李春一 歸力佳 張望舒

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)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(fā)展之中， 其中河流的邊界在水流受到干擾后會發(fā)生相應(yīng)的變化， 而河流邊界的變化又會導(dǎo)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(jié)構(gòu)。 二者永遠處于變化和發(fā)展之中， 它們之間相互作用的中間環(huán)節(jié)便導(dǎo)致了泥沙的沖刷或沉積。

這一中間環(huán)節(jié)，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(yīng)。 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(dāng)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(nèi)的氣候、植被、徑流和產(chǎn)沙存在著一個穩(wěn)定的關(guān)系，使流域的來沙及下游河道的演變相對穩(wěn)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(xiàn)有自然條件→改變輸沙能力→導(dǎo)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(guān)注的是如何影響水沙相互作用這一環(huán)，也就是改變調(diào)節(jié)水流輸沙能力的因素。 自然因素包含氣候、植被與土壤、地質(zhì)與巖性、地貌形態(tài)，本文所探究的重點是針對地貌形態(tài)產(chǎn)生的影響做出合理改善。

從河道形態(tài)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(dǎo)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(guān)注后者。

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

2 設(shè)計

2.1 總體設(shè)計思路

沖刷使水流的過水?dāng)嗝嬖龃?，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?dāng)嗝鏈p小，流速增大，水流的挾沙能力會相應(yīng)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(diào)節(jié)水沙平衡。

類閘門，顧名思義是將閘門的形態(tài)與功用運用到坡岸防護設(shè)計工作中去。如同閘門通過啟閉變化控制水流參數(shù)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(diào)節(jié)擋板的位置，影響水流流速，調(diào)節(jié)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(wěn)或河岸發(fā)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(shè)項目管理、河道采砂管理、提防管理、防洪調(diào)度、防汛搶險。而我們所做的設(shè)計正是針對提防管理這塊，其現(xiàn)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(dǎo)致堤岸不穩(wěn)，直接原因是：堤身單薄、斷面不足；堤身填筑質(zhì)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(chǔ)上， 結(jié)合水沙運動情況從根源上緩解堤岸變化情況。

2.2 具體設(shè)計細節(jié)

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(zhì)量之外，主要是在需要保護的一側(cè)堤岸處，使用堤岸材料、閘門工藝制作連續(xù)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(dāng)流速達到一定速度后可打開第一塊擋板， 擋板之間又可產(chǎn)生連鎖效應(yīng)使所有擋板均打開；而當(dāng)流速下降到標(biāo)準(zhǔn)及以下時，閘門又回復(fù)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(wěn)的具體設(shè)計如圖4 所示。

圖4 河岸護坡用類閘門方式趨穩(wěn)的具體設(shè)計

2.3 結(jié)果

理論上，用類閘門方式使這種河流邊界的河岸護坡趨穩(wěn)是可行的。

我們可通過兩種參數(shù)來驗證其具體效果。 其一，通過河床穩(wěn)定系數(shù)（通過大量實驗與經(jīng)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(guān)系，可以通過大量實驗找到規(guī)律。

我們可以針對具體問題，獲得上述參數(shù)，對運用該方法前后的數(shù)據(jù)結(jié)果進行比較，分析該方法是否優(yōu)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(qū)時流速極易改變的區(qū)域，通過橫向穩(wěn)定緩和縱向穩(wěn)定，達到綜合穩(wěn)定，該區(qū)域也就是基礎(chǔ)地形改變處；（2）蜿蜒河道，容易產(chǎn)生堆積與侵蝕的不對稱河岸處。

3 結(jié)論

本設(shè)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(qū)河段進行分析，確定擋板的材料，具體研究其連接處的設(shè)計和材料（防管涌）以及通過大量的數(shù)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(shè)置應(yīng)有區(qū)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(dǎo)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(xué)[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.