河流邊界河岸護坡用類閘門方式趨穩及其應用方法

李春一 歸力佳 張望舒

（河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098）

1 引言

“River Morphology，concerns the’general form and behavior of a river as a whole’.There are no ‘identical rivers’，and yet most of the rivers exhibit a number of common feature and trends.”[1]天然的河流總是處在永恒的變化和發展之中， 其中河流的邊界在水流受到干擾后會發生相應的變化， 而河流邊界的變化又會導致水流條件的改變， 因而水流和河床時時刻刻都在相互作用——水流促使河床變化，河床變化反過來又影響水流結構。 二者永遠處于變化和發展之中， 它們之間相互作用的中間環節便導致了泥沙的沖刷或沉積。

這一中間環節，也就是改變河流邊界的直接原因——水流的輸沙能力的變化。水流的輸沙能力與河流的水力條件、泥沙因素相適應。 如果水流所挾帶的泥沙量小于其輸沙能力，水流會在河床的合適部位獲取適量的泥沙作為補充，從而造成沖刷；而當水流的水力條件下降到不足以挾帶那么多泥沙時， 即水流挾帶的泥沙超過其輸沙能力時，水流中超載的泥沙又會沉積下來。 因此河床演變的根本原因是水流與河床相互之間的不平衡作用。

在自然條件下，流域內的氣候、植被、徑流和產沙存在著一個穩定的關系，使流域的來沙及下游河道的演變相對穩定。 正因為如此，河床演變實際上是一個不斷反饋的過程，是一個趨向性的問題： 現有自然條件→改變輸沙能力→導致河流邊界變化→本體自然條件的改變。 河流演變反饋過程如圖1 所示。

圖1 河流演變反饋過程

我們所關注的是如何影響水沙相互作用這一環，也就是改變調節水流輸沙能力的因素。 自然因素包含氣候、植被與土壤、地質與巖性、地貌形態，本文所探究的重點是針對地貌形態產生的影響做出合理改善。

從河道形態變化的方向上來分析在河道水流與河床邊界相互作用下，河床在垂直和水平方向上的變形。 沖淤作用導致流程方向上河床高程的變化稱縱向變形， 與水流垂直的水平方向的變形則稱橫向變形。 在一般情況下，這兩種變形都是交織在一起的。 在文中我們更為關注后者。

因而，通過經驗累積、實際觀察以及理論分析，我們已經知道在相當長的一段時間內，河床會朝著某一方向發展變形，這種變形會導致河岸不穩定，尤其會影響人類的生存發展。本文就是介紹如何通過在河流邊界即河岸護坡部位設置類閘門來使河流邊界河岸護坡趨穩，并分析該方法的應用范圍。

2 設計

2.1 總體設計思路

沖刷使水流的過水斷面增大，流速減緩，水流的挾沙能力變小，沖刷能力逐漸降低；而淤積則使水流的過水斷面減小，流速增大，水流的挾沙能力會相應地加強，淤積會漸漸停止。因此，我們想利用類閘門的方式通過控制水流流速來調節水沙平衡。

類閘門，顧名思義是將閘門的形態與功用運用到坡岸防護設計工作中去。如同閘門通過啟閉變化控制水流參數的變化，我們可以通過類似閘門的防護擋板， 在水流流速不同的情況下調節擋板的位置，影響水流流速，調節輸沙能力，減小對河流邊界條件的影響。 這種情況主要針對重要河岸岸堤，以防堤岸周圍的建筑物失穩或河岸發生崩岸等狀況。

從水利的角度，我們所謂的河道管理主要包括河勢檢測控制、涉河建設項目管理、河道采砂管理、提防管理、防洪調度、防汛搶險。而我們所做的設計正是針對提防管理這塊，其現存問題已在引言部分的成因分析中闡明，可知，具體在于水沙兩相變化導致堤岸不穩，直接原因是：堤身單薄、斷面不足；堤身填筑質量差；透水提基、散浸、管涌；生物破壞。 我們所提出的方案是針對前兩者進行改善的基礎上， 結合水沙運動情況從根源上緩解堤岸變化情況。

2.2 具體設計細節

以下我們以長江安徽段河道為例，分析其河道問題。 銅陵大橋下與蕪湖大橋下河段近年左右岸具體變化情況見圖2、3。

圖2 銅陵大橋下長江安徽段河道近年左右岸變化

圖3 蕪湖大橋下長江安徽段河道近年左右岸變化

從圖中可得知銅陵大橋下的河道左岸侵蝕嚴重， 右岸堆積；蕪湖段則相反。 因此前者需要通過加固或其他方式保左岸，后者則需保右岸。

我們采取的方式除了加固堤身質量之外，主要是在需要保護的一側堤岸處，使用堤岸材料、閘門工藝制作連續的擋板，連接處利用彈簧門原理。 流速較低時，擋板均在原位；當流速達到一定速度后可打開第一塊擋板， 擋板之間又可產生連鎖效應使所有擋板均打開；而當流速下降到標準及以下時，閘門又回復原位。

實驗原理：（1）流速較小時，在原位的擋板可通過類似丁壩的作用防止河岸的沖刷；（2）流速較大時，通過改變影響挾沙能力的條件，如拓寬河道，減小流速，使攜沙能力下降，從而減小沖刷，達到效果。 河岸護坡用類閘門方式趨穩的具體設計如圖4 所示。

圖4 河岸護坡用類閘門方式趨穩的具體設計

2.3 結果

理論上，用類閘門方式使這種河流邊界的河岸護坡趨穩是可行的。

我們可通過兩種參數來驗證其具體效果。 其一，通過河床穩定系數（通過大量實驗與經驗研究得出，目前武水的公式流傳較廣）；其二，可通過造床流量能否維持一個定值來判斷，造床流量與挾沙能量有直接關系，可以通過大量實驗找到規律。

我們可以針對具體問題，獲得上述參數，對運用該方法前后的數據結果進行比較，分析該方法是否優越，這也是我們在今后的工作中需要探究的方向。

該方法適用于：（1）河流從山谷進去平原區時流速極易改變的區域，通過橫向穩定緩和縱向穩定，達到綜合穩定，該區域也就是基礎地形改變處；（2）蜿蜒河道，容易產生堆積與侵蝕的不對稱河岸處。

3 結論

本設計目前尚處于雛形階段，我們今后的工作還將有針對性地對某一個地區河段進行分析，確定擋板的材料，具體研究其連接處的設計和材料（防管涌）以及通過大量的數模與物模確定其開閘流速與時機。

目前我們所遇到的最重要問題：第一，針對不同的河道自然狀況，其連接處的設置應有區別，如何解決這一問題；第二，流速較小時，閘門在原位起到丁壩作用，防止沖刷，而流速較大時，隨著拓寬河道，降低流速，反而令丁壩作用消失，還需進一步實驗得到改變水沙兩相影響的主導因素。

[1][加]Dr.M.S.Yalin，P.Eng.River Mechanics[M].Dr.Wenhong Dai，P.Eng.

[2]張瑞瑾.河流泥沙動力學[M].水利水電出版社，1998.

[3]張肖.河道及水利工程管理實踐中的一些問題與對策講座，2014.

[4]戴文鴻.河流阻力與河床演變講座，2010.

[5]唐洪武.專利申請介紹講座，2014.

[6]http://baike.baidu.com/view/136498.htmfr=Aladdin.

[7]http://baike.baidu.com/view/3869048.htmfr=aladdin.