高含沙水流游荡型河道滩槽冲淤演变特点及机理分析(王明甫,陈立,周宜林)

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高含沙水流游荡型河道滩槽冲淤演变特点及机理分析水利论文iP+U7n%|Q

王明甫陈立,周宜林(武汉水利电力大学)

摘要:黄河下游游荡型河道河床逐年淤积抬升的众多影响因素中,高含沙洪水起着十分重要的作用,本文根据概化模型试验结果和野外实测资料,分析了高含沙水流游荡型河道滩槽冲淤演变特点,特别提出窄深河槽一方面由高含沙水流自身塑造,另一方面游荡型河道中由高含沙水流塑造的窄深河槽又表现出相对的不稳定性。

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关键词:游荡型河道;高含沙水流;河道演变

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作者简介:王明甫(1929-),男,武汉水利电力大学教授。水利论文 D:G9aL*X5]}W*B5l:F

1 黄河高含沙水流对游荡型河道演变的重要作用水利论文8U x)w1B"A E

  黄河下游游荡型河道河床的逐年淤积抬高和平面上主流的游荡多变是造成下游防洪威胁的重要原因之一,而其根源和问题的关键则是泥沙问题,在泥沙问题中,高含沙水流又起着十分重要的作用。

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  据资料统计分析[1],黄河三门峡站1950~1977年出现的11次高含沙量洪水,历时仅104天,来水量、来沙量分别只占同期总量的2.2%和15.5%,但造成的河道淤积量却达37.3亿吨,占同期淤积总量的57%,可见淤积在下游河床上的泥沙,大部分来自高含沙水流。

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  另外,这11次洪水不仅含沙量高,而且粒径粗,泥沙主要是来自中游黄土高原的粗泥沙来源区,粒径d>0.05mm的一般占全沙的40%以上;不仅淤积量大,而且淤积强度也大,平均每天淤积1880×104~6100×104t。由于流量不大,这些粗沙主要淤积在河槽中,难以被水流挟带冲走,给治理造成很大困难。

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  过去的实践及研究成果均表明[2,3,4],漫滩高含沙水流常造成游荡型河道的槽冲滩淤和整个河段的严重淤积,其剧烈程度远大于一般挟沙水流,特别值得注意的是漫滩高含沙水流所形成的主槽,往往并不稳定,有时伴随冲刷滩地发生滚河现象,一次滚河幅度可达数公里左右。水利论文.yL+{!SAl

  另外,根据资料分析,由于黄河中上游干流水库的兴建和蓄清排浑方式的运用,以及不合理的用水用沙,黄河来水来沙的发展趋势可能使高含沙水流出现的机会越来越多。

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  关于游荡型河道的演变规律和高含沙水流引起的冲淤演变特点,过去的研究成果很多,取得了显著进展,但由于问题的复杂性,有些问题仍应进一步探索,特别是滩槽冲淤的机理和窄深河槽的稳定性。

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2 试验概况

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  研究采用理论分析、模型试验和实测资料分析相结合的方法。图1给出了具有代表性的游荡型河道宽滩窄槽的横断面形式,图2为概化模型的平面布置,模型全长30m,槽宽0.45m,滩地宽1.27m,滩槽高差0.1m,床面纵比降为1/500。水利论文ke P/Qvc+J$A8y!bD

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图1 游荡型河段横断面及其概化水利论文ntg)w D-_B
Generalized chart of the transversesection of the braided reach
0102.gif (3675 bytes)

图2 概化模型平面布置示意图
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Plane sketch of the generalized model

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  试验采用黄河花园口的淤泥,其中值粒径d50=0.03mm,d<0.01mm的细颗粒泥沙占10%。

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表1 试验水沙条件

Flow and sediment condition of the experiments水利论文#`vgF-wOaT%`O{T


组次流量(l/s)含沙量(kg/m3)放水历时(min)

116.04165.090
222.03256.060
325.05430.040
411.26256.040

  试验中模拟高含沙量洪水过程,从涨水到退水共4个流量级,试验的水沙条件见表1。水利论文p I2J1Ig"s B N

  放水前先在定床上施放平滩高含沙水流,主槽内发生淤积,待其塑造出相应的动床河床形态后,以此地形为起始河床的边界条件,再按表1的水沙条件放水。水利论文4SZ3u Q;T8}7m

  试验中观测了滩槽的流速和含沙量分布、床沙和悬沙粒径变化、水位和比降变化过程、断面的形态变化等。水利论文 ^%^,lf5X

3 滩槽冲淤演变过程

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  根据试验观察及上述资料的分析,在本文的模型试验中,滩槽冲淤演变具有以下特点:

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  (1)滩地流速(Uf)均小于主槽流速(Um),其比值随含沙量增加而增大,如当S分别为165、256及430kg/m3时,相应的Um/Uf分别为1.96、3.24及8.0左右;含沙量越大时,滩地相对主槽而言淤积愈多,Sf/Sm愈小,见图3。

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  (2)主槽含沙量及粒径均大于滩地值,Sm/Sf变化于1.1~1.8之间,与过去的研究所显示的黄河高村以上河段的Sm/Sf=1.5相一致。表2列出模型滩槽水流中泥沙粒径的对比。

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  (3)在来水量和含沙量不变的条件下,水位变化有先升后降的趋势,这显然与河床的冲淤变化有关。开始,河床发生淤积,过水断面减小,水位相应抬升;水位抬升使流速和比降加大,本断面转淤为冲,水位又开始下降,如图4所示。比降的变化列入表3。比降变化与水位变化基本相应,且有随含沙量增大而增大的趋势。

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0103.gif (3449 bytes)
图3 Sm/Sf~Um/Uf
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Relation between Sm/SfUm/Uf
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图4 水位变化过程水利论文I ywf#C.c0@e
Variation process of flow stage

  (4)在不同试验组次的水沙条件下,滩槽断面形态的变化与滩槽的冲淤有关。滩地的淤积厚度沿程逐渐减小,见表4。滩地淤积沿横向的分布规律是除滩槽交界处形成滩唇外,其余地带因模型中滩地过窄而淤积厚度差别不大;来水含沙量越大,同一断面的淤积厚度也愈大,见表5。水利论文4s \-JbjF6E

表2 滩槽泥沙粒径对比
Contrast of particle diameter on flood plain to in main channel

试验组次取样编号


D50(mm)d<0.01含量(%)D50(mm)d<0.01含量(%)

Q=16.04l/sS-110.125430.0275
S=165kg/m3S-610

S-00.015530
Q=25.05l/sS-130.025510
S=430kg/m3S-10.03410
S-140.027510

表3 比降J变化过程
Variation process of slope(J)

历时(分钟)010122030354042606590平衡比降(‰)

含沙量水利论文H C'^`7eT-u4k+f4A
(kg/m3)
S=1651.713.483.723.653.033
S=2565.464.14.174.314.313.964
S=4301.883.954.64.6

表4 不同流量级各断面淤积厚度单位:cm
Cross sectional depositions height on different discharges

断面号1234

含沙量(kg/m3)S=1654.672.82.6
S=2566.72.52.32.7
S=4309.48.18.58.8

表5 滩地淤积厚度横向分布单位:cm
Transverse distribution height on flood plain

含沙量(kg/m3)断面号距滩槽交界面距离(cm)

2060100

S=16515.04.54.5
32.82.82.8
44.01.21.6

S=43019.59.29.5
29.37.57.5
39.58.08.0
49.49.08.0

  (5)在第一、二级流量和含沙量条件下,滩地与主槽均发生严重淤积,滩地淤厚大于主槽;含沙量越大,滩槽淤积量也越大。主槽淤积过程中(局部也发生冲刷,但总的是淤积),断面形态逐渐向窄深发展,最深处已接近原定床,如图5;在第三级流量下,主槽已发生冲刷,断面进一步向窄深形态发展,同时在平面上深槽沿程表现为S形,即由右边过渡到左边又转向右岸(见图6),这说明在高含沙水流条件下,深槽具有摆动性。

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图5 不同含沙量下断面形态的变化水利论文 K3v SJH
Variation of section form with different sediment concentration
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图6 断面形态沿程变化水利论文H [ rY/y.wQ m6L
Variation of sectionalform along the flowcourse

4 高含沙水流条件下滩槽冲淤机理分析水利论文4iO8d ])K

  游荡型河道滩槽冲淤演变规律过去的研究成果很多,认识也较一致,即挟沙洪水漫滩后由于滩地糙率大,水深小,流速较小,水流挟沙力很低,滩地发生严重淤积;而主槽由于水流集中,且阻力较小,流速和挟沙力均较大,所以发生冲刷。特别是游荡型河道在纵向上多呈宽窄相间的形态,当滩地淤积后的清水流回下游窄河段的主槽中时,主槽不仅流速大,且水流含沙量小,所以便发生剧烈冲刷,这便是游荡型河段滩槽泥沙交换和槽冲滩淤的演变规律。但对高含沙水流条件下,游荡型河道滩槽冲淤演变规律的新特点,则研究相对较少。

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  天然实测资料及室内试验资料均表明,水流含沙量越大,泥沙粒径越粗,含沙量垂线分布越均匀,直到无分选沉降的伪一相均质流[6]。高含沙水流滩槽冲淤演变规律和来水来沙条件、水流的性质有关。

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  在一个洪峰过程中,含沙量及粒径沿垂线的分布是变化的,当流量上涨时,若含沙量相对较小,泥沙粒径较细,含沙量及粒径沿垂线的分布较不均匀,由于水流比降增大,流速及紊动强度均较大,主槽的挟沙力很高,便发生冲刷,此时进入滩地水流的含沙量及粒径虽也相对较小、较细,但由于滩地阻力大,流速减小,而挟沙力与流速的高次方成正比,所以水流的挟沙能力锐减,因而滩地发生严重淤积;随着洪峰上涨,含沙量及粒径变大,沿垂线的分布也趋于均匀,这时,主槽水流由于单宽流量、比降和流速均很大,挟沙力更高,加上水流粘滞性增大,泥沙沉速降低,表现出高含沙水流挟沙力特别高的特性,所以主槽强烈冲刷,断面也随之向窄深方向发展,此时漫流进入滩地的水流,其含沙量及粒径均相对较大,由于挟沙力依然很低,淤积更加严重,淤积厚度沿横向逐渐减小,在滩槽交界处淤积厚度最大,形成滩唇,使滩槽高差加大(见图5)。在天然河流中也常观测到这种情况,1977年7月和8月黄河花园口两次发生高含沙洪水,其含沙量分别达546和809kg/m3,均发生冲槽淤滩现象,分析表明,主槽剧烈冲刷都在流量上涨、而含沙量上涨较小或降低阶段,特别都是在比降最大时发生[7]

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  高含沙水流的挟沙力除与水流流动条件有关外,还与含沙量、颗粒级配特别是细沙含量等因素关系密切,这些因素的变化将改变高含沙水流的性质。当水流处于阻力平方区时,流速大,水流充分紊动,挟沙力很大;水流处于层流区时,泥沙受离散力作用而悬浮,当γmhJ<τB时,泥浆会停止流动,形成浆河淤积,当γmhJ>τB时,泥浆会整体流动而不停滞。应该指出,天然河道中的高含沙水流一般处于紊流状态,在游荡型河段的宽阔滩地上,可能在局部地区或某一时段会处于层流区,甚至发生浆河淤积。在概化模型试验中,退水时,由于比降小,观察到滩地上类似层流区的水流拉丝移动现象。但未发现有整体浆河淤积现象。在1977年的黄河花园口两次高含沙水流中,在洪峰降落过程中,也发生了主槽平均河底高程的淤积抬升现象[7],原因也是退水时比降减小,流速和挟沙力锐减的结果,至于淤积的程度,则和退水时含沙量的大小有关。

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  综上所述,高含沙水流游荡型河段滩槽冲淤的演变规律是较复杂的,是和洪峰过程中水沙条件组合及水流特性的变化息息相关的。当水流中水沙组合及水流性质使挟沙力大于含沙量时,则主槽自然会发生冲刷,甚至含沙量愈大,这种冲刷愈剧烈,否则,即使含沙量相对较小,主槽也会发生淤积;至于滩地,无论上述那种情况,滩地水流挟沙力总是小于水流含沙量的,因此会发生大量的泥沙淤积。

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5 高含沙水流与窄深河槽的关系水利论文!j.e6SE#i-T

  高含沙水流为了输送其所挟带的大量泥沙,要求具有窄深形态的河槽断面,过去的研究成果对此论述较多[3,9],其原因主要有以下几点:

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  (1)窄深断面符合最佳水力断面的性质,具有较强的过水能力,因而其输送泥沙的能力也最大。水利论文C V#G'H1AC-[5l

  (2)窄深断面河槽单宽流量及流速最大,因而其挟沙力最大,即水流可以挟带的泥沙最多。水利论文 \/KLr.`PP

  (3)高含沙水流挟带了大量泥沙,冲淤调整能力强。

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  因此,高含沙水流通过时,往往水流自身能塑造出与其挟沙能力相应的窄深河槽,模型试验的结果也说明了这一点,图5中在滩槽均发生淤积情况下,由于滩地淤积厚度较主槽大,河槽形态渐向窄深方向发展,图6进一步说明随着主槽主流部分沿程冲深,其断面形态也趋向窄深,在天然河流中更有大量的实例,如上述的1977年黄河花园口高含沙洪水,流量为5000m3/s时,洪水前主槽宽2000m,洪水后减小为700~800m。

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  张红武根据野外实测及模型试验资料,也将高含沙水流的河宽与含沙量的关系整理成以下的形式[4]

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B0.5/H=22+270Sv-1300Sv2水利论文/T:{1sI H4uD

式中 B及H分别为造床流量下的平均河宽及水深,Sv为以体积比计的含沙量。水利论文Kxj xU

  模型试验同时还表明,高含沙水流所塑造出的窄深河槽的主流线在平面上呈S型,见图6,主流位置由1#断面的右岸转向2#、3#断面的左岸,然后又转向4#断面的右岸,由于槽壁为不可冲刷的定床,主流深槽受到约束而呈S型,若槽壁为动床,则主流深槽很可能会发生冲滩而滚动。张红武对1992年黄河花园口河段高含沙洪水的分析及模型试验中均发现,漫滩高含沙水流窄深河槽的断面形态,这种断面形态在单一河道中可以保持较长距离,具有一定的稳定性,但在具有复式断面的宽浅游荡性河道中,顺直的窄深河槽及断面形态难以长距离保持,表现出相对的不稳定性。结果,一场高含沙洪水过后,或发生主流易位河势变化很大的滚河现象,或发生滩地坍塌、窄深河槽被破坏而难以维持的情况。在天然游荡性河道中,高含沙洪水难以塑造出稳定持久的窄深河槽的原因,除其他因素外,这也是主要因素之一,是值得注意的。水利论文-_[h;q%c1^5^9? n1X4oy

6 结论水利论文8Fw2}d:K

  1.高含沙水流游荡性河道滩槽冲淤演变的特点是:滩槽冲淤量和强度都较低含沙水流大。在一个洪峰过程中,水沙条件、水流性质的变化,流区、阻力的变化可集中用水流挟沙力来代表。一般说来,涨峰时,由于比降和挟沙力大,槽冲滩淤,退峰时比降和挟沙力小,滩槽均淤积,但当挟沙力小于含沙量时,涨峰时主槽也会发生淤积,当挟沙力大于含沙量时,退峰时主槽也会发生冲刷。所以高含沙水流滩槽冲淤演变规律是比较复杂的。

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  2.高含沙水流可以自身塑造出与其挟沙能力相应的窄深河槽,高含沙水流塑造的窄深河槽在单一河道中可以保持较长距离,具有一定的稳定性,但在具有复式断面的宽浅游荡性河道中,顺直的窄深河槽及断面形态难以长距离保持,表现出相对的不稳定性。这是游荡性河道中高含沙水流塑造的窄深河槽难以维持的原因之一。

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参考文献

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[3] 齐璞,赵业安。黄河高含沙洪水的输移特性及河床形成问题。黄委会水科所科学研究论文集,第一集。河南科学技术出版社,1989.

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[6] 张瑞瑾,谢鉴衡,王明甫,黄金堂。河流泥沙动力学。水利电力出版社,1989.

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[7] 齐璞,赵业安,樊左英。1977年黄河下游高含沙洪水的输移与演变分析。黄河高含沙水流运动规律及应用前景。科学出版社,1993.水利论文&l3fFeo*r,y!xh

[8] 曹如轩。高含沙水流挟沙力的初步研究。水利水电技术,1983,(5).水利论文,[lk w L1{W0n+d

[9] 齐璞。黄河下游游荡型河道的形成与改造途径——兼论河槽形态与河型。黄河高含沙水流运动规律及应用前景。科学出版社,1993.水利论文1`4c1uFJ"D

[10] 齐璞,梁国亭。调水调沙引起河槽形态迅速调整时的输沙计算方法。黄河高含沙水流运动规律及应用前景。科学出版社,1993.水利论文 I/`V w$e

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