不同入射角對(duì)河流彎曲演變的影響

王國卿,白玉川

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院河流海岸工程泥沙研究室,天津 300072)

0 引 言

彎曲性河流是自然界中最為常見、最為普遍的河流形態(tài)之一。天然河流雖形態(tài)各異,但最初都是由順直型河道演變發(fā)展而來的。很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。最早可追溯到1939年和1942年,分別由Tiffany和Friedkin[1]兩位學(xué)者建立了模型小河道。但由于他們的實(shí)驗(yàn)歷時(shí)短、分析簡(jiǎn)單,尚不能說明產(chǎn)生的河線形式已達(dá)到穩(wěn)定。此后,在20世紀(jì)60年代,我國學(xué)者唐日長[2]和尹學(xué)良[3]分別利用邊灘植草和在水中加粘土的方法成功地塑造了彎曲型河道,對(duì)河道演化變彎的眾多影響因素做了解釋和描述。到20世紀(jì)80年代中后期,洪笑天[4]等對(duì)河流變彎進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究,指出河床組成、河床中泥沙運(yùn)動(dòng)特性、河床的邊界條件等對(duì)彎曲河流形成具有很大的影響。王平義[5]通過實(shí)驗(yàn)分別探討了泥沙和水利條件下河灣形成變化的過程。2003年,張俊勇,陳立[6-7]等進(jìn)一步通過室內(nèi)概化水槽實(shí)驗(yàn)研究了清水下泄時(shí)河道比降、入流角、流量及河床組成等因素對(duì)河流再造床過程中河型變化的影響。魏炳乾[8]和許棟[9]等也對(duì)彎曲河道的水沙特性及其河道演變特性進(jìn)行了研究。

彎曲河流在自然界中如此普遍,是因?yàn)樘烊缓恿鞯刭|(zhì)條件各異,水文條件不同,多方面、多因素共同復(fù)雜作用以及河流自我調(diào)節(jié)的結(jié)果。由于河道中來水來沙條件的不同,導(dǎo)致河道沖刷淤積的不斷變化,引起地形坡降的變化。同時(shí),非恒定、非均勻的河道水流與河槽之間存在著不相適應(yīng)和適應(yīng)的變化,而河道入流的主流向與河槽主軸線(其夾角即為入射角)也在重合和不重合之間變化[10]。所以,本文主要從入射角和地形坡降出發(fā),研究清水下泄的河流中這兩者對(duì)河道彎曲演變的影響。

1 實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)在一個(gè)長1500cm、寬300cm、深 50cm的室內(nèi)池子中進(jìn)行。池子底部是水平的水泥地面,構(gòu)成試驗(yàn)平臺(tái)。水池內(nèi)鋪放厚度為20cm的模型沙。在水池最前端設(shè)有消能池,保證水流平穩(wěn)進(jìn)入模型河道。水池的尾部設(shè)有沉沙池,沉沙池后面是蓄水池,儲(chǔ)存試驗(yàn)用水。蓄水池內(nèi)設(shè)有潛水泵。試驗(yàn)時(shí)開啟潛水泵,將水流輸送到水池前端,經(jīng)消能池整流消能后進(jìn)入模型河道入口,并在重力作用下沿河道向下游流動(dòng)。在沉沙池泥沙沉降后水流進(jìn)入蓄水池,形成水流的自循環(huán)。在模型河道的一側(cè)標(biāo)記1、2、…、10,10個(gè)特征斷面,間距為 100cm,進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)觀測(cè),整個(gè)裝置如圖1所示。水泵最大流量為2 L/s,可以通過調(diào)節(jié)蝶閥,控制流量。實(shí)驗(yàn)采用表面流場(chǎng)粒子跟蹤測(cè)速系統(tǒng)(PTV)、光纖地形儀等流速、地形測(cè)量儀器,以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中模型沙選用非均勻河沙,中值粒徑為0.58mm。實(shí)驗(yàn)中先塑造出順著的初始河道,然后在河道入口處設(shè)置不同的入射角(即河道入流的主流向與河槽主軸線的夾角)。當(dāng)水流經(jīng)入射角進(jìn)入河道后,研究其對(duì)河道演變初始階段的影響。流量變幅在2.15 m3/h～2.25 m3/h之間,基本保持不變。其余實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 入射角對(duì)河彎演變的實(shí)驗(yàn)分析

2.1 入射角對(duì)彎曲度的影響

在來流量、坡降和河床組成相同的情況下,不同入射角對(duì)河道演變初始階段的彎曲度有不同的影響。圖2所示,為五組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托『釉趶澢葑兊某跏茧A段,彎曲度隨時(shí)間變化的曲線。入射角為0°(即河道入流的主流向與河槽的主軸線重合),河道的彎曲度沒有發(fā)生很大變化,如圖2中RUN1曲線所示,在15 h～30 h時(shí)段內(nèi),彎曲率的變幅只有0.1。當(dāng)入射角大于0°時(shí),彎曲度顯著增大。在不同的入射角條件下,河流演變的彎曲度呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律 。在RUN2、RUN4曲線中,入射角分別為 30°、45°,河道彎曲度變化近似半拋物線型,呈先增大后略減小趨勢(shì)。這是由于當(dāng)彎道的曲率過大時(shí),彎道中的水流動(dòng)力軸線偏向凸岸,引起凸岸邊灘的沖刷及后退,從而減小了河道的彎曲率。

圖2 彎曲度隨時(shí)間的變化

由于入射角不同,兩組實(shí)驗(yàn)中彎曲度的極大值不相等,RUN2中為1.09,RUN4中達(dá)到1.12,出現(xiàn)時(shí)刻也不一樣,且當(dāng)河道趨于穩(wěn)定時(shí),RUN4中彎曲度大于RUN2。這說明,在一定范圍內(nèi),隨著入射角的增大,河道的彎曲度呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)。在RUN3、RUN5曲線中,彎曲度在整個(gè)水流作用時(shí)段內(nèi)均呈遞增趨勢(shì),并在某一時(shí)刻兩曲線相交。在交點(diǎn)之前時(shí)段,RUN3的彎曲度大于RUN5的彎曲度,交點(diǎn)之后開始減緩,且 RUN5的彎曲程度開始大于RUN3。

2.2 入射角對(duì)輸沙率的影響

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,河道在水流沖刷的作用下,在河形演變的初始階段泥沙的輸移能力并不是均勻的或者是均勻變化的。通過實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn),河道沖刷過程中大部分的泥沙是以推移質(zhì)的形式向前輸移的,只有少數(shù)處在深槽周圍的沙粒由于紊流作用以懸移質(zhì)的形式移動(dòng),但不久又沉落河床,以推移質(zhì)的方式向前運(yùn)動(dòng)。由于入射角的存在,水流斜向頂沖初始河道邊岸,隨后受到岸壁的挑流作用折返沖向下游對(duì)岸。初始地形在水流作用下大幅調(diào)整,河道中的輸沙率開始逐漸增大。隨著河床的進(jìn)一步演變,水流和底床相互協(xié)調(diào),輸沙率逐漸穩(wěn)定下來。在河道演變初始階段的全過程中,RUN2和RUN4輸沙率隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示。在整個(gè)時(shí)段內(nèi),輸沙率呈先增大后減小,而后趨于穩(wěn)定。但入射角為30°時(shí),輸沙率在7.2 h時(shí)達(dá)到了最大,而45°時(shí)推遲了大約6 h,且前者的增幅明顯大于后者,這說明入射角的不同改變了河道輸沙率的變化規(guī)律,從而影響了河道彎曲演變的進(jìn)程。對(duì)照?qǐng)D5可以看出,輸沙率的最大值出現(xiàn)時(shí)刻大體上與河道迅速展寬時(shí)段相對(duì)應(yīng)。

圖3 入射角對(duì)輸沙率的影響

2.3 入射角對(duì)底床形態(tài)的影響

在河流彎曲演變的試驗(yàn)中,由于床面具有可沖性,水流的運(yùn)動(dòng)將引起床面形態(tài)的演變,而床面形態(tài)的演變將反過來影響水流的運(yùn)動(dòng),形成水流與床面的耦合作用。當(dāng)來流量、地形坡降等邊界條件保持不變時(shí),入射角對(duì)水流與床面的耦合產(chǎn)生重要影響。在穩(wěn)定的來流條件和地形坡降的情況下,模型小河在22 h～32 h的水流作用下,底床形態(tài)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。圖4給出了RUN2和RUN4中河床達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的岸線輪廓。在不同入射角下,30°入射角河道彎曲演變的程度比45°時(shí)更加明顯,而且在上游段尤為突出。

隨著底床形態(tài)變化的同時(shí),河寬(取不同時(shí)刻各個(gè)特征斷面處河寬的幾何平均數(shù))也不斷發(fā)生變化。河道展寬速率反映了河流斷面與水流條件不相協(xié)調(diào)的程度。如圖5所示為RUN2和RUN4中河寬隨時(shí)間變化的曲線。實(shí)驗(yàn)開始1 h,RUN2中河寬從15cm迅速展寬為18cm,在水流作用的前6.5 h內(nèi),RUN2中河寬增幅明顯。而RUN4中,河寬在前7 h內(nèi)變幅較小,而在7 h～15 h內(nèi),河寬開始迅速增大。但是,兩組試驗(yàn)中河床達(dá)到穩(wěn)定后的河寬大致相等。

圖4 彎道岸線輪廓

圖5 河寬隨時(shí)間的變化

圖6為河床形態(tài)趨于穩(wěn)定時(shí)RUN2和RUN4中最終床面地形,圖中的參考高程(即零點(diǎn)高程)為整個(gè)河道內(nèi)床面高度的平均高程,床面起伏變化的幅度為±3cm。從圖中看見,在彎頂處凸岸稍偏上游處存在邊灘;在凹岸處則出現(xiàn)深槽,并伴隨出現(xiàn)交錯(cuò)的沙坡和沙洲形態(tài)。隨著入射角的變大,淺灘和深槽的位置從彎頂?shù)纳嫌蜗蛳掠我苿?dòng),而且淺灘呈現(xiàn)狹長狀,從一個(gè)彎頂下游延伸至下一彎頂處,河道彎曲度逐漸增大。

圖6 彎道內(nèi)實(shí)測(cè)床面地形(高程 Z,單位cm)

3 河段比降對(duì)河流彎曲演變的影響分析

在 RUN2、RUN3、RUN5中,入射角及河床組成等均相同,但由圖2可知,它們的彎曲度并不相同,這說明河段比降在河道彎曲演變的過程中也起著一定的作用。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料,得出三組實(shí)驗(yàn)中河道穩(wěn)定前后的地形坡降(取各河段比降的平均值)變化情況和最終寬深比,如表2所示。由表2可以看出,各組試驗(yàn)的坡降均在原有基礎(chǔ)上有所減小,這是因?yàn)楹硬壅箤捯潦?河岸穩(wěn)定性較差,大量沙子由于侵蝕浸潤作用進(jìn)入河槽,使河床抬高;另一方面,泥沙運(yùn)動(dòng)以沿程方向的推移質(zhì)輸沙運(yùn)動(dòng)為主要形式,水流挾沙作用將大量泥沙從上游挾帶到下游,從而導(dǎo)致下游床面大大抬高,坡降小。同時(shí),河道坡降的變化在局部河段內(nèi)并不均勻,在河道的起始段和出口段坡降較大,而在中間段比較平緩,且均小于始末段坡降。隨著坡降的增大,寬深比也呈增大趨勢(shì),但并不成比例,而且地形坡降對(duì)河灣的發(fā)育形成具有不利影響。在本實(shí)驗(yàn)研究的較大坡降范圍(6‰～12‰)內(nèi),坡降越大,河道初始階段的彎曲演變歷時(shí)就越長。

表2 河道穩(wěn)定前后坡降對(duì)比

圖7(a)～(d)為RUN2、RUN3、RUN5中河床趨于穩(wěn)定后,部分特征斷面地形對(duì)照。從圖7可知,在河道中間段,底床形態(tài)較復(fù)雜,越往下游則越平坦,沙紋出現(xiàn)散亂,只是在近岸有明顯的深槽,兩岸高程大幅度降低。但從整體上來看,底床形態(tài)受坡降的影響不大,且具有較大的相似性。這是由于彎道輸沙大致處于平衡狀態(tài),凸岸的淤積主要來自凹岸沖刷,凸岸的淤長和凹岸的坍塌崩退在數(shù)量上接近相等,在過程上也基本相印。

圖7 30°入射角河道穩(wěn)定后部分?jǐn)嗝娴匦螌?duì)照

實(shí)驗(yàn)表明,在入射角、流量和河床組成相同的情況下,坡降的變化影響了河床的穩(wěn)定性,彎道水流的輸沙率和作用結(jié)果發(fā)生了變化。當(dāng)坡降不斷增大時(shí),盡管存在入射角,但抑制了彎道曲流的發(fā)育和進(jìn)一步發(fā)展,所以在河流彎曲演變中歷時(shí)更長,且彎曲度相對(duì)較小。在本實(shí)驗(yàn)中,坡降為6‰時(shí)彎道特征最為明顯,當(dāng)大于12‰時(shí),入射角對(duì)河道初始階段的彎曲演變影響已經(jīng)變得很小。

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