇有代表性的彎頂斷面(11#)來具體分析邊灘對河床橫斷面的影響，如圖4。圖4中給出了各種工況下，右汊為主時(shí)有無邊灘分汊區(qū)橫斷面變化情況。通過對3組工況有無邊灘情況的對比，不難得出:所有工況在有邊灘時(shí)，由于受到右岸邊灘的影響，水流較無邊灘時(shí)偏向左岸，江心洲右沿沖刷幅度較無邊灘時(shí)大，斷面的整體形態(tài)也相應(yīng)偏向左岸。

圖4 流量一定時(shí)有無邊灘分汊區(qū)11#橫斷面對比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 匯流區(qū)

在匯流區(qū)選擇有代表性的16#斷面來具體分析邊灘對河床橫斷面的影響，如圖5。圖5中給出了各種工況下，右汊為主時(shí)有無邊灘匯流區(qū)橫斷面變化情況。通過對3組工況有無邊灘情況的對比，不難得出:所有工況在有邊灘時(shí)，由于受到右岸邊灘的影響，水流較無邊灘時(shí)偏向左岸，江心洲右沿沖刷幅度較無邊灘時(shí)大，斷面的整體形態(tài)也相應(yīng)偏向左岸。

圖5 流量一定時(shí)有無邊灘匯流區(qū)橫斷面對比Fig.5 Comparison diagram of horizontal section in confluencearea with and without point bar when the flow is fixed

2.3 江心洲的穩(wěn)定性分析

2.3.1 江心洲體積的變化

因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)是清水沖刷實(shí)驗(yàn)，故江心洲總的變化趨勢表現(xiàn)為沖刷。圖6給出了有無邊灘各個(gè)工況下，江心洲體積變化的對比情況。

圖6 有無邊灘各工況下江心洲體積對比Fig.6 Comparison diagram of river island volume in different operating modes with and without point bar

由圖6可知，各個(gè)工況下江心洲的總體變化趨勢都表現(xiàn)為沖刷，體積有不同程度的減小。有邊灘時(shí)，相當(dāng)于減小了有效的過水面積，流速增大，水流挾沙力相應(yīng)加大，江心洲體的沖刷量相對增加，有邊灘時(shí)的江心洲體積比無邊灘時(shí)要小。

2.3.2 洲頭洲尾的變化

圖7給出了各種工況下，右汊為主時(shí)有無邊灘洲頭橫斷面變化對比情況。通過對3組工況有無邊灘情況的對比，不難得出:所有工況在有邊灘時(shí)，由于受到右岸邊灘的影響，水流較無邊灘時(shí)偏向左岸，江心洲右沿沖刷幅度較無邊灘時(shí)大，斷面的整體形態(tài)也相應(yīng)偏向左岸，從整體上看，變化幅度較小。

圖7 有無邊灘流量一定時(shí)洲頭橫斷面對比Fig.7 Comparison diagram of island head horizontal section with and without point bar flow

圖8給出了右汊為主時(shí)，各種工況下，有無邊灘對洲尾橫斷面變化的影響對比情況。通過對3個(gè)工況有無邊灘情況的對比，不難得出:在有邊灘時(shí)，由于受到右岸邊灘的影響，水流較無邊灘時(shí)偏向左岸，江心洲洲尾右沿沖刷幅度較無邊灘時(shí)大，斷面的整體形態(tài)也相應(yīng)偏向左岸。

圖8 有無邊灘流量一定時(shí)洲尾橫斷面對比Fig.8 Comparison diagram of island tail horizontal section with and without point bar flow

3 結(jié)論

邊灘大量存在于長江中下游河道，對長江航道演變發(fā)展產(chǎn)生較大影響，為了確保長江航道通常，采用水槽試驗(yàn)對邊灘的影響作用進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為:

1)有邊灘和無邊灘條件下河床的深泓線變化規(guī)律相同，有邊灘時(shí)平均河床高程比無邊灘時(shí)略低。

2)對于分汊區(qū)和匯流區(qū)，水流較無邊灘時(shí)偏向左岸，江心洲右沿沖刷幅度較無邊灘時(shí)大，斷面的整體形態(tài)也相應(yīng)偏向左岸。

3)邊灘對江心洲的演變也產(chǎn)生較大影響，有邊灘時(shí)的江心洲體積比無邊灘時(shí)要小。洲頭斷面和洲尾斷面水流較無邊灘時(shí)偏向左岸，江心洲右沿沖刷幅度較無邊灘時(shí)大，斷面的整體形態(tài)也相應(yīng)偏向左岸，從整體上看，變化幅度較小。

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