連續急彎對河段輸沙能力的累積效應試驗研究

吳岳昆，孫 一，侯志軍，伊曉燕

（1.鄭州大學，河南 鄭州 450001；2.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003）

黃河下游河道存在大量的連續急彎，其幾何邊界的特殊性導致河長增加、水流能量降低、河道輸沙能力改變，進而引起一系列水沙問題，給河道治理及沿線人民的生產生活帶來了極大的安全隱患。連續急彎河段輸沙能力沿程減弱是當下黃河下游河道治理與灘區治理所面臨的重要問題［1］。河道邊界形態與水沙過程之間的相互作用影響河道輸沙能力［2］，對此，學者們進行了大量研究工作［3］。王彥君等［4］研究了主槽斷面形態對水沙變化的影響。白玉川等［5］認為通過優化河床斷面形態，能夠提高河槽的輸水輸沙能力。劉月蘭等［6］在經驗公式中以指數的形式描述邊界形態與河道輸沙能力。Bagnold［7］以河寬作為描述邊界形態的指標。孫東坡等［8］以黃河下游實測資料為基礎，采用斷面形態B／H（B為河寬、H為水深）與來沙系數S／Q（S為含沙量、Q為流量）構造輸沙效率綜合系數Φ＝（B／H）（S／Q）0.5，認為造床流量時的綜合系數Φ最大，河道的輸沙效果最佳。程亦菲等［9］通過分析場次洪水，得出斷面形態B／H對輸沙能力的影響權重大于來沙系數S／Q的權重。由此可見，針對河道輸沙能力的研究，多以斷面河寬和水深作為表示邊界形態的指標，很少考慮彎道的平面幾何形態。而連續急彎在漫灘行洪的過程中，輸沙能力發生變化［10］，主要表現為含沙量、輸沙率在平灘流量時最大，在流量進一步增大、水流漫灘后逐漸減小［11－12］，其原因在于灘槽水沙交換造成動量、能量損失［13］。因此，本文以非恒定流動床物理模型試驗為基礎，研究連續急彎的平面幾何形態對河段輸沙能力的影響，揭示黃河下游連續急彎河段水沙輸移的內在規律，以期為黃河下游連續急彎河段水沙災害防治工程建設與正常運行提供科學合理的依據。

1 試驗設置

1.1 研究河段

本文選取黃河下游孫口上下游的連續急彎河段作為研究河段，其上起偉那里斷面，下至大田樓斷面。研究河段全長約25 km，平均河道縱比降為0.01%～0.015%，主槽平灘河寬400～800 m，均值為650 m，水深3～6 m，均值為4.5 m。研究河段有4個急彎（如圖1所示）：C1—C3段包括1＃、2＃兩個彎道，C3—C5段包括3＃彎道，C5—C7段包括4＃彎道，中心角θ弧度范圍為1.83～2.79（105°～160°），曲率半徑與主槽寬度之比rc／B的范圍為1.83～2.71。

圖1 研究河段急彎示意

1.2 模型設計

試驗在黃河水利科學研究院試驗基地進行。根據試驗要求及模型變率限制條件［14］，取模型水平比尺為800，垂直比尺為100，主要相似比尺見表1。模型沙選用d50＝0.04 mm的粉煤灰，懸沙與床沙組成相同，級配如圖2所示。模型初始地形采用2021年汛前實測地形資料。試驗采用電磁流量計控制進口流量、采用孔口箱控制進口沙量。為實時觀測試驗中水位、流速、含沙量等的變化過程，沿程共布置8個觀測斷面，具體位置見圖1與表2。

表1 模型相似比尺

圖2 模型沙級配

表2 觀測斷面設置

1.3 試驗組次

為探討非恒定流條件下連續急彎對輸沙能力的影響及累積效應，根據歷史上黃河下游發生的大洪水，以“82·8”洪水過程及“58·7”洪水過程為基礎，設計概化2組模型試驗水沙條件，見圖3和表3。

表3 模型試驗水沙過程

圖3 模型試驗水沙過程

RUN1工況共有13個流量級（Q＝1 000～9 844 m3／s），含沙量S變化范圍為10～55 kg／m3，原型時間13 d 4 h，試驗歷時4.1 h。RUN2工況共有15個流量級（Q＝1 000～15 285 m3／s），含沙量S變化范圍為20～82 kg／m3，原型時間14 d10 h，試驗歷時4.5 h。試驗過程中，當每個流量級水流穩定后，采用測針測量各觀測斷面的水位，采用旋槳流速儀測量典型斷面主槽平均流速，采用比重瓶法測量典型斷面主槽內的含沙量。試驗結束排干水后，采用水準儀測量各觀測斷面的床面高程。

2 試驗結果

2.1 水位變化

圖4為各斷面水位變化過程。由圖4可以看出，由于兩種工況的流量均為單峰過程，因此兩種工況各斷面水位的變化過程相似，均為先升高后降低。漲水過程中，隨著流量的增大，沿程水位逐步抬升，水面比降變化不大；落水過程中，隨著流量的減小，沿程水位逐步回落，河段上游部分水位回落幅度較下游部分水位回落幅度明顯偏小，水面比降逐步變大。

圖4 各斷面水位變化過程

2.2 流速變化

圖5為典型流量級下斷面C1～C7主槽平均流速沿程變化。主槽平均流速與流量成正相關關系，落水階段主槽平均流速略大于漲水階段的，這與落水階段水面比降逐步增大相一致。主槽平均流速總體上沿程逐漸減小，在局部彎道內，流速稍有增大。

圖5 典型流量級下斷面C1～C7主槽平均流速沿程變化

2.3 斷面沖淤變化

圖6為RUN2工況各典型斷面的床面地形變化。由圖6可見，洪水過后，河道斷面均出現了不同程度的淤積。大部分淤積發生在灘地以及順直段的主槽，如圖6（a）、（d）、（f）；而彎道段的主槽沖淤變化不大，如圖6（b）、（c）、（e）。由此可推斷急彎水流的強三維結構雖然能夠強化彎道內局地泥沙輸移，但彎道河段通過平面上增加河長造成額外的能量損失，從而導致河道整體上呈淤積態勢。

圖6 典型斷面床面地形變化

考慮河道內的機械能變化，單位時間內通過某一斷面的水體的機械能可用下式表示：

式中：E為機械能；m為單位時間內通過某一斷面的水體質量；g為重力加速度；h為相對水位；v為平均流速。

圖7為RUN2工況典型流量級主槽范圍內機械能沿程變化。各典型流量級主槽范圍內機械能總體上呈沿程遞減規律，上游部分（C1—C 3）較下游部分（C3—C 7）的減小幅度明顯偏大。值得注意的是，在河段中部（C3—C 4）、中下部（C5—C 6）兩處的機械能有局部增大的現象。結合研究河段的平面特征，C1—C3、C3—C5、C5—C7段的彎道段長度占比分別為93%、68%、37%，而C3—C4段以順直段為主，C5—C6段一半為順直段，顯然急彎段較順直段造成了河道能量的額外損失。

圖7 典型流量級主槽范圍內機械能沿程變化

2.4 河道輸沙能力

圖8為典型斷面主槽含沙量變化過程。由圖8可知，各典型斷面主槽含沙量變化過程與進口含沙量變化過程基本保持一致且沿程遞減，可見河道輸沙能力沿程總體呈遞減趨勢。其中，流量上漲階段，各典型斷面主槽含沙量衰減的幅度較大，為26%～46%；流量回落階段，各典型斷面主槽含沙量衰減的幅度較小，為16%～23%。

圖8 典型斷面主槽含沙量變化

為進一步了解水流過程不同階段連續急彎對河道輸沙能力的影響及累積效應，采用無量綱弧長θrc／B作為彎道段的平面幾何特征指標。根據含沙量測量位置可分為3段：C1—C3段包括1＃、2＃兩個彎道，C3—C5段包括3＃彎道，C5—C7段包括4＃彎道。表4給出了試驗河段4個急彎的平面幾何特征，急彎中心角弧度范圍為1.83～2.79，曲率半徑與主槽寬度之比rc／B的范圍為1.83～2.71，無量綱弧長θrc／B的范圍為3.35～7.55。圖9給出了RUN2工況典型流量級連續急彎平面幾何特征無量綱弧長與主槽含沙量衰減率的關系，圖中橫坐標為累積無量綱弧長，數值越大對應水流經過了越多的彎道。由圖9可見，在漲水階段的各流量級中，每當水流經過一個彎道，含沙量都會有所衰減，且流量越大含沙量衰減率越大，衰減率從9%～28%增大至27%～50%。而在落水初期，流量較大時（大于平灘流量5 398 m3／s）含沙量與漲水階段的趨勢相似；當流量降至平灘流量附近時，含沙量衰減率逐漸減小；當流量降至平灘流量以下時，水流歸槽，含沙量衰減率又逐漸增大。說明連續急彎的下游部分淤積量較上游部分淤積量小。

表4 試驗河段急彎平面幾何特征

圖9 連續急彎平面幾何特征與主槽含沙量衰減率的關系

3 結 論

通過非恒定流動床概化模型試驗，在水位變化、含沙量變化和斷面地形變化資料的基礎上，探討了連續急彎對河段輸沙能力的累積效應，主要結論如下。

（1）連續急彎造成額外的能量損失，在特定水沙條件下導致河道整體上呈淤積狀態。

（2）連續急彎河段輸沙能力沿程減弱，整體上呈現出流量越大輸沙能力減弱幅度越大的特征。

（3）急彎的平面幾何特征可用中心角θ和曲率半徑與河寬之比rc／B的乘積θrc／B表示。連續急彎對輸沙能力的累積效應在不同階段有不同的特點，主要表現為漲水階段彎道平面幾何特征θrc／B與輸沙能力負相關；退水階段，當漫灘流量接近平灘流量時，輸沙能力在局部彎道稍有恢復，水流歸槽后，θrc／B與輸沙能力又恢復為負相關關系。