陳立超

(北京通成達水務建設有限公司，北京 100000)

保護河岸免受侵蝕是河岸治理中的一項重要內容，其中彎曲河道的河岸保護是大量學者的研究主題[1- 3]。彎曲河道不僅廣泛存在于各大河流中，還具有迂回曲折的外觀特征和蜿蜒蠕動的動態(tài)特征[4]，因此對河岸的保護存在一定難度。根據已有研究成果并結合實際情況可以發(fā)現，河道侵蝕一般發(fā)生在外岸，沉積發(fā)生在內岸。在彎曲河道中，侵蝕沉積會導致河道遷移，從而對周圍生態(tài)、農業(yè)造成不利影響，因此為了提高河岸穩(wěn)定性、減少侵蝕，避免河道遷移帶來的不利影響，大量學者對不同彎曲河道的河岸保護措施進行了研究[5- 6]。現有的河岸保護方式如：彎道堰、帶狀結構等護岸措施均已通過試驗，并取得較好的研究成果，但是防波堤依舊是當前最為廣泛的河岸保護措施之一，尤其是在彎曲河道中。

永定河是海河水系最大的一條河流，其中北京段總長約170km，該河段流經延慶、門頭溝、石景山、豐臺、房山、大興6個區(qū)。按河道不同特征和防汛特點，分為山峽段、平原北段、平原南段。其中官廳水庫至三家店間的峽谷，稱山峽段，干流河長109km，其中屬北京市管轄的干流河道長91km。河道平均縱坡3.1‰，河寬70～300m不等。河床多為粉細沙質，極不穩(wěn)定，河道彎曲，主流左右迂回，兩岸險工較多，水流隨山彎曲，是典型的彎曲河道。由于壩區(qū)的淤積，導致附近堤岸周邊土地遭到破壞，為了減少這種不利影響，大多學者通過調整結構滲透性[7]、防波堤斜率[8]、防波堤形狀[9]等方式，但是這些研究均在直線渠道或單一彎曲河道中進行未考慮多種彎曲度河道[10]，以至于研究成果難以在彎曲河道中轉化。且彎曲河道具有多種特性(彎曲度、振幅、偏轉角、曲率半徑與河道寬度之比(R/B)等)，在單一彎曲河道下，由于受主導河道特性的影響，無法全面評價河岸保護對策的有效性。盡管目前在正弦生成(SG)曲流河道的流動動力學和河道形態(tài)演化的研究中，相關學者已經開展了關于彎度影響的研究[11]。然而，考慮河道彎度對河岸性能影響的研究尚未得到驗證，因此本文通過室內試驗研究了2種不同彎度的可侵蝕性彎曲河道中坡頂防波堤的性能。

1 試驗方案

1.1 彎曲河道試驗裝置

本文采用室內試驗模型方式還原永定河北京段的河段特性進行相關研究，包括水流特性、河床特質等。試驗水槽的布置如圖1所示，水槽由長度分別為50和100cm的固定河床進、出水槽組成。主河道包括一個長400cm，寬200cm，充滿不均勻的侵蝕層(D=0.72mm，σ=(d84/d16)0.5=1.38，比重=1.41)以及厚20cm的非黏性沉積物構成。

圖1 研究中使用的2個實驗通道示意圖布局(單位:cm)

正弦生成曲線(SGC)被用來描繪河床侵蝕邊界內的彎曲通道，計算式為：

(1)

式中，φ—局部偏轉角，(°)；ω—最大偏轉角，(°)；s—通道方向長度，cm；M—通道方向波長，cm。

通過對式(1)在x和y方向的積分，可以得到沿河谷方向的波長(λ)和振幅(A)。本試驗準備了2個不同類型的河道通道，分別為高彎度(HS)和低彎度(LS)河道，其不同參數值見表1。

表1 試驗參數

可侵蝕的彎曲河道的制備流程主要包括：①首先將河床壓實和平整，然后填滿周圍的河岸材料，并在預制的木制河道周圍壓實；②利用SGC構建2個獨立的預制木河道，制備2種不同曲度的試驗彎曲河道；③在河床和河岸都使用同樣類型的沉積物，將其壓實平鋪后，然后移除預制河道，得到設計的矩形試驗河道，且其初始寬度為20cm，深度為5cm。重復同樣的程序準備研究所需的2種類型的彎曲河道。

1.2 試驗方法

為確保試驗結果的通用性，本文采取控制變量法的方式，在2個不同類型的彎曲河道中進行試驗，每個河道做2組試驗，對每條彎曲河道分別進行不采取控制措施和采取控制措施試驗，共計4個試驗方案。河道條件分別是高彎度無壩(HS-NG)和有壩(HS-G)的河道，低彎度無壩(LS-NG)和有壩(LS-G)的河道，試驗水流情況詳見表2。

表2 試驗水流條件

由于試驗水流部分受河道大小及非黏性沉積物的影響，所以制備較大的彎曲河道難度較高。另外，因為彎曲河道沉積物是非黏性的，若選擇較高的流量必定會導致河道受到較快速度的侵蝕，促使本研究縮短試驗時間。因此本文首先選取了一種輸沙量不超過設計河道的輸沙量，并且保證試驗在清水條件下進行，試驗時間為40min。然后，在對河道采取控制策略時，在試驗的前20min可對河道根據流量條件進行調整，即停止水流，當控制對策裝置安裝完畢后恢復水流流動。在2種河道的4個試驗方案中，壓力泵向上游儲罐提供了0.95L/s的恒定流量，水通過儲罐逐漸進入河道入口，研究目標區(qū)域如圖1所示。

在試驗過程中，每20min測量一次水流和河道的各種參數，即:表面流速分布、特定位置的水位和河床地形。表面流場的測定采用平均直徑為50μm的聚氯乙烯(PVC)顆粒作為衡量顆粒，同時利用MATLAB軟件進行相關分析并且運用激光位移傳感器測量河道地形變化情況。

1.3 防波堤的設置

本文的防波堤由三角形部分和矩形部分組成，其中三角形部分是從堤岸頂部向河道傾斜，矩形部分插入堤岸內以防止水流從側翼繞過結構。擋土墻的尺寸和幾何示意圖如圖2所示。

圖2 防波堤構造和幾何示意圖

與傳統的矩形壩相比，本文所提出的防波堤河岸向河道傾斜的壩頂具有最小的水流阻力、較小的紊流和水流安全通過的特點。

2種河道沿外側河岸的壩身位置如圖3所示。

沿外岸線從頂點上游到交叉點或拐點處設置防撞壩，由于河道長度的不同，不同類型的河道中防撞壩的數量也有所不同。試驗中上游至頂點處的壩體向上游河岸傾斜1200cm，以保證壩體向下游的順利流動，而頂點下游的壩體則與岸線成直角放置。在河道調整初期，不同河道的河岸侵蝕形態(tài)、位置和程度不同，具體表現為在圖3中，t=20min到t=0min之間河道高程的變化。

2 結果與討論

2.1 河道形態(tài)演變

由于水流、泥沙運輸和河道平面形態(tài)的相互作用，彎曲河道的形態(tài)在不斷演變。在試驗結束(t=40min)到試驗開始(t=0min)之間的河道標高差異，所有試驗方案的流量均從左向右。如圖4所示。

圖4中黑色虛線表示原始的河岸線(t=0min)，紅色虛線表示河岸線在試驗的后20min采取防波堤措施時的變化，其中正值表示沉積，負值表示侵蝕。結果顯示在2種河道中，當試驗開始時，河岸最低處遭到侵蝕導致河岸物質以塊體形式失效，并隨水流流走；在后期，河岸根據水流條件進行了調整，所以沒有遭到破壞。然而，由于近岸剪應力過大，河道沿河岸特定位置的沖蝕仍在繼續(xù)，導致河道變寬且LS-NG的侵蝕速率高于HS-NG。高彎度河道(HS-NG和HS-G)與低彎度河道(LS-NG和LS-G)的情況相比，彎曲河道的沉積和侵蝕等特征沒有明顯變化。這種微小的差異可能是由于HS河道和LS河道的不均勻侵蝕造成的。由于所有泥沙均未從外部提供，所以泥沙輸送都必須從河床和河岸物質進行，因此LS-河道侵蝕程度越高沉積物運輸就越頻繁，導致形成深水坑，進而在對岸形成防波堤。在LS-NG和LS-G 2種情況下，防波堤的形成和深水坑向外灘的遷移導致了更大的侵蝕，而HS-NG和HS-G的深水坑和防波堤規(guī)模相對較小，整體侵蝕程度較小。

河道中心線曲率半徑(R)與河道寬度(W)之比，表示河道曲線的鋒利性或緊密性，是控制曲流河道侵蝕和位移的重要參數。HS河道由于河道較長，R/B值較高，流動過渡平穩(wěn)，因此HS-NG工況的沖刷較小。在LS-NG工況下，由于LS-NG河道流道較短，R/B比較低導致流場轉變較快，所以侵蝕程度較高。以此同時，HS-NG河道侵蝕最大值出現在拐點或交叉區(qū)附近，LS-NG河道侵蝕最大值出現在內彎道頂點附近，并逐漸向上游方向偏移。由于侵蝕或河道擴張的程度對水流走向有一定影響，進而決定了防波堤的性能，所以不同河道類型中防波堤的性能不同。與HS-NG河道相比，LS-NG條件下的侵蝕和河道變化程度更均勻、可預測性更強，且河床形態(tài)在2種河道中均有向下游遷移的趨勢。在此情形下，通過加設防波堤可以幫助在HS和LS河道外河岸頂附近的侵蝕得到控制。具體表現在LS-G條件下，頂端下游的侵蝕量也大大減少，而在HS-G條件下，侵蝕量略有增加。在壩區(qū)內沖刷作用最小，但在脫離壩區(qū)后，沖刷作用仍在下游繼續(xù)。在試驗過程中，雖然有個別壩頂處出現沖刷現象，但壩頂處整體沖刷并不明顯。與LS-NG河道的情形相比，在LS-G條件下的防波堤設置在一定程度上減小了深水坑的大小和外灘的沖刷程度。同時與LS-G條件下的處理方式相比，HS-G條件下在壩體間隙發(fā)生了較大的沖蝕。LS-G工況下的深水坑使水流流速度變緩，從而降低了湍流度。

圖3 河道位置和河床高度在不同條件下的變化(單位:cm)

圖4 河床高程變化(單位:cm)

2.2 侵蝕-沉積體積分析

通過對河道沖淤形態(tài)的分析，可以確定河道的輸沙特性。試驗中所有條件下侵蝕-沉積的體積隨時間變化的趨勢如圖5所示。

根據不同時期實測河床高程的變化，計算各時期間的侵蝕-沉積體積。在給定的水流條件下，由于河道被快速調整，所以在試驗的前20min侵蝕量和沉積量都較高。當加設防波堤后，LS-G的侵蝕量顯然小于LS-NG條件下的侵蝕量，這表明防波堤能有效地減少河道的侵蝕，增強河道的輸運能力。而HS-G情況下的侵蝕-沉積體積變化與HS-NG條件下相比均較小，這表明河道在調整過程中HS河道依舊活躍。

圖5 不同條件下侵蝕-沉積體積隨時間變化情況

在t=40min到t=20min之間，即實施防波堤后，沿河道中心線和右岸線河道的標高變化。如圖6所示。

同樣的，河道侵蝕用負值表示，而沉積用正值表示。由圖6(a)LS-NG和LS-G的對比結果可知，由于壩體的存在，尤其是壩頂下游的局部沖刷，導致右岸的退化。然而，在圖6(b)所示的河道中心線上，由于侵蝕沉積物由河岸向中心運移，導致河道不斷堆積。在HS河道中，即使在有防波堤存在的情況下，河道的侵蝕-沉積體積也幾乎沒有變化。圖6(c)沿右岸邊線可以發(fā)現，在尖部上游出現輕微沉積，在靠近尖部區(qū)域出現輕微侵蝕。同時圖6(d)顯示，沿著河道中心線也能觀察到類似的標高變化情況。

2.3 表面速度分布

沖積現象引起的河道平面和河道床層的連續(xù)變化在很大程度上影響了縱向和橫向的速度分布，與此相反的是速度分布決定了河道的形態(tài)演變。本文通過PIV技術對獲得的表面速度分布進行分析，確定了河道形態(tài)演化過程與河道內速度分布之間的關系，結果如圖7所示。

圖7顯示了HS-G(圖7(a)、圖7(b))和LS-G(圖7(c)、圖7(d))2種情況下，實施防波堤前(試驗前20min)和實施防波堤后(試驗后20min)的表面速度分布。

結果表明，在河道調整之前的20min內，河道內的速度分布基本均勻。河道經過形態(tài)變化調整到給定的水流條件后，流速分布也趨于不均勻。但是由于較長的流動路徑以及R/B比，HS-G條件下發(fā)生了平滑的流動過渡，因此，如圖7(a)所示，流速在整個河道斷面和河道沿線的分布大致均勻。然而，在2個尖頂之間的拐點處流速稍高，這是由于該地區(qū)周圍的侵蝕比較嚴重。同樣，在LS-G工況下，如圖7(c)所示，在實施防波堤前，高流速集中在內彎道頂點附近，導致該區(qū)域附近的侵蝕程度較高。LS河道橫向速度分量較高，主要是由于橫向速度分量較大，在外側岸坡附近形成深池，在內側彎道附近形成防波堤。實施防波堤后，LS-G和HS-G近岸速度均顯著降低，如圖7(b)、7(d)所示。但除了壩體周圍有輕微的偏轉外，河道內的速度分布沒有明顯的變化，盡管壩體周圍的速度有所降低，但在脫離防波堤后有明顯的增加趨勢。

圖6 不同時間間隔之間的標高差(單位：cm)

圖7 橫流實施前后的流速分布(單位：m/s)

3 結論

本文研究了2種不同曲度的可侵蝕彎曲河道中的流動演變、沉積物運輸以及河道形態(tài)的變化，并提出了一種由堤岸向河道延伸的坡頂改進型護岸對策為后續(xù)學者提供理論參考，但是由于本文是基于室內試驗和模擬的方式進行相關研究，因此研究結果存在一定局限性。本文具體結論如下：

(1)LS溝道的最大侵蝕發(fā)生在內部彎曲頂點附近，而HS溝道的最大侵蝕發(fā)生在拐點或交叉區(qū)域附近。

(2)低彎道河道由于侵蝕程度較高，形成了明顯的深水坑；在河岸侵蝕方面，LS河道在無防波堤的情況下更容易發(fā)生侵蝕，從而導致河道的均勻加寬。

(3)防波堤的實施對建筑物附近的水流、泥沙輸移和河岸侵蝕均會產生影響。本文所提出的對策在LS河道上作用效果更好。