（水力学及河流动力学专业论文）弯曲分汊河段泥沙运动规律研究.pdf

摘要 弯曲分汊型河道在冲积平原河流中常见，其水沙运动规律较为复杂。我国长江中 下游是典型的河槽分汉型河流，浅滩众多，河床演变剧烈，主槽与支汊交替转化，碍 航问题突出，成为制约航运发展的“瓶颈”。三峡工程蓄水运用后，将引起长江中游 典型弯道段浅滩航道条件发生新的变化，部分浅滩航道条件还将进一步恶化。因此， 研究长江中游典型弯道段浅滩成因及演变机理具有重要的理论意义和工程实用价值。 本论文工作结合交通部西部交通建设科技项目“长江中游严重碍航河段一监利河 段航道治理关键技术研究 而开展的。通过对长江中下游弯曲分汉河段的平面形态、 水文泥沙特性和河床演变特征等进行广泛的调研分析，研究了影响弯曲分汉河段主支 汊转换的主要因素；通过清水冲刷试验，系统模拟了三个不同时期( 左汊为主、左右 平衡、右汉为主) 、四种洲滩型式的弯曲分汊河段河床和江心洲岸线的泥沙运动和冲 刷变形，给出了弯曲分汊河段浅滩成因及演变机理；通过比较四种洲滩型式下，洲头、 洲尾及江心洲洲体体积的变化情况，得出四种洲滩型式下，江心洲的稳定性从高到底 依次为：右汊为主加边滩、右汊为主、左汊为主和左右汊平衡；通过理论分析和模型 试验给出了水流挟沙力沿程变化的关系曲线，得出在进口处和弯顶或弯顶以下的地方 水流挟沙力较大，容易形成冲刷，分流区的水流挟沙力最小，易发生淤积；通过分析 水流紊动特性，得出分流区底部水流的脉动动能比较分散，是分流区浅滩形成的一个 重要原因；通过与原型河段冲淤变化对比，概化模型试验结果基本合理。 本文研究成果已经初步应用于实际工程，取得了良好的经济和社会效益，并可用 于其它弯曲分汉型航道的治理。 关键词：弯曲分汊；水流结构；泥沙运动；转换机理；河床演变；浅滩；数值模拟 a b s t r a c t t h eb e n d i n gb r a i d e dr i v e ri sc o m m o ni nt h ea l l u v i a lp l a i n ，w h i c hw a t e ra n ds e d i m e n t m o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa r ec o m p l e x t h em i d d l ea n dl o w e rr e a c h e so ft h ey a n g t z er i v e r i st y p i c a lb e n d i n gb r a i d e dr i v e rw h i c hh a v em a n ys h o a l sa n dt h er i v e r b e de v o l u t i o no ft h e s e r e a c h e si ss e r i o u s t h ec o n v e r s i o nb e t w e e nm a i nc h a n n e la n da n a s t o m o s i n gb r a n c hr e s u l t i nt h a tt h ep r o b l e mo fo b s t r a c t i o nt on a v i g a t i o ni so b v i o u s ，w h i c hb e c o m et h e b o t t l e n e c k o f r e s t r i c t i n gt h ed e v e l o p m e n to f n a v i g a t i o n t h ew a t e rs t o r a g eo f t h et h r e eg o r g e sp r o j e c t w i l lc a u s en e wc h a n g e so fc o n d i t i o n so fc h a n n e lw i t hm a n ys h o a l sa tt h em i d d l er e a c h e so f t h ey a n g t z ea n ds o m eo fw h i c hw i l ld e t e r i o r a t ef u r t h e r a c c o r d i n g l y , t h er e s e a r c ho nt h e f o r m a t i o nr e a s o na n de v o l u t i o nm e c h a n i s mo fs h o a l so ft h et y p i c a lb e n d i n gs t r e t c ha tt h e m i d d l er e a c h e so ft h ey a n g t z er i v e ri ss i g n i f i c a n ta n dh a sp r a c t i c a lv a l u e t l l i sp a p e rw a sc a r r i e do u tf r o mt h ew e s t e r nc o m m u n i c a t i o nc o n s t r u c t i o np r o j e c to f t h e m i n i s t r yo fc o m m u n i c a t i o n sa n dt h ec o n t e n to ft h ep r o j e c ti st h ek e yt e c h n o l o g i c a l r e s e a r c ho nc h a n n e lr e c t i f i c a l i o no nt h es t r e t c hw h i c hs h i p p i n gc o n d i t i o ni ss e r i o u s l yb a da t t h em i d d l er e a c h e so ft h ey a n g t z e j i a n l is t r e t c h t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so f p l a n f o r m ，h y d r o l o g i c - s e d i m e n tp r o p e r t ya n dc h a r a c t e r i s t i c s o ff l u v i a l p r o c e s so ft h e b e n d i n gb r a i d e ds t r e t c ho ft h em i d d l ea n dl o w e rr e a c h e so ft h ey a n g t z er i v e r t h em a i n f a c t o r so ft h ec o n v e r s i o nb e t w e e nt h em a i nc h a n n e la n da n a s t o m o s i n gb r a n c hw e r es t u d i e d t h r o u g hc l e a rw a t e rw a s h o u tt e s t ，a tt h et h r e ed i f f e n tp e r i o d ( 1 e f t b r a n c hb a s e d ，b r a n c h b a l a n c e ，r i g h t - b r a n c hb a s e d ) ，t h es e d i m e n tm o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o no ft h er i v e r b e do f b e n d i n gb r a i d e ds t r e t c ha n dr i v e ri s l a n ds h o a l l i n eo ff o u rk i n d so fs h o a l sa r es y s t e m a t i c a l l y s i m u l a t e d t h ef o r m a t i o nr e a s o na n de v o l u t i o nm e c h a n i s mo fs h o a l so fb e n d i n gb r a i d e d s t r e t c hi sg i v e n b yc o m p a r i n gt h ec h a n g e so fr i v e ri s l a n dh e a d ，r i v e ri s l a n dt a i l a n dt h e b o d yv o l u m eo ft h er i v e ri s l a n d ，t h es t a b i l i t yo ff o u rk i n d so fr i v e ri s l a n d sf r o mt o pt o b o t t o ma r ea sf o l l o w s ：r i g h t - b r a n c hb a s e d ，r i g h t b r a n c hw i t hs i d ef l a tb a s e d 1 e r b r a n c h b a s e d ，b r a n c hb a l a n c e b yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dm o d e lt e s t t h er e l a t i o nc u r v eo ft h e s t r e a m w i s ev a r i a t i o no fs i l t - c a r t i n gc a p a c i t yh a sb e e ng i v e n a c c o r dt ot h ec u r v e ，t h e c o n c l u s i o nh a sb e e nd r a w nt h a ts i l t c a r t i n gc a p a c i t yw a sl a r g e s ta tt h et o po ft h eb e n da n d t h eb e l o wo fw h i c h ，t h i sa r e ai sp r o n et oe r o d ea n ds i l t c a r t i n gc a p a c i t yi ss m a l l e s ta tt h e d i v e r s i o na r e a ，c o n s e q u e n t l y , t h i sa r e ai sp r o n et os i l t a t i o n b ya n a l y s i n gt h ep r o p e r t yo f t u b u l e n t ，a tt h eb o t t o mo ft h ed i v e r s i o na r e a ，t h ep u l s a t i o nk i n e t i ce n e r g yi sr a t h e rd i s p e r s e d ， w h i c hi st h ei m p o r t a n tr e a s o no ft h ef o r m a t i o no fs h o a l s b yc o m p a r i n gt h ec h a n g e so f e r o s i o na n ds i l t a t i o no fs t r e t c hp r o t o t y p ew i t hw h i c ho fg e n e r a l i z e dp h y s i c a lm o d e l ，t h e r e s u l t sa r eg e n e r a l l yr e a s o n a b l e t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e np r e l i m i n a r ya p p l i e dt ot h ep r a c t i c a lp r o j e c ta n dh a v e a c h i e v e dg o o de c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t sa n dc o u l db eu s e df o ro t h e rb e n d i n gb r a i d e d r i v e rc h a n n e lc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：b e n d i n gb r a i d e ；f l o ws t r u c t u r e ； s e d i m e n tm o v e m e n t ； c o n v e r s i o n m e c h a n i s m ；r i v e r b e de v o l u t i o n ；s h o a l s ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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，均己在文中 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。 学位论文作者签名拓忙 日期：珈彤年年月7 e t 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。 虢砷五劳 日期：砂谬年乒月7e t 臌：易矽驴 眺袱垆月7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 分汉型河道在冲积平原河流中常见。我国分汊河流还是相当普遍，例如：赣江自 樟树以下，湘江自株洲以下，西江出羚羊峡，北江出飞来峡以后，都普遍发育江心洲 分汊河流，黑龙江和松花江的某些河段也属于这一类型。长江中下游除宜昌到枝城段 的山区河流向平原河流过渡和下荆江为蜿蜒性河型外，其余均属含江心洲的分汉河 型，城陵矶至江阴1 1 5 0 k m 的河段内就有分汉河段4 1 处总长7 8 8 9 k m ，占区间河长的 6 8 6 n 1 。国外由于绝大部分文献对分汊型河流和网状河流未作区别，很难判断哪些河 流属于分汊河流。多瑙河距河口3 7 5 , - - 一8 4 5 k m 河段是分汉型河流，扎伊尔的某些河流， 如邦甘丹加附近的劳波利河，应看成是分汊型河流，非洲的尼日尔河和北美洲库柏河 也是分汊型河流圆。 分汊型河段与单一河段的最大不同是具有两汊或多汊过流，具体表现为：存在着 分流区和汇流区，这两区域内的水沙具有与单一河道不同的运动特点，流量、沙量在 各汉道间重新分配，见图1 1 。 图1 1 分汉河道分段示意图 图中，分流断面至u m - 1 、n 一1 断面为分流区，m - 1 、n - 1 断面到1 断面为分汉区，l 断 面到汇流断面为汇流区。 1 2 分汊型河流的形态特征砼1 1 2 1 形态分类 分汉型河流按其外形来说可以分为三种类型，见图1 2 。 1 顺直微弯分汉型 各股汊道的河身都比较顺直，弯曲系数在1 0 1 2 ；2 5 间。汉道基本对称，江心洲 有时不止一个，但多上下按顺序排列，长江的南阳洲汊道和铁板洲汉道就是这种汉道 的典型。 2 弯曲分汉型 在各支分汊河道中至少有一支弯曲系数较大( 1 2 1 5 ) ，成为微弯形状。多数 是两支简单的汉河，但也有河心存在两个并列的江心洲而形成三股的复式汉道，天兴 第一章绪论 2 洲汊道和窑监水道都属于典型的弯曲分汉型河道。 o 霉一丹及羹c ，焉头分及翌 图1 2 不同类型分汉河道示意图 3 鹅头型分汉型 各股汊道中至少有一股弯曲系数很大，超过1 5 ，成为很弯曲或甚至鹅头状的形 状，如团风汊道。这种类型的江心洲河流多数具有两个或两个以上的江心洲，分成三 支或三支以上的复式汉道，弯道的出口和直道的出口交角很大。 长江支流、西江、北江以及尼日尔河的汉道都属于顺直分汉型和微弯分汉型，鹅 头型汊道只在长江中下游才能见到。 1 2 2 分汉指标 标志河道分汊程度的指标有不同的形式。习惯的做法是把各股汊道河长的总和与 分汊河段沿河谷方向的长度的比值作为分汊指标，称为分汊系数。从顺直分汊发展到 微弯分汊再发展到鹅头分汉，分汉数和分汊系数不断递增。 1 2 3 断面形态 水流分汊以后，各股汉道的流量小于分流前的流量，含沙量则接近或等于分汉前 的含沙量，这样，如果分汊河段不加大比降来保持足够的流速，就不能带走来自上游 的泥沙。因此，分汊河段的比降一般都比未分汊前的河道比降陡。 1 3 国内外研究现状 由于分汉河道水沙运动规律较为复杂，目前，国内外对分汊河道水沙运动进行系 统研究的学者不多，国内在这方面研究较多的学者有丁君松、余文畴、尹学良及罗海 超等，他们从理论、试验以及原型资料分析等方面着手来认识与分析分汊河道的水沙 运动特性。 丁君松口“5 “1 等曾对分汉河道的形态、水流结构、泥沙运动以及分流分沙进行过 不少研究，取得了大量成果，并在此基础上，进一步研究了分汊河道不能自由发展的 理由。根据他的研究，河道分汉后，两汊的水面宽和过水面积的变化，不可能是任意 的，水面宽最多增 j 1 1 3 7 ，过水面积最多增 j n1 3 4 。其表达式如下： 第一章绪论 b o 既+ 玩1 3 7 岛 4 4 ，l + 4 1 1 3 4 4 , 式中：脚标0 ，m ，n 分别代表单一段、主汊、支汉的特征值。另外，还就分汉河道 床面阻力规律等方面进行了有益的探讨。 余文畴、罗海超口8 3 根据原型实测资料并结合相关理论知识分析了分汊河道的输 水输沙特性及长江中下游分汊河道的形成条件，并根据长江中下游节点的分布情况， 论述了节点在分汉河道演变中所起的作用，并就长江中下游分汉河道的稳定性进行了 分析评价，得出分汉河道的稳定性好于蜿蜒性河道。 罗海超n 们认为长江中下游是典型的河槽分汉型河流，主槽与支汉交替转化是最突 出的演变特点。两者保持相对稳定是由于分流分沙对支汉有利：其发生转化是由于河 势变化引起了主流线的摆动、汉道分流区水面横比降的变化及汉道的水、沙重新分配。 经与国内外一些分汊河流对比，分析各种影响因素，指出长江属于江心洲高度发育、 稳定性高的分汊河流。 尹学良n 主要从汉道分流分沙的角度出发，研究了汊道的水沙运动特性，得出了 分流必淤的结论。 王明甫、林国威、杨国录n 2 1 3 1 4 1 等曾进行过分汉河道的概化模型试验，获得了许 多有益的成果。但因概化模型与天然分汊河道的地形存在差异，因此，在反映天然分 汉河道三维复杂的水流运动规律研究上仍需加强。然而，迄今为止专门运用数学模型 计算来分析汉道水沙运动特性的几乎没有。 冷魁、余文畴n 印认识到分汉河道的演变主要表现在河岸的崩塌和淤积、江心洲的 迁移以及主支汉的兴衰等几个方面。对于长江中下游分汊河道，其演变特点则反映在 主槽与支汉的兴衰交替互为消长、互相转化的周期性变化过程。但一般说来，周期较 长，短则十多年、长则数百年不等。汉道的稳定与否，与主支汊分流分沙比的变化有 密切关系，如支汊的分沙比小于分流比则有利于支汊河槽的稳定。长江中下游分汉河 道主支汊虽然具有相对稳定性，但由于分流分沙的变化、河床边界条件及上游河势的 改变，往往会发生主槽与支汊的转化。分析表明，主槽与支汊更替的周期与汊道的类 型有密切关系。对于双汊型，转化的周期往往很长，如马鞍山河段的江心洲右汉成为 支汉已达6 0 0 多年之久：大通河段的和悦洲右汊在大约1 5 0 0 年前的南朝业已形成支汉， 且近期仍无淤积衰退或成为主槽的迹象。但对于多分汊特别是鹅头型分汊河道，其交 替的周期则相对较短。如团风河段，它的演变总是伴随着新生汉的产生、发展、平移、 萎缩直至消亡而完成它一个完整的演变周期。据实测资料分析，整个周期为4 3 年左右。 可以认为，对于双分汉型河段其主槽与支汉转化的决定条件是上游河势的变化。对于 鹅头型分汉，则主要决定于河道本身的河床形态及边界条件。如团风河段，据分析其 进口断面没有出现形态上的变化及断面最深点的大幅度摆动，总的说来是稳定的，但 第一章绪论 4 汉道断面则变化剧烈。这种演变规律主要是泥矶以上和三江口以下边界构成极度转折 的河道方向及河道中部的主槽内河由广阔而深厚的抗冲能力弱的中细沙和粉壤土组 成，加之进口泥矾至出口三江口控制节点距离仅为1 3 公里，远远小于形成蜿蜒型河段 的间距，因此为形成鹅头型多分汊的河道形势提供了边界条件。目前团风河段最宽处 已达8 4 公里，远远大于长江中下游的稳定河宽，河床自然不易稳定，因此为水流运 动及洲滩演变提供了广阔的活动场所，为主槽与支汉的周期性转化创造了前提条件。 吴文浩n 氐1 7 3 分析了长江下游分汊河道河床演变的实测资料，指出中、枯水期汉道 的分流比代表基本河槽的变化，床沙质部分在河床冲淤过程中起着媒介作用以及各汊 阻力对比是影响分流比变化的主要因素，并具体分析了分沙比的变化特性和影响因 素，明确了挟沙力和含沙量对比计算是确定汉道兴衰的基本方法。另外，还分析了长 江下游汊道水流结构、泥沙特征和汉道分流分沙比，阐明了下游几种不同类型的河床 演变过程，探讨了它们之间的关系。 黄锡荃、柳中坚n 胡从动力机制着手，对长江下游分汉河型的空间结构、衔接段功 能、动力轴线波模式、以及上游效应等方面进行了分析研究。通过对长江下游各类汊 道的大量量计分析获得的曲折率、分汊系数、宽长比等资料，提供用综合指标k 来划 分分汉河道的结构类型。 舒安平、黄金堂、丁君松n 钔就三峡工程变动回水区研究成果的基础上，通过进一 步的概化模型试验，系统地分析了汛期奎水高度、汉道口门迎流条件、过流条件及其 河床宽深比等因素对分汉河段水沙运动规律的影响。同时阐明了变动回水区分汊段向 单一段河道转化的奎水条件和河床边界条件，并探讨了此类河型转化大致发展方向和 判别标准。综合考虑各种主要条件对河型转化的影响，建立如下的河型转化综合判别 指标一般函数式a = f ( a h ，a h 阿，兰) 。 啦 一爿 林木松啪1 以三峡水库变动回水区青岩子河段金川为研究对象，通过概化模型试 验，结合有关的泥沙模型试验资料，分析了水库变动回水区分汉河型河道河型转化各 阶段的冲淤演变过程水流结构及水力要素的变化。在此基础上阐明了河型转化的规 律，并提出了引起水库变动回水区大幅度悬移质累积性淤积的临界水深。 近年来水流泥沙数学模型得到了迅速的发展，随着计算机的普及和数值计算的提 高，这类模型已得到广泛的应用，在分汊河道的数值模拟中也得到了很大的发展，有 了一系列成熟的处理方法。b r a m l c y 等首先计算了对称分汊明渠的流场，计算采用涡 量流函数方程及d e n n i s 等提出的有限差分格式。为解决分汊角点涡量值的不连续问 题，b r a m l e y 等提出了用边界坐标拟合求解对称分汉明渠流场的方法舱。李克锋乜2 1 等 采用k 一双方程建立了深度平均紊流数学模型，对分汊河段不规则边界采用了区域坐 标系统法。刘亚坤1 等用边界拟合坐标变换系统下的计算区域分解一组合处理技术、 支流祸合迭代的计算方法等。 第一章绪论 1 3 1 弯曲分汉型河流的形成机理 分汉型河道是受外界因素和内部制约的共同作用而产生、存在并维持发展的。外 界影响一般可认为有四种：一是由于水面放宽，泥沙落淤形成沙洲或浅滩，迫使河道 分流；二是河道两岸存在不可冲刷的节点，致使节点后河道冲宽，流速减小形成沙洲； 三是洪水期水流冲开天然沙堤或滩地形成新的汊道；四是在河口地区由于涨、落潮流 路不一，也易形成浅滩。这四种情况存在于河流的各区段，有时相互交织，从而形成 复杂的分流、汇流河网犯4 1 。 根据以往的钻探资料与调研表明：长江中下游城陵矶以下弯曲分汊河段的江心洲 几乎均为泥沙沉积所形成，洲体的物质组成与其相应的河岸类似，均为二元结构。对 于长江中下游由于泥沙堆积而形成的江心洲而言，其形成多发生在藕节状河道、放宽 型河道下游或束窄型河道的上游，它们的共同特征就是因河道的展宽或比降变缓，使 得水流的流速减小，水流携带泥沙的能力降低，不能继续携带上游河段的全部来沙， 于是就有部分泥沙在江中堆积成江心滩，再经过不同水文年的作用后，逐渐形成江心 洲。 长江中下游弯曲分汉河段的形成有其特定的来水来沙条件与河床边界条件。弯曲 分汉河道的形态各异，其形成条件与原因是多方面的，主要与来水来沙条件、河床边 界条件、水力比降及所处地理位置等有关。根据方宗岱、张仁对江心洲分汊河段形成 条件的研究，认为江心洲分汉型河道主要与来水来沙条件密切相关。因为当流量变幅 较小时，不利于维持各汉过流而必需的水动力轴线摆动的要求，当流量变幅较大时， 水动力轴线随流量的变化摆动较为剧烈，难以维持江心洲自身的稳定，对于长江中下 游来说，流量变幅比较适中，对江心洲的形成与发育是十分有利的。国内外许多河流 的资料也表明，分汊河型与来沙量的多少有极为密切的关系。一般情况下，当上游来 沙很多，远远超过输沙能力时，河床易堆积抬升，如华北地区黄河等多沙河流，在这 类河流上，泥沙来量大，颗粒细，易发生冲淤变化，主流摆动不定，堆积的部位也十 分不固定，难以形成江心洲。就长江中下游而言，既有相当数量的来沙，又与输沙能 力基本适应，在长距离河段内河床基本保持冲淤平衡。另一方面，由于边界条件差别 引起河床宽窄差别，在局部河段产生输沙不平衡，可形成比较稳定的局部堆积，再通 过水流与河床的长期相互作用，最终可形成相对稳定的江心洲。 无论是山区河流、山区向平原过渡的河流还是平原冲积性河流，在河型研究中河 道宽度是一个重要的指标。在由推移质运动为主的山区或山区向平原过渡的河流，两 岸约束性决定了一个时期的河道宽度，这往往成为河床是单一型或是交错边滩型或是 心滩型或是多汊型等不同河型的必要条件。长江中下游在某些河段，因直接受到两岸 约束影响不同而具有不同的河宽，直接影响江心洲不同程度的发育。在城陵矶至九江 的河段中，由于受到两岸边界条件严格约束，干流河道河宽小于1 3 0 0 m ，一般是不会 产生江心洲的，主要原因是本河段的水流能挟带上游来沙，并能形成较稳定的单一河 第一章绪论 6 槽。但必须着重指出，城陵矶以下的河段，只要河谷宽度不是太窄，一般都能产生江 心洲分汊河道，即使有的是洪水淹没，枯水出露的江心洲，也属于宽窄相间、藕节状 的分汊河道类型。在九江至江阴的分汊河道中，由于堆积年代不长，河道自身演变频 繁、鄱阳湖等各大支流来水量大、含沙量小的特点，使河岸形成二元结构的上层粘性 土层厚度较薄，在水流作用下崩速较大，对岸又不能及时淤积，因而河道易于展宽， 从而为江心洲在生长和发育期间提供了横向发展的条件。这个边界约束条件是河流自 身塑造的，也是与下游分汊河道演变特性相适应的。 国内学者采用的模型小河试验来模拟分汊河流的形成条件，几乎所有的研究都认 为流量变幅不大是形成分汉河流的条件之一，分汉河流一般河谷比较小，以及洪水起 落平缓，形成于冲积平原的中下部。并且给出了洪峰流量变差系数最大值为0 3 。在 含沙量方面，不同研究者观点有所差异，当床沙质来量相对较小，并且有一定冲泻质 来量和纵向冲淤基本平衡的河道能塑造出分汊河流；在定量上水流含沙量一般小于 1 5 k g m 3 。在地质条件组成上，分汊型河道的河岸物质介于弯曲型河道和游荡型河道 的物质之间，在分汊河段进出口常有节点控制，河流横向摆动范围有一定限制；在水 流具有相应的强度的条件下，任何可动河床边界条件下都可能形成分汉河型，若水流 强度一定，河型则由河床相应的稳定强度决定；在边界组成均匀的模型小河上，不可 能塑造出稳定的分汉河道。从天然河流的实际状况来看，这一论点值得商榷，因为自 然界存在的分汊河流，水流泥沙条件和河床边界条件在它们的形成过程中有着决定性 的作用。 分汊河流进出口的节点对弯曲分汊河段的形成作用较为明显，即分汊河道的形成 与普遍存在的节点有关，从两端固定的弦振动幅度来解释汊道的摆幅，并且认为长江 下游的汊道都位于节点之间，汊道段可能达到的最大摆幅受制于上下节点的距离，长 江科学院根据统计资料得到的摆幅房和上下节点距离的关系式b = o 1 l l4 5 。 1 3 2 弯曲分汉河段水流泥沙运动特征旺5 】 河道分汊后，其平面和断面形态与水流泥沙运动较单一河道均有较大变化。根据 长江中下游分汊河道实测资料分析，分汉河段的河宽沿程变化明显较大，从汉道的分 流点到主支汉进口的河床高程逐渐增加，水深沿程变小，并在支汉一侧存在边滩或拦 门沙坎，对分流较小的支汉拦门沙坎更为明显。拦门沙坎是支汊分流比不断减小的结 果，反过来这种形态又直接影响汊道的分流分沙。分汊河段进1 2 1 段横断面形态由偏v 形或u 形逐渐变为w 形复式断面，洲尾则要视支汊交汇角度的不同呈现不同的过渡 形式：当交汇角很小，汇流处断面由w 形逐渐变为偏v 形或u 形；当交汇角较大， 则在洲尾以下因两汊汇流掺混而形成局部冲扇坑，断面呈窄深的u 形。由于汊道进出 口的特殊形态，导致汊道特别是进出口的水沙运动及其演变与单一河道存在较大差 异。分汊河道水流泥沙运动存在以下特点：汉道段的水面比降变化复杂；汊道进 出口流态复杂，不仅纵向水流存在多个明显流核，且存在横向流、横向环流或回流； 第一章绪论 7 汊道具有影响分流分沙的复杂因素；由于分汉河段水沙运动的复杂性从而导致河 床冲淤及主支汉兴衰的变化较为复杂。 1 弯曲分汉河段水流运动特性 ( 1 ) 水面比降及阻力特性 河道水流由单股变为多股过程中，水流相对分散，输沙能力降低，分汊河段为了 使输沙与上游单一河段相平衡，就需调整分汉河段的比降来增加输沙能力，以保证整 个河道的输沙平衡。因此，汊道段的比降较其上游单一段有一定差异。原型观测与室 内试验资料表明，一般情况下汊道段的水面纵比降大于上游单一段。长江下游南京河 段八卦洲汊道分汊段的比降为进口单一段的1 3 - - 4 3 倍，而且其倍数随流量减小而增 大。长江中游武汉河段天兴洲汉道洪水期汊道段的比降为进口单一段的2 5 2 8 倍。 丁君松教授根据松花江宋家通汉道测得的水面线，得到上游单一段、进口段支汊和主 汉的比降分别为0 0 3 7 9 、0 0 7 4 9 和0 1 1 3 4 o 。，出口段比降支汊与主汉分别为 0 2 1 与0 0 5 9 o 。美国格林河分汊段比降为单一段的5 倍，纽福克河也达1 4 - 2 3 倍不等26 i 。美国加州工学院水槽试验测到分汉段比降为单一段的1 3 - - 1 9 倍2 引。从 上述数据可看出，上游汊道段的比降大于进口单一段的比降。之所以如此，是因为汉 道段具有双汉或多汊的平面形态，具有比单一段更长的断面湿周，汊道段的沿程阻力 和局部阻力都较单一段大，也就是说，汉道段水流为克服阻力单位长度需消耗的能量 比单一段大。 现根据分汊河段进口段的实测资料，进一步分析分汊河段比降的特性。由曼宁公 式写出流量表述的阻力方程： 1 三三 q o = 二日0 ，孑a o( 1 1 ) 刀0 1 三上 q 1 - - 二日1 3 ，1 2a l ( 1 2 ) n i 式中：q 为流量，a 、h 、j 和n 分别为断面面积、平均水深、比降和糙率系数；脚标0 和1 分别代表分汊河段上游进口单一段与分汉段。因q 。= q 。，由式( 1 1 ) 与式( 1 2 ) 整理 可得： 舞：博防 ( 1 3 ) 式中糙率系数主要与河床组成及河床形态等因素有关。根据余文畴等人的研究，在各 级流量下分汉河道的糙率系数大于单一河道，而且江心洲愈发育、汉道数愈多的糙率 系数愈大，可以认为，一般情况下分汉河段的综合糙率系数应大于上游单一河段的值， 因此，n o 0 1 8 3 0 5 ( 1 7 ) = d b 口彩。1 由( 1 8 ) 式中：孤。，和国分别为悬移质泥沙中粒径大于0 0 5 m m 部分和全沙的平均沉速，假 定在同流量级下近似为常数；系数c ，d 和指数p ，q 如表1 2 所示。 在式( 1 7 ) 中，粒径0 0 5 m m 是划分长江中下游床沙质的分界粒径。 第一章绪论 由式( 1 7 ) 、式( 1 8 ) 与系数c 、d 值和指数p ，q 值的变化表明，流量在2 0 0 0 0 m 3 s 以上时，汉道进口展宽段挟沙能力沿程递减，流量越大，沿程递减的变化率也越大； 而当流量小于该流量时，挟沙能力沿程递增，流量越小，沿程递增的变化率越大。前 者通常使得展宽段在汛期与含沙量对比可能淤积的数量沿程递增，后者使得它在枯水 期可能冲刷的数量也沿程递增，这就是汊道进口展宽段在年内呈周期性冲淤变化的原 因。同时大于该流量在同一级流量下的挟沙能力沿程递减的变化率随展宽率的增加而 减小，而小于该流量在同一级流量下的挟沙能力沿程递增的变化率则随展宽率的增加 而增大。由此可见，展宽率较小的顺直汊道进口段，洪水期沿程的淤积可能逐渐严重， 而随着汛后水位的降低直至枯水期，沿程的冲刷能力比展宽率较大的进口段为弱，这 应是长而顺直汊道进口段常常产生浅滩淤积碍航的根本原因。 1 3 3 弯曲分汉河段演变规律瞳8 1 弯曲分汊型汊道相对比较稳定，汉道的发展消长具有明显的周期性。两股汊道的 发展消长在很大程度上决定于汊道进口的分流分沙情况。江心洲河型形成之后，河流 仍旧有着不断的变化。具体表现为它的各支汉道彼此间、汉道与衔接段之间的相互制 约和相互联系，有着不断死亡和重新发展的过程。当然这种变化仅是次一级的现象， 只要总的水文泥沙和边界条件不变，它们的变化是不会越出江心洲河型的范畴的。对 于这种分汊河道间相互制约的过程，又可归纳成以下两种基本类型：( 1 ) 江心洲河型的 形式保持不变，亦即无汊道的淤塞现象出现，江心洲也不发生并岸。其中又可再分出 两个副型：主汉和支汊可以相互转化。主汊和支汊的地位保持相对不变。( 2 ) 江心 洲河型形成发展一死亡一发展的过程。即在发展过程中，可能一汉淤死，或并洲，或 靠岸，以后再切滩或再堆积而重新形成。汉河间的相互斗争实质上是水量和沙量的不 断再分配的问题。第一种类型的分流量和分沙量比较稳定，所以较不易变化。第二种 类型则相反，变化幅度较大，所以导致汊河的不稳定。在分汊河道历史演变进程中， 主汉与支汊兴衰交替，互为消长，是长江中下游分汉河道演变的重要特点。这种交替 演变的历时，一般要几十年的时间，这和某些河流的汉道可能在一个洪峰过程中便完 全改观的情况，是不可同日而语的。实测资料表明，在长短汊不明显或流量分配较接 近的汉道段，主支汊常表现反复交替，而在分流比相差较大的简单汉道，主支汊比较 稳定。 表1 4 统计了有记载以来的支汉的存在年限。从表中可以看出支汉年龄在百年以 上的有1 4 处，占6 4 ；2 0 年以下的仅1 处，占4 5 ；其余占2 9 5 ，支汊年龄在百年以 上的占多数，说明长江中下游分汊河道周期性演变的过程缓慢，主支汉交替的周期长， 汊道的稳定程度较高。而宁镇河段的汊河目前均属于第一种类型。其中镇扬河段的和 畅洲汊道，经历了较长的演变过程以后，从一个多汉河道演变成今天的简单双分汉， 近十几年来汊道的变化主要发生在北汉。在1 8 6 5 年时，北汊水道是大鹅头型，呈南北 向，河长2 7 8 k m ，当时和畅洲总面积为1 0 3k m 2 。现在的北汉是小鹅头型，呈东西向， 第一章绪论 1 4 河长1 1 4 k m ，和畅洲面积为2 0 k i n 2 ，仅为1 8 6 5 年时的1 9 4 。最近一次的演变过程是从 上世纪五十年代微弯水道开始，到六十年代中期鹅头便己形成，自此开始衰退，至七 十年代中期鹅头切滩夺流，流量增大，进入了新的发展阶段，即左兴右衰。在近四十 年的演变过程中，和畅洲经历了两次主支汊易位：从1 9 4 9 年至u 1 9 6 1 年，左汊发展的很 快，分流比由3 2 上升为5 6 1 ；从1 9 6 1 年至i j l 9 7 4 年，左汊由主汉演变为支汉，分流比 从5 6 1 降至2 5 ，从1 9 7 5 年的2 6 7 上升至1 9 9 2 年的5 5 1 ，又一次发展成为主汉。其 中，1 9 8 4 年的分流比南、北各半。又如新济洲，五十年代末至七十年代中期分流比变 化不大，1 9 7 3 年以后左汊分流比减少了近2 0 左右。张家洲河段右汊在清光绪末年 ( 1 9 0 8 年) 时还很浅，为一支汊，以后随张家洲洲头的崩退和右汉口门刷深而逐渐成为 主汉。五十年代末由于右汉沙洲淤长，分流逐年减少；而左汊则由于河槽刷深，流量 增大而成为主汊。左汊分流比由1 9 5 9 年的4 8 5 增大为1 9 8 8 年的5 6 5 ，而右汊则由 5 1 5 减少为4 3 5 。东流河段六十年代以前主流沿天心洲洲尾夹江过渡到玉带洲右 汉。七十年代以来随着夹江内心滩的迅速淤积，主流改经天心洲和棉花洲左汉下行， 棉花洲左汉因分流增大而发展成主汊，而玉带洲右汊则由主汉转为支汉。至于第二种 类型，在长江中下游的演变史上，也是时有出现的。如芜湖上游的白茹沙汊道，因长 江主流向北岸冲刷，南汊并岸而成为单一河道。马鞍山河段以前江面宽阔达数十公里， 沙洲众多，现大小沙洲己联并为江心洲，小黄洲两洲，由复杂分汊转为简单分汊。 1 3 4 趋势和展望 结合弯曲分汊型河流研究的过程和现状，今后弯曲分汊型河流研究需要解决下面 三个问题： ( 1 ) 虽然汊道分流比等水力因素的确定方法已经非常明确，分汊河段的主、支 汉分界线的确定，以及分汇流区域的长度确定，断面形状和交角等边界条件所产生的 能量损失及水位的空间分布等方面在近年来已有一定的进展，但仍缺乏普遍性的认 识。 ( 2 ) 在结合实际工程问题时：汊道内由于人为工程或崩岸所产生的断面突变会 引起汊道局部阻力和壅降水高度的变化，以及汉道断面的变化会引起汉道阻力、汉道 分流比、汉道河床演变的改变和汉道分流比、河床演变对汊道阻力的反馈过程，这两 个过程相互作用达到新的平衡问题，另外弯曲分汊河段既不同于简单的分汉河段也不 同于简单的弯曲河段，进行航道整治研究以及上游工程对弯曲分汉河道的水力特性影 响的基础理论研究较少，需要完善，以及更深入更体系化的试验研究，当然也需要新 方法的引用。 ( 3 ) 分汊型河流研究的最终目的是：有效的认识弯曲分汉型河流、整治弯曲分 汉河道，使弯曲分汉河流健康持续发展，最终使弯曲分汊型河流和人类发展相协调。 此时不仅需要从水力学去分析弯曲分汊河流，而且需要对弯曲分汊河流系统及其功 能、局部和整体、因素和结果做全面科学的认识和掌握。 第一章绪论 表1 4 长江中下游主要分汉河段支汉的存在年龄与变迁 支汉名称成为支汉的年代 支汉年龄( 年)历史演变情况 新堤汉道左汉1 9 3 4 年前 6 01 9 3 4 年前为主槽 陆溪u 汉道左汉 1 9 5 9 年4 51 9 3 4 年前为支汉，1 9 3 4 1 9 5 9 年为主槽 嘉鱼汉道左汉 1 9 1 2 年前 8 01 9 1 2 年前汉道彤成 铁扳洲汉道右汉 1 8 6 1 年前 1 0 0 1 8 6 1 年前汉道形成 白沙i f f i 汉道右汉 1 9 3 4 年前 6 01 9 3 4 年前汉道形成 天兴洲汉道左汉 1 9 6 6 年3 81 9 6 6 年前为主槽1 0 0 多年 牧鹅洲汉道左汉1 8 6 0 年前 l o o汉道久已存在 团风汉道左汉1 8 6 0 年前 1 0 0汉道久已存在 龙坪汉道左汉1 8 6 0 年前 1 0 0 汉道久已存在 张家洲汉道右汉1 8 6 0 年前 1 0 0汉道久已存在。 骨脾洲汉道左汉1 8 6 0 年前 l o o 汉道久已存在 宫洲汉道左汉1 8 5 8 年前 1 0 0汉道久已存在已于7 d 年代实旄堵汉工程 官洲汉道新中汉1 9 7 2 年3 2汉道中部切潍形成 安庆汉道右汉 1 8 7 i 年前 1 0 0 1 8 7 1 年前为主槽 贵池汉道左、右汉 1 8 6 0 年前 1 0 0 汉道久已存在 锕陵汉道右汉1 8 6 0 年前 1 0 0汉道久已存在 陈家洲汉道左汊1 8 6 0 年前 1 0 0汉道久已存在 马鞍山汉道右汉 1 8 6 0 年前 1 0 0 约6 0 0 年前曾为主槽 梅子洲汉道右汉1 8 6 0 年前 1 0 0 历史上警为主槽 八卦洲汉道左漫1 9 4 6 年前 5 8 1 9 4 6 年前为主槽，时间很长 世业洲汉道左汉1 8 6 0 年前 1 0 01 8 6 0 年前为主槽 和畅洲汉道右汉 5 0 二十世纪五，六十年代左、右汉平分秋色 1 4 本文主要研究内容 本论文结合西部交通建设科技项目“长江中游浅滩成因及演变机理 ，选择窑监 河段为依托工程，自制正态概化模型进行清水定床试验和清水冲刷试验，通过野外调 研、理论分析、概化模型试验并结合河工模型试验和数值模拟计算研究，系统分析了 弯曲分汊河段的水流泥沙运动特点和主支汊转换机理，深入探讨了弯曲分汊河段的浅 滩成因及其影响因素等。本论文研究的主要内容有以下几个方面： ( 1 ) 对长江中下游弯曲分汊河段的平面形态、水文泥沙特性和河床演变特征等 进行广泛的调研、分析，研究影响弯曲分汊河段主支汊转换的主要因素； ( 2 ) 对收集的弯曲分汊河段的形态特征和水流泥沙特性进行总结分析，以监利 河段为主要研究对象，确定出概化模型试验所需的参数，建立概化物理模型，设计试 第一章绪论 1 6 验工况； ( 3 ) 通过概化模型试验，对弯曲分汊河