（水力学及河流动力学专业论文）山区弯曲分汊河道演变特征试验研究.pdf

摘要 弯曲放宽分汊河段是广泛存在于我国西南山区河流中的一种比较特殊的河 型，长江上游神背嘴、风簸碛、铜鼓滩、瓦窑滩、落锅滩与吊鱼咀等滩险均属于 此河型，其碍航特征表现为弯、浅、险，是航道整治中最为复杂的滩险之一。根 据目前山区河流航道整治现状和工程技术的实际需要，有必要对于此类弯曲分汉 河道产生的碍航问题进行定性的试验研究。 本文以交通基础科技项目“山区弯曲放宽河段汊道形成机理和整治研究”为 研究背景，通过对长江上游山区弯曲分汉河流原型资料的分析整理，依据枯水主 槽在过渡放宽河段所处的相对位置，将山区弯曲分汊河流分为两类，第一类枯水 主槽位于凸岸下方，第二类主槽位于凹岸。采用定床输沙概化模型进行河道的冲 淤演变特征的试验研究。 依据前期的弯曲放宽河段动床试验结果，分析了水沙流量过程、节点形态 和左右汉道河底相对高程对河势演变的影响，确定了试验的边界条件。 枯水主槽位于凸岸下方的第一类汊道的演变过程表明，多个水沙流量过程 后，河道处于相对均衡状态。右槽同一水沙过程呈现洪淤枯冲的演变规律，不同 过程间的演变幅度不大。根据其演变特征表明，在右槽进口、中部和出口泥沙容 易淤积而存在碍航问题。 枯水主槽位于凹岸的第二类汉道，右槽处于累计淤积状态，多个流量过程后， 右槽演变为分流量较小的支汉。天然河道如德感坝、芙蓉坝、古贤坝等多为凸岸 支汊较弱或中洪水期才分流的河道。左槽主汉，流速比降较大中下段可能形成急 流碍航滩险。 在概化模型河道处于均衡状态的基础上，针对枯水主槽的碍航特征，进行不 同类型的航道整治方案的对比试验，试验表明第一类汊道采取洲头导流坝与右槽 凹岸丁坝群的整治方案的整治效果相对较好。 上述山区弯曲放宽河段汊道的河床演变、碍航特征的研究成果，在川江上游 的铜鼓滩、风簸碛滩的整治实践中得到了较好的印证。 关键词：山区河流；弯曲分汊河道；概化试验：演变特征；航道整治 a b s t r a c t b e n d i n g - w i d e n - b r a i d e d f i v e rr e a c hi sam o r es p e c i f i ct y p eo ft h er i v e r w i d e s p r e a di nm o u n t a i nr i v e r si ns o u t h w e s tc h i n a , i nt h eu p s t r e a mo fy a n g t z er i v e r t h e r ea r es h e n b e im o u t hf e n g j is h i n g l e ，t o n g g ub e a c h , w a y a ob e a c h , l u o g u ob e a c h a n dd i a o y um o u t hw h i c hb e l o n gt ot h i sr i v e rt y p e ，t h en a v i g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r e c u r v e d , s h a l l o w , d a n g e r o u s ，w h i c hi so n eo f t h em o s tc o m p l e xr a p i d si nt h ec h a n n e l r e g u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts t a t u so f m o u n t a i nr i v e rc h a n n e lr e g u l a t i o na n d e n g i n e e r i n go ft h ea c t u a ln e e d s ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h en a v i g a t i o nb r o u g h tb y s u c hb e n d i n gb r a i d e dr i v e rt h r o u g hq u a l i t a t i v ee x p e r i m e n t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h eb a c k g r o u n do ft r a n s p o r t 蛐c t u r ep r o j e c t s ”m o u n t a i nr i v e ri n l e tb e n d i n gm e c h a n i s mo fr e l a x a t i o na n dr e n o v a t i o n ”，a n a l y z e d t h ey a n g t z er i v e ru p p e rr e a c h e so fm o u n t a i nb e n d i n gb r a i d e dr i v e rp r o t o t y p ed a t a , b a s e do nt h er e l a t i v ep o s i t i o no fl o ww a t e rm a i nc h a n n e li nt h er e l a xr e a c h , t h e m o u n t a i nb e n d i n gb r a i d e df i v e ri sd i v i d e di n t ot w oc a t e g o r i e s ，o n ei st h a tl o ww a t e r m a i nc h a r m e li sl i e do nt h eb o t t o mo f t h ec o n v e xb a n ka n dt h eo t h e ri so nt h ec o n c a v e b a n k i ti ss t u d i e db yt h ef i x e d - b e ds e d i m e n tt r a n s p o r tg e n e r a l i z e dm o d e lf o rt h e e v o l u t i o no fr i v e re r o s i o na n dd e p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c s b a s e do np r e l i m i n a r yr e s u l t so fb e n d i n gw i d e n i n gm o b i l eb e dt e s t ，a n a l y z e d w a t e ra n ds e d i m e n tf l o wp r o c e s s e s ，n o d e sf o r ma r o u n di n l e tr i v e r b e dm o r p h o l o g y a n dt h er e l a t i v eh e i g h to ft h er i v e rr e g i m ee v o l u t i o n , t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h e t e s ti sd e t e r m i n e d 1 1 h ee v o l u t i o no fl o ww a t e rm a i nc h a n n e li sl i e do nt h eb o t t o mo ft h ec o n v e x b a n ks a y st h ec h a n n e li si ne q u i l i b r i u ma f t e rm a n yw a t e ra n ds e d i m e n tf l o w p r o c e s s e s t h es a m ew a t e ra n ds e d i m e n tf l o wp r o c e s s eo fr i g h tc h a n n e lp r e s e n t s e v o l u t i o nl a wo ff l o o dd e p o s i ta n dd r yw a s h t h ee v o l u t i o no fe x t e n tb e t w e e n d i f f e r e n tp r o c e s s e si sn o tl a r g e a c c o r d i n gt ot h ee v o l u t i o no fc h a r a c t e r i s t i c st h a t s h o w si ns l o ti m p o r to ft h er i g h t ，i nt h ec e n t r a la n di nt h ee x p o r tn a v i g a t i o na n d s i l t a t i o np r o b l e m se x i s t t h er i g h tc h a n n e lo ft h es e c o n dc a t e g o r yi n l e tt h a tl o ww a t e rm a i nc h a n n e ll i e s o nt h ec o n c a v eb a n ks h o w st h ec h a n n e li sa c c u m u l a t e ds i l t a t i o na f t e rm a n yw a t e ra n d s e d i m e n tf l o wp r o c e s s e sa n dt h ee v o l u t i o no ft h er i g h ts l o tf o rt h es u p p o r to fs m a l l e r s u b f l o wi n l e t n a t u r a lr i v e r ss u c ha sd e g a nd a m ，f u r o n gd a m ，g u x i a nd a ma n ds oo n m o s t l yw e a ko rb r a i d e dc o n v e xb a n kb r a n c hi nt h ef l o o dd i v e r s i o no ft h er i v e ro n l y t h el e f tm a i nt a n ki n l e tf l o wr a t eg r e a t e rt h a nt h ed r o pm a yb cf o r m e di nt h el o w e r r a p i d sn a v i g a t i o na n dr a p i d s i nt h eg e n e r a l i z e dm o d e lt h ec h a n n e li si ne q u i l i b r i u m ，b a s e do nt h em a i n c h a n n e lo fn a v i g a t i o na n df e a t u r e sf o rt h el o ww a t e r , f o rd i f f e r e n tt y p e so fc h a n n e l r e g u l a t i o np r o g r a mc o m p a r a t i v et e s t , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef n - s tc a t e g o r yi n l e ti n t h er i g h ts l o ti m p o r t , c e n t e ra n de x p o r te x i s tn a v i g a t i o np r o b l e m s ，u s i n gd i v e r s i o nd i k e a tt h el 心a do fc e n t r a lb a ra n dt h er i g h tc o n c a v eg r o o v es p u rd i k e si nt h er e m e d i a t i o n p r o g r a mw a sb e t t e rr e g u l a t i o n t h es e c o n dc a t e g o r yi n l e tt r a n s i t i o ns e c t i o no ft h e m a i nc h a n n e li nt h el o w e rl o ww a t e rm a yf o r mj e tn a v i g a t i o na n d r a p i d s t h er e s u l t so fe v o l u t i o na n df e a t u r e so f n a v i g a t i o no fb e n d i n g w i d e n - b r a i d e d r i v e rr e a c hh a v eb e e nw e l lp r o v e no nt h er e g u l a t i o np r a c t i c eo ft o n g g ub e a c ha n d f e n g j is h i n g l ei n t h eu p s t r e a mo f y a n g t z er i v e r k e yw o r d s ：m o u n t a i nr i v e r ；b r a n c hr e a c hw i t hb e n d ；g e n e r a l i z e dt e s t ；e v o l u t i o n c h a r a c t e r i s t i c ；r e g u l a t i o no fw a t e r w a y 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：s日期：w f d 年乡月f 掣日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论 文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息 网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：遏相p 日期：为l o 年6 月f 】1 日 指导教师签名：闰啤晃 日期：别d 年占月怕 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：s 椰 日期：j d 年6 月f 弘日 指导教师签名： 日期：叫。年 君归 修| 广肚 a n 峭 p ，占 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 河流驭载着人类五千年的文明，我们的祖先临河而居。即便是今天，我们的 大多城市依然傍河而建，它是我们的祖先留给我们的遗产，利用河流的水能资源 开展水路运输持续了漫长的岁月。 我国水运资源丰富，有著名的长江、黄河、珠江、钱塘江、淮河、辽河、黑 龙江等8 大水系及其它中小水系，纵横交错的水系形成了天然的水道网。各大江 河的上游往往为山区河流，广泛分布在广西、广东、四川、云南和贵州等省市。 山区河流流经山区丘陵地带，坡谷比降大，常有礁石阻水，陡坎石壁出现，流态 恶劣，航道弯曲，山区河流多为石质滩，河床稳定。山区河流的变化十分复杂， 就河床与水流的相互关系看，河床是主要的矛盾方面，而从河床的局部看，各滩 险各河段的水流又是非常活跃的因素，它直接影响到河道的冲淤变化，但河谷的 走向及河谷的宽窄又将这种变化限制在一定范围内。 航道整治是一门改造河床形态的技术，由于它对自然的干扰最小，因而这 是一种让河流为我们服务的科学有效方式。解放以来我国进行了大量的山区航道 整治工作，出版了山区航道整治、川江航道整治、航道手册等著作，积 累了大量的资料和丰富的经验，同时对我国山区航道整治技术从整体上进行了较 为系统的总结和研究。但对碍航滩险的卵石运动规律、河型变化和形成机理、河 床演变趋势等基础理论难题尚待进一步研究解决。 目前国家从完善综合运输体系、发展低碳经济的高度，正大力推进内河水运， 加大对西部山区河流的整治投资力度。弯曲分汊河段是川江、澜沧江、嘉陵江等 西南山区河流常见的河道型式，多分布有卵石碍航滩险，其碍航特征表现弯、浅、 险，是山区河流整治中最为复杂的河型之一。由于该类河道其成滩机理复杂，且 河床演变受水流、泥沙边界条件的影响较大，在整治工程完成2 至3 年后滩势逐 渐恶化，航道尺度减小，严重影响了航道整治效果的发挥。如何使已整治的滩险 不再成为碍航的卡口，使已经建设的航道工程在今后的维护中费用最省，使准备 建设的航道具有最优的实施方案，这是一个迫切需要研究的问题。要想解决好这 些问题，必须全面认识滩险的成因以及滩险河段的水动力特性，科学预测航道整 治建筑物和开挖航槽的水力特征和效果。 在国家大力推动内河航运发展的大好形势下，基于目前山区河流研究中存在 的诸多问题，对山区河流弯曲放宽分汊河段做一些针对性的研究是很有必要的， 2 第一章绪论 也是非常有意义的。 1 2 河型的分类 河型分类是一个十分复杂又理论性很强的问题，依据不同的标准，曾产生的 河型分类主要有区域自然地理模式分类、根据沉积物搬运方式的河型分类n 4 、 以河道和河间地相对沉积速率为标准的河型系列分类及河流平面形态分类等。目 前得到广泛应用的基本上是依据平面形态的河型分类。 河道的平面形态分类一直受到水利学、地貌学及沉积学等相关专业研究人员 的高度重视，但在具体分类时各专业学者所考虑的侧重点有所不同。 在进行河型分类中，水利学家在依据平面形态的同时，大多注意到河流的水 流状况和水力学特征；地貌学家在高度重视河流的平面形态的情况下尤其重视河 流的微地貌特征，同时对气候和新构造在河型演化中的作用高度关注；沉积学家 则在关注平面形态的同时更注重沉积物特征及沉积构造方面的研究。 在河流演化的时限方面，水利学家则考虑的是工程年代，地貌学家则考虑相 对时限较长的地貌年代，而沉积岩石学家则关注更长时期的地质年代晦1 。 显然，由于研究的目的不同，需要选取的时限也就不同，对河流系统的水、 沙、床、岸以及构造等内外应力的关注程度也就不同。 目前在水利学界，西方国家应用较广泛的河型分类方法是利奥波德 ( l e o p o l d ) 的方法，把河流分成弯曲、辫状、顺直三类嘲。这一方法虽比较简 单，有着一定的优越性，但同样是辫状河流，我国长江中下游那样具有江心洲的 河道，相对来说一般都比较稳定，而黄河下游则除了支汊很多以外，还具有主流 摆动不定，平面外形多变的特定。这两类河流实质上反映了两类不同的河型。 来恩( l a n e ) 和张海燕所提出的陡坡辫状河流h 1 ，更多地类似于黄河下游的 游荡型河流；而缓坡辫状河流则有可能接近长江的分汉型河流，至少其中有一部 分是如此。而我国一般采用的是钱宁的方法，把河流分为游荡、弯曲、分汉、顺 直四种类型h 。( 见表1 1 ) 第章绪论 表1 1 备家所建议的河型分类 t a b l e1 1v a r i o u sp r o p o s e dc h a n n e lc l a s s i f i c a t i o n 研究工作者河型分类 或单位弯曲非弯曲 l e o p o l d 弯曲顺直辫状 l a n e 和张海燕弯曲顺直陡坡辫状缓坡辫状 库德阿耶夫 自由弯曲 非自由弯曲 单股分汉 罗辛思基弯曲 周期增宽游荡 武汉水利电力学蜿蜒顺直微弯分汊游荡 方宗岱弯曲江心洲摆动 钱宁弯曲顺直分汉游荡 如果根据河流流经地区的不同，还可以将河流进一步划分为山区河流、平原 河流和潮汐河流三种基本类型。对于较大的河流，其上游段多为山区河流，下游 段多为平原河流，位于上游段和下游段之间的中游段，则往往兼有山区河流和平 原河流的特性。对于较小的河流，其本身的上游段、中游段和下游段可能均位于 山区，也可能均位于平原地区，分别显现相应的特性。 以往，很多研究者把研究的重点都放在了平原河流，根据形态和演变特性的 分类有的也只是针对平原河流，这主要是由于平原河流所固有的特性所决定的： 1 ) 河流自山区进入平原后，横向的约束不复存在，水流开始向平面扩散， 加以坡降迅速展开，导致水流的速度减低，泥沙大量停积。 2 ) 平原河流一般都处于堆积抬高状态，在河谷中形成深厚的淤积层； 3 ) 在加积的过程中，洪流四处横溢漫流，使广大的平原不断向外海推进。 随着海岸线的外移和侵蚀基面的抬高，又促使上游河道的进一步淤积； 4 ) 从防止洪水泛滥危害的角度出发，很多平原河流的两岸都建有堤防，即 使在这种情况下，为了行洪的需要，通常也保留广阔的河漫滩； 5 ) 河床边界组成物质是指流水携带来的、在过去的岁月里沉积下来的泥沙， 由于它们的组成各不相同，使得河流可以形成各种不同的河型，具有不同的演变 性质，使整个平原河流的河床演变较山区河流更为复杂多变、丰富多彩。 虽然与平原河流相比较，山区河流的河道演变较缓慢，但是，在河道外形上， 山区河流同样具有弯曲、游荡、分汊、顺直几种基本类型啪。 4 第一章绪论 1 3 山区河流的形成和一般特性 河流一般可分为山区河流和平原河流两大类型。对于较大的河流，其上游段 多为山区河流，而其下游段多为平原河流，位于上游段和下游段之间的中游段， 则往往兼有山区河流和平原河流的特性。对于较小的河流，其本身的上游段、中 游段和下游段可能均位于山区，也可能均位于平原区嘲。 山区河流和平原河流由于所处的自然地理、地质地貌和气象条件的不同，其 形成过程显然不同，一般特性及演变规律也各有自己的特点。 1 3 1 山区河流的形成 山区河流流经地势高峻，地形复杂的山区。河谷的形成一方面与地壳构造运 动密切相关；一方面受水流侵蚀作用的影响。水流在由构造运动所形成的原始地 形上不断侵蚀，这种侵蚀表现为水流对组成河床岩石的动力磨损作用和侵蚀作 用。虽然两者都进行得极为缓慢，但是山区河流的河床就是这样在漫长的历史过 程中，由于水流不断纵向切割和横向拓宽而逐步发展形成的。 山区发育过程中，一般均以下切为主，因此使得河谷断面往往呈“v 字形 或“u 字形，如图1 2 所示。 4 q b v 字形河谷u 字形河谷 1 洪水水位2 中水水位3 枯水水位 4 谷坡5 谷底6 卵砾石边滩 图1 2 山区河流断面 f i g1 2c r o s s s e c t i o n so fm o u n t a i nr i v e r s 4 除了在岩层抗冲性能显著不同之处，可能形成所谓侵蚀阶地外，坡面都呈直 线形或曲线形。谷地与谷坡之间无明显的界限，水流的堆积作用完全不存在或极 整= 雯堑鲨 ! 为微弱。除了由于地壳下降，海平面上升，或者由于气候变化所造成的河川径流 量巨大缩减，能在河段的某些部分形成卵石堆积层外，一般不存在其它近代堆积 层”1 。 132 山区河流的河床形态特征 峡谷河段和宽谷河段是山区河流的基本河型，峡谷河段谷身狭窄，谷底被水 流切削较深，谷域陡峻，甚至两岸高山、峭壁挟持，基岩裸露，谷槽水深，洪、 中水位河宽没有多大差异。 宽谷河段谷深比较开阔，谷底被水流切削较浅，河床比较宽浅，两岸常有台 地，河中常有边滩、江心i i i ，洪、中、枯水位有明显差异，而且山区河流由于沿 途地形、地质构造以及岩性的差异，峡谷河段和宽谷河段相问出现。例如长江三 峡，从奉节至宜昌2 0 9 l 口】l ，基本是峡谷河段，川i 江从宜宾至重庆3 8 5 1 m ，大部分 是宽谷河段。 山区河流的平面形态极为复杂，岸线极不规则，两岸经常有石嘴、石粱和乱 石堆伸八扛中，致使岸线极不规则，特别是枯水河岸线，河道狭窄，河面突宽突 窄，卡口、窄槽、急弯较多。 山区河流纵断面型态，是呈上陡下缓，突高突低，形态极不规则。起伏不平 逐渐向下游倾斜的台阶状由于纵向河底起伏不平，致使山区河流浅水河段及深 水河段相间。沿程水流极不均匀，深水处水深达几米甚至几十米。而浅水处水深 往往不足1 m 。图1 3 。”列出了长江重庆一宜昌河床形态的纵断面图。 图i3 长江重庆一宜昌河床形态的纵断面图 f i g1 ，y 卸g 眦c h o n g q i n g 一- y i c h a n gs e c t i o n a ld r a w i n g o f t h er i v e r 霉骊一 l一冀 ? 一 宦。 6 第一章绪论 1 3 3 山区河流的水文水力特征 山区河流的径流来源，洪水期主要是降雨，而枯水期主要是地下水补给。暴 雨季节，水位较高，流量较大；少雨季节，水位和流量比较平稳，流量较小，出 现比较稳定的枯水期。由于山区河流汇流地面坡度大，河床狭窄，暴雨很快汇入 干流，引起水位暴涨，流量猛增；山区河流纵坡陡峻，水流湍急，能很快渲泄洪 水，水位又急剧下降，因而山区河流有明显的暴涨暴落现象，山区河流的水位变 幅和流量变幅都很大。较大的山区河流其洪水流量往往为枯水流量的1 0 0 倍或数 百倍，较小的山区河流甚至超过1 0 0 0 倍。洪枯水位之差视河流大小而不同，由 数米至数十米不等。 与上述河床形态及水文条件相应，在水流的水力条件方面也有一些特点。山 区河流的水面比降一般都是比较大的，绝大多数都在1 o 以上。比降不但大，而 且受河床形态影响，沿程分配极不均匀，绝大部分落差集中于局部河段。例如贵 州的清水河在长约1 0 6 公里内，枯水期的水位落差为8 3 米，其中5 5 4 集中在 仅占全长1 3 的局部河段内。又如湖南沅水，在长3 2 5 公里内，枯水期水位落 差的9 0 集中在仅占全长1 5 4 的局部河段内，一些滩险段的纵比降往往达2 0 以上。此外，河床上存在的急弯、石梁、卡口等滩险，造成很大的横比降，对 航行威胁很大，且这砦滩险由于在不同水位下雍水情况不同，比降的因时变化也 是十分突出的。比降大、河槽窄，流速势必很大，在一些河流的滩险上容易形成 急流，如乌江中游1 6 处滩险上的流速高达6 - - 8 m s 之巨。 对山区河流来说，航道尺度不足和水流流态恶劣是妨碍船舶安全航行的两大 因素，河床地形复杂以及水流湍急是产生碍航流态的两大原因。山区河流碍航流 态主要有回流、漩水、泡水、横流、滑梁水、扫弯水、剪刀水、跌水及激浪等， 这些碍航流态经常会混合在一起出现在某一个滩上，而且在各种水位下均有可能 出现。 1 3 4 山区河流的泥沙特征 山区河流的悬移质含沙量视地区而异。在岩石风化不严重和植被较好的地 区，含沙量较小。相反，在岩石风化严重和植被较差的地区，不但含沙量大，而 且在山洪暴发时甚至能形成含沙浓度极大并携带大量石块的泥石流。洪水期由于 坡面径流大，侵蚀强烈，所以含沙量大而粒径细，枯水期则相反，含沙量小而粒 径粗，不少山区河流枯水时完全变为清水。山区河流悬移质大都是中细沙和粘土， 由于比降及流速大，一般处于不饱和状态，可全部视为冲泻质。 第一章绪论 7 山区河流的推移质多为卵石及粗沙。卵石推移质一般在洪水大流速时才能起 动输移，其运动形式呈间歇性，平均运动速度很低。曾在川江观测几种不同粒径 和形态的卵石运动情况，在洪水可动期内，一般平均运动速度只有2 8 1 2 6 米天，在枯水期则很少运动。如前所述，山区河流洪水历时一般很短，因此推 移质输沙量不大，我国些山区河流的推移质年输沙量约在悬移质年输沙量的 1 0 以下。 山区河流的河床多为原生基岩、乱石或卵石组成。鱼鳞状排列是卵石河床的 常见形式，也有呈松散堆积的。一般在水流强弱适中，持续时间较长，河床发生 冲刷之处，多呈鱼鳞状排列；在水流较弱，河床发生淤积之处，或水流流速急剧 降低时，原来大量推移的卵石迅速停止运动，将来不及分选排列面呈松散堆积。 卵石粒径常有沿程递减趋势。 山区河流由于比降陡，流速大，含沙量不饱和，有利于河床向冲刷变形方面 发展，但河床多系基岩或卵石组成，抗冲性能强，冲刷受到抑制。因此，尽管山 区河道从长时期来看是不断下切展宽的，但从短时段来看这种变形却是十分缓慢 的，甚至可以认为是基本不变的。只是在某些河段，由于特殊的边界、水流条件， 可能发生大幅度的暂时性的淤积和冲刷。例如峡口滩，汛期受峡谷拥水影响，大 量沙卵石落淤，枯季拥水消失，落淤的沙卵石被水流冲走，局部地区的冲淤幅度 相当可观，如长江瞿塘峡口的臭盐碛，便达二、三十米之巨n 。 1 4 分汊型河流的研究现状 1 4 1 分汉型河流的分类 从总体来看，几乎所有的河流都呈现弯曲的形态。河流在整体的弯曲过程中， 有的河段比较顺直，有些河段出现分汊，而每一分汊，也常常是弯曲的。分汊河 段也是河流中常见的一种河型，西方国家一般都接受l e o p o l d 和w o l m a n 的倡议， 称之为辫状河流( b r a i d i n gr i v e r ) 。在中国分汊型河段的分类方法很多，至今 尚未统一。有按其汊道数目分为双分汊河道与多分汊河道的；有按其平面形态分 为顺直、微曲及鹅头形分汊河道的2 1 ；有按其成因分为泥沙在河道中堆积为江心 滩而形成的、切割沙嘴或边滩而形成的、自然裁弯取直而形成的等等。对分汊型 河段进行分类，应有助于认识其演变规律，从而便于提出适当的整治措施。考虑 到分汉型河段的平面形态及其入口处的水流条件，对分汊型河段的演变规律影响 甚大，目前国内一般按武汉水利电力学院提出的方法分类如下： 1 ) 顺直分汉型河段，其基本特点为，汉道平面形态较顺直对称，水流进入 8 第一章绪论 两汊道比较平顺，其分流角也大致相等。 2 ) 弯曲分汉型河段，其平面形态往往为一平顺河弯，主汊道多位于凹岸一 侧，但也有位于凸岸一侧的，水流进入主汊道比较顺畅。 3 ) 弓形分汊型河段，其基本特点为，直汊道与上游河段平顺衔接，侧汊道 外形类似弯弓状。进入其中的水流与主河道成一较大交角。 4 ) 复杂分汊型河段，其特点为汊道数目众多，沙洲罗列，平面形态和入口 处水流条件都比较复杂。 1 4 2 分汊型河流的研究现状 河道分汊后，汉道内的总水面宽将较单一河段的河宽为大，而水深则较小。 与此相应，河床比分汊前也有不同程度的抬高。分汊型河段的水流泥沙运动也有 其一定的特点。在分汊型河段的入口部分( 江心洲前) ，由于江心洲的壅水作用 和两个汊道阻力的差异，以及分流因流线弯曲而产生的离心力作用，往往形成水 面横比降及环流。产生各种不良流态，影响通航，导致滩险碍航等情况发生n 钉。 因而对分汊河道基本规律的探讨具有重要的理论和现实意义。一直以来，汉道的 研究就受到了众多学者的关注，大家基于不同的研究方法( 原型观测、理论分析 计算、物理模型试验、数值模拟等) 、不同的研究目的( 分汉河流的演变规律、 水流泥沙运动规律、床面切应力以及河口分汊问题等) 做了大量的研究工作。其 中在水流泥沙运动规律方面的深入研究较多并取得了著多的成果。 分汊河道水沙运动特性的研究 t a y l o r l 通过试验研究了分流比和水深比的关系n 钔，g r a c e 考虑在不同主支 汉宽度比和不同分汊角度的情况下来研究分流量的变化规律n 司，此外还有l a w 、 r a m a m u r t h y 等人通过分汊水槽从能量的角度对分流分沙比进行了定的研究，这 些研究主要是针对分流口门处二维水流特性。 姚仕明等n 叼在边界拟合正交曲线坐标系下，运用同位网格模式和界面动量插 值的条件建立了二维水流数学模型，采用天然河段的实测资料对模型进行了验 证，运用该模型研究了长江中游弯曲型分汊河道分流区在不同流量情况下水流运 动与挟沙力因子的变化规律，为研究三峡蓄水后对坝下游河道的影响提供了研究 手段。 余新明等n 刀人采用有限元方法建立起一种适合于分汉河道模拟的平面二维 水流数学模型，并以南京八卦洲汊道段为例，进行了水面线、断面流速分布和分 流比的验证计算。 对于分汊河道水沙运动的三维特性的研究自2 0 世纪9 0 年代以来才逐渐开 展，n e a r y 、b a r k d o l l 以及我国学者罗福安n 引、童朝锋n 们等对单级分汉河道分流 第一章绪论 9 处的水沙运动的三维特性进行了较深入的研究。 蔡国正、唐存本等啪1 通过模型试验与工程实践经验总结相结合的方法，对分 汉型急流滩的水力特性、整治方法、开挖形式和航道流态等进行了试验和分析， 在此基础上，提出了分汊型急流滩的整治原则。 分汊河道水沙输移特征的研究 在这方面进行了较深入的研究，得出了很好的规律和结论，比较有代表性的 有丁君松、韩其为、秦文凯等。 丁君松等口通过概化模型试验研究了分汊河段的床面切应力，获得了床面切 应力的平面分布、纵向分布，分析了汉道阻力的特点，同时探讨了床面切应力的 计算方法。研究表明分汉段的河床阻力恒大于单一河段的，河道分汊后所遇到的 阻力是增加的；支汊阻力小于主汉的，主汉的阻力接近于全断面的。这启示人们 在分析汉道演变时应着重于主汊，提出在支汉口门后存在一鞍点来研究支汉的水 沙输移。 韩其为1 在考虑了分汉河道分流时横向环流作用的基础上，求出了汉道悬移 质分组泥沙分沙比与分流比、分汉口附近地形的关系，以及全沙含沙量和级配等， 应用该模型对荆江分流道以及长江上的一些分汊河道作了定性分析和验证计算， 并与用其它模型计算的结果作了对比分析。 秦文凯等1 对上述模式进行了改进，在充分考虑分流口门处的环流作用的情 况下建立了较为完善的分沙模式。 弯曲分汉河道的演变特征 河床演变的基本原理：河床演变的具体原因千差万别，但主要原因可归为输 沙不平衡。水流具有的能量( e 1 ) 与携带沙量所要求的能量( e 2 ) 不相适宜时，河床 将出现冲淤变化。当e 1 ) e 2 ，水流有多余的能量( e l - e 2 ) 从床面获取泥沙，将出现 冲刷；当e l 2 0 0 朱沱 2 7 oo 6 85 3 59 4 27 1 83 4 3o 8 10 1 41 9 7 5 - 2 0 0 1 寸滩2 2 51 6 75 4 28 4 4 4 6 8 1 8 9 o 3 8o 0 21 9 6 6 2 0 0 1 表2 1 4 朱沱、寸滩站不同阶段卵石推移量 t a b l e2 1 4a m o u n to f t h ep e b b l eb e dl o a dd u r i n gd i f f e r e n tp e r i o da tz h u t u oa n dc u n t a ns t a t i o n s 站名阶段年均径流量( 亿m 3 )年均推移量( 万t )减小率( ) 1 9 7 5 1 9 9 12 6 4 93 2 6 朱沱 1 9 9 2 - 2 0 012 6 7 71 7 34 6 9 1 9 6 6 - 1 9 8 l3 3 7 6 2 8 8 寸滩 1 9 8 2 2 0 0 13 3 6 0 1 7 1 4 0 6 第二章山区弯曲分汉河段的河势特征 2 l o 暑 鼙 v 一 鬈 囊 柏 鞠 蠢 一 薹 o o t t b 憾傍疙钮稻黼 鲫馆h 馆时佃竹瞄黼 _ 图2 15 寸滩站年径流量与推移量序列变化过程 f i g2 1 5a n n u a lr u n o f f a n da n n u a la m o u n to f t h ep e b b l eb e dl o a da tc u n t a ns t a t i o n 3 8 0 0 姗 岔2 6 0 0 5z 0 f l o 二 期 誓1 0 0 0 囊8 0 0 o 稍僵 明可1 田髑- 1t 舅口 9 l1 盯 焉1 m 11 日1 髓 盯 啊五再 图2 1 6 朱沱站年径流量与推移量序列变化过程 f i g 2 1 6a n n u a lr u n o f f a n da n n u a la m o u n to f t h ep e b b l eb e dl o a da tz h u t u os t a t i o n 推移质输沙率与流量关系可写成如下形式 q s = a ，i c q 6( 式2 1 ) 式中：q 。为推移质输沙率( k g s ) ；q 为流量( m 3 s ) ；b 为指数，反映推移质 输沙率对水流的敏感程度；a 为系数，与床沙组成、泥沙补给等条件有关。分别 求得前后两个阶段的输沙率系数a 和b ，结果见表2 1 7 。可以看出，朱沱、寸滩站 两个阶段水沙关系指数基本不变，从表2 1 4 可知朱沱、寸滩站两个阶段水沙关系 指数基本不变前后两阶段的平均年径流量几乎是相等的，两者同时说明水流条件 在两个阶段并没有发生明显变化。引起输沙率偏小的主要是系数a ，朱沱站系数a 减少4 7 5 ，寸滩站系数a 减少4 1 1 ，减少幅度与表2 1 4 中的推移量减少幅度几 乎相等。这说明朱沱、寸滩站卵石推移量的减少与水流因素关系不大，主要是床 沙粗化和卵石补给量减少所致1 。 第二章山区弯曲分汉河段的河势特征 表2 17 朱沱、寸滩站两个阶段输沙率系数 t a b l e2 17p a r a m e t e r so f b e dl o a dt r a n s p o r tr a t ed u r i n gd i f f e r e n tp e r i o d s 朱沱站 寸滩站 阶段 ab 阶段 ab 1 9 7 5 1 9 9 16 3 2 4 1 0 2 45 7 01 9 6 6 - 1 9 8 13 3 6 2 x1 0 9 2 2 6 1 9 9 2 - 2 0 013 3 1 9 1 0 2 45 6 91 9 8 2 2 0 0 11 9 7 9 x 1 0 92 2 6 将朱沱、寸滩站两个阶段的各年推移质颗粒级配按推移量加权平均，得到两 站前、后两个阶段的平均级配，计算结果见表2 1 8 。可以看出朱沱、寸滩推移质 粒径明显发生细化。朱沱站中数粒径d 5 0 细化了约9 r a m , 寸滩站中数粒径细化了约 l l 唧。 表2 1 8 朱沱、寸滩站不同时段卵石推移质颗粒级配成果表 t a b l e2 18g r a d i n gs i z eo f t b ep e b b l eb e dl o a dd u r i n gd i f f e r e n ta tz h u t u oa n dc u n t a ns t a t i o n s 小于某粒径( 衄) 沙重百分数( ) 站名时段 1 0 1 6 3 2 6 41 0 01 5 02 0 0 2 0 0d 5 0 ( 咖)d 9 9 ( 咖) 1 9 7 5 1 9 9 1 0 2 01 9 0 7 3 o8 3 29 6 09 9 41 0 05 8 o1 8 8 朱沱 1 9 9 2 2 0 0 106 32 9 56 5 o8 5 49 8 39 9 91 0 04 9 21 7 5 1 9 6 6 1 9 8 1o5 62 6 76 2 58 5 39 7 o9 9 85 1 81 7 5 寸滩 1 0 0 1 9 8 2 2 0 0 101 53 8 07 6 09 5 69 9 81 0 0 04 1 01 3 7 2 3 2 卵石运动的间歇性与不连续性 卵石运动的间歇性表现为运动距离短，停歇时间长，平均运动速度低，远小 于水流速度。2 0 世纪6 0 年代初期，长科院与寸滩水文站等单位合作，在水文站开 展了同位素锌6 5 示踪标记卵石的实验研究，实验条件及结果如表2 1 9 。对天然和 水泥卵石组中的2 7 颗，在行经1 4 0 2 0 0 m 距离内，多数卵石都要停歇一次，停 歇时间最短都在1 r a i n 以上；对沥青卵石组中的8 颗，除1 颗在滚动6 1 m 内停歇一 次外。其余7 颗在行经0 7 - - - 6 1 m 内均未停歇。根据枯季在河床中搜集到的4 颗汛 期投放的标记卵石滚动距离推算，其在几十天内的平均运行速度仅为0 0 0 3 2 - - - 0 0 1 4 6 c m s 。根据文献整理的资料可知，在水深4 8 m ，水流速度2 1 6 m s 时，3 0 r m n 的泥沙颗粒运动速度为0 0 5 8 - - - 0 3 7 c m s 。由结果不难看出天然卵石在其输移过 程中不仅运动速度慢，而且具有很强的停歇性，说明卵石推移质运动具有很强的 第二章山区弯曲分汉河段的河势特征 不连续特征。 表2 1 9 寸滩站标记卵石运动状况观测成果 m 出l e2 19o b s e r v e dr e s u l t so fm a r k e dg r a v e lm o v e m e n ta tc u n t a n 在卵石输移过程中，上、下游河段的卵石输移量往往是不相等的，在数量上 难以平衡。在长江上游，支流卵石输移量高于干流，上游河段的卵石输移量高于 下游的现象并不少见。卵石输移量的沿程不连续性现象，主要是沿程沉积分选和 泥沙磨损作用的结果，两者均使卵石输移量存在沿程减小的趋势。 在沿程输移过程中，卵石通常受到粒径、比重和形态方面的分选，发生累计 性堆积，堆积厚度与粒径均沿程递减。据钻孔资料估算，川江河床