成佳慧，李潤祥，閆曉楠，張 婧，郭志學(xué)，朱殿芳

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.西華大學(xué)，四川 成都 610039；3.成都市市政工程設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610023)

1 概述

河流是自然界生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，為人類社會的發(fā)展和生物生存提供了重要的資源保障。在天然河流中，由主槽和邊灘組成的復(fù)式斷面是一種常見的河道斷面形態(tài)，與單一河道相比，復(fù)式斷面的水流運動特性及河床演變規(guī)律存在較大差別。當(dāng)水流漫上邊灘，過流斷面形狀的復(fù)雜及灘槽阻力的差別，使得水流的運動特性會發(fā)生較大改變。Knight等[1]通過順直水槽試驗揭示了灘槽水流之間的動量交換，并有不少學(xué)者基于灘槽之間的動量交換推導(dǎo)了預(yù)測復(fù)式河道流速分布、剪切應(yīng)力分布及水位流量關(guān)系的方程，比如Shiono and Knight[2]、Knight and Hamed[3]、Yang等[4]和許唯臨[5]。為了更加貼近天然復(fù)式河道，許多學(xué)者進(jìn)行了復(fù)式河道的相關(guān)動床試驗。Knight等[6]、Knight and Brown[7]進(jìn)行了主槽鋪沙、邊灘定床的相關(guān)試驗及研究總結(jié)，對剛性邊界條件下的漫灘水流阻力、主流河床地形演變等進(jìn)行了相關(guān)研究。楊曉蕾等[8]采用多種綜合糙率計算方法，對一典型復(fù)式河道的糙率進(jìn)行對比計算。

對于平原河流來說，其一般具有較為寬廣的河漫灘，當(dāng)遇到較大洪水或邊灘局部抗沖性差異較大時，漫灘水流可能發(fā)生邊灘切割現(xiàn)象，單一河道會逐漸演變成為復(fù)式分汊河道[9]。Redolfi等[10-11]認(rèn)為影響分汊河道發(fā)展的重要原因是河道水沙運動特點，而影響水沙運動主要有“自由”機(jī)制的內(nèi)因和“強(qiáng)迫”機(jī)制的外因。分汊角的大小不僅會影響到環(huán)流強(qiáng)度，同時也會導(dǎo)致兩汊的泥沙分配比例與流量分配比例的差異性[12]。劉韶華[13]以遼寧社河分流工程為例研究了分汊河道水流的相關(guān)特性。Sellin等[14]指出河道斷面呈復(fù)式時，灘槽之間的水流相互摻混，分汊處的水流結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。對于分汊河道的江心洲，其發(fā)展形態(tài)與河道水沙運動相互影響[15]。李志威等[16-17]通過理論分析，指出江心洲洲頭的淤積對整個沙洲的發(fā)展有著重要的影響作用，并通過試驗數(shù)據(jù)建立了理論模型分析沙洲的淤積速率及揭示了其發(fā)育規(guī)律。

前人對復(fù)式河道研究主要集中在單一順直復(fù)式河道及單一彎曲復(fù)式河道，對復(fù)式分汊河道分汊口、匯流口演變及主支汊的過流斷面變化研究較少。復(fù)式分汊河道是一種較為常見的河道形態(tài)，如圖1所示，因此本文通過水槽試驗，對復(fù)式分汊河道定床流速分布、動床清水沖刷下的河床演變特點進(jìn)行了相應(yīng)的試驗研究，對于河道的管理和建設(shè)有重要的意義。

圖1 復(fù)式分汊河道(四川省成都市錦江段)

2 試驗布置

試驗水槽為順直型復(fù)式斷面分汊水槽，修建在四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室試驗廳。在定床邊界條件下進(jìn)行了水流結(jié)構(gòu)測量，為了探究動床情況下的河床形態(tài)變化，進(jìn)行了一系列動床試驗，如圖2所示。動床試驗床采用天然沙鋪設(shè)，中值粒徑為0.81mm，如圖3所示，江心洲洲頭采用粒徑3～4cm卵石進(jìn)行加固以增強(qiáng)其抗沖性。

圖2 復(fù)式分汊水槽動床試驗邊界圖

圖3 天然沙級配曲線圖

水槽長12m，寬2m，縱向比降0.1‰，上游的末端連接了進(jìn)水管道、三角堰、進(jìn)水前池和消能花墻，水槽下游連接出流閘門和尾水沉沙池。試驗水槽的兩側(cè)為有機(jī)玻璃邊墻，邊墻上修建有平行導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上安裝了固定試驗儀器的支架平臺，支架平臺和測量儀器均能向三軸方向移動進(jìn)行相應(yīng)測量工作。水槽主體試驗段可分為5段，如圖4(a)所示，分別為上游單一復(fù)式段(CS01—CS03)、分流段(CS04—CS07)、復(fù)式分汊段(CS08—CS14)、匯流段(CS15—CS16)、下游單一復(fù)式段(CS17—CS18)。整個水槽上下游以CS11(x=6m)對稱，單一復(fù)式段與汊道段以弧線平順連接，整個水槽復(fù)式斷面灘槽比為1∶2.5，復(fù)式分汊段支汊與主汊主槽寬度比為1∶1.5。由于天然河道的自然演變，支汊的入口高程普遍要高于主汊，因此本文設(shè)計支汊高程比主汊高3.5cm，斷面的具體尺寸以CS01、CS11為典型斷面進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)注，如圖4(b)—(c)所示。

圖4 試驗水槽平面布置及典型斷面尺寸細(xì)部圖(單位：m)

為了便于分析，建立了笛卡爾三維坐標(biāo)系，其原點位于水槽CS01斷面右側(cè)邊墻的底部，如圖4(b)所示。在動床工況下，為了校核拍照處理所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用全站儀獲取水槽邊壁坐標(biāo)貼紙坐標(biāo)，故垂向坐標(biāo)值為成都坐標(biāo)系下的實際高程值，但x、y方向的坐標(biāo)與定床坐標(biāo)系保持一致。

在本文中，共設(shè)置了定床、動床2個邊界條件，每個邊界條件各開展2個流量梯度試驗，相應(yīng)的試驗工況見表1。試驗選取了18個測量斷面(CS01—CS18)，每個斷面垂向測點布置間距為2cm，平面測點布置如圖4(a)所示。根據(jù)河床的斷面形態(tài)在灘槽交界處適當(dāng)加密測點，流速測量儀器為ADV。動床試驗數(shù)據(jù)采集范圍為整個試驗水槽，在排干水槽積水后，使用固定于試驗平臺上的單反相機(jī)進(jìn)行拍照，每張照片的像素為4800×3200，相鄰照片的橫向重合率為60%，縱向重合率為80%。將照片導(dǎo)入到計算機(jī)軟件Agisoft Metashape Professional，生成水槽的正射影像及DEM圖，采用ArcGIS Pro對所得DEM圖進(jìn)行高程數(shù)據(jù)提取及高程變化圖繪制。

表1 試驗工況表

3 結(jié)果與討論

3.1 計算方法及水力參數(shù)

在定床試驗中，對測量所得原始數(shù)據(jù)整理計算，通過公式(1)—(4)計算得到相應(yīng)水力參數(shù)，包括垂線平均縱向流速(up)、垂線平均橫向流速(vp)，垂線平均流速(Vp)。

(1)

(2)

(3)

(4)

3.2 垂線平均流速分布特點

圖5展示了主槽水流的垂線平均流速大小、方向以及水動力軸線的發(fā)展。對比30、45L/s下垂線平均流速的大小及方向，能更為直觀顯示出主槽邊界對主槽水流的影響。CS01—CS03段水動力軸線由橫斷面中線偏向主槽一側(cè)，主汊引水強(qiáng)于支汊一側(cè)，江心洲洲頭的阻水作用使得此區(qū)域動力軸線貼近于兩側(cè)主槽邊壁，但隨著江心洲洲頭內(nèi)側(cè)邊壁的高流速區(qū)，引導(dǎo)了動力軸線向此處發(fā)展。

圖5 主槽水動力軸線

對比CS06—CS15區(qū)間的兩汊動力軸線形態(tài)，支汊主槽及其左邊灘寬度較窄，水流受限于主槽的約束強(qiáng)于主汊，所以整體上支汊的擺動強(qiáng)于主汊。對比動力軸線開始擺動的位置，支汊動力軸線在縱向距離上提前于主汊動力軸線0.50m，其在CS13斷面開始就貼近于江心洲側(cè)向匯流段發(fā)展。相比于主汊而言，匯流段支汊具有更大的水流偏轉(zhuǎn)角度，使得其動力軸線更多偏向于下游單一段的主汊一側(cè)，而主汊動力軸線在此區(qū)域顯得與下游銜接更為順直。

對比支汊內(nèi)2條動力軸線的形態(tài)，小流量下出現(xiàn)了3次擺動，而大流量下的支汊水動力軸線卻較為平順。這主要是由于小流量下灘面水深淺，水流受限于主槽邊壁約束的作用更明顯，而在較大灘面水深下，主槽水流與灘面水流摻混交換增強(qiáng)，使得水流更加平順，流速分布更加均勻，弱化了主槽對水流的約束。主汊2條動力軸線擺動趨勢相似，但是與支汊現(xiàn)象一致，同樣是小流量下的擺動幅度大于大流量，擺動位置提前于大流量情況下近0.5m，但擺動后趨于平順位置相似。究其原因，同樣是因為流量的加大，使得整個水流的流速分布更加均勻，主槽對水流的限制作用表現(xiàn)減弱。

為更好展示河槽斷面形態(tài)及江心洲對水流分布的影響，繪制了45L/s下全河段垂線平均流速分布圖，如圖6所示。在該流量下，河段的平均水深為17.87cm，灘面平均水深5.87cm，最大流速的縱向連線處于水槽橫斷面中點連線附近。這說明在此灘面水深情況下，江心洲對整個河道的主動力軸線走向影響不大，但江心洲洲頭對局部水流的影響依舊很大，洲頭流速低值區(qū)、洲頭兩側(cè)主槽附近局部高值區(qū)都是受其影響產(chǎn)生。在CS06—CS08間，江心洲洲面上產(chǎn)生一個明顯的局部高值區(qū)，通過對試驗過程的觀察可知，通過此段的水流受到洲頭阻礙作用，主槽水流垂向翻轉(zhuǎn)，致使表層水流產(chǎn)生波狀流向下發(fā)展，從而加快了表層流速，CS08斷面后趨于穩(wěn)定，斷面流速分布變得均勻。在分流段與汊道段的交界附近(CS04—CS09)，靠近水槽外邊壁區(qū)存在明顯的流速低值區(qū)，這是因為過流斷面的擴(kuò)大使得外側(cè)水流出現(xiàn)低速脫壁流，中間側(cè)與外側(cè)水流較大的流速梯度進(jìn)一步壓縮限制了此區(qū)域的流速發(fā)展，加上CS07斷面后水槽外邊壁轉(zhuǎn)為順直，使得偏轉(zhuǎn)水流受到較大阻力。

圖6 45L/s流量下垂線平均流速平面分布圖

3.3 河床表面沖刷形態(tài)

圖7為沖刷穩(wěn)定河床正射影像圖。整體來看，河床各段均有不同程度的沖刷及坍塌變形，但仍然保持復(fù)式過流斷面形態(tài)。上、下游單一段主槽及邊灘發(fā)生較大沖刷。由于江心洲洲頭的阻水作用，此處水流的挾沙能力降低，大量泥沙淤積在洲頭前側(cè)，而主汊分流能力較大，泥沙以推移質(zhì)形式向主汊下游運動。泥沙淤積導(dǎo)致主汊入口高程不斷抬高，主汊水動力軸線向江心洲一側(cè)偏移，對江心洲洲頭后端邊灘產(chǎn)生沖刷，在45L/s下此現(xiàn)象較為明顯。相對主汊而言，支汊由于主槽寬度較小，且整體高于主汊3.5cm，所以其受沖刷較弱，隨著流量的增大，支汊入口左邊灘較小流量情況下發(fā)生較大沖刷，但泥沙淤積至分流段結(jié)束沒有繼續(xù)向下發(fā)展，灘面與主槽的交界線依舊較為清晰。下游匯流段主汊右側(cè)邊灘沖刷嚴(yán)重，小流量下支汊側(cè)左邊灘沖刷較小，這與圖5所展示的垂線平均流速分布特點相吻合。

圖7 沖刷穩(wěn)定河床正射影像圖

將不同流量下沖刷穩(wěn)定后的地形與天然地形進(jìn)行高程數(shù)據(jù)相減運算，得到?jīng)_刷前后河床高程變化圖，如圖8所示。隨著流量的增大，河床整體的沖刷淤積趨勢變化不大。30L/s下河床高程變化范圍為-8.4～6.7cm，45L/s下河床高程變化范圍為-8.9～11.6cm。在不同流量情況下，泥沙最大沖刷深度接近，而大流量下淤積高度遠(yuǎn)大于小流量，最大淤積位置主要集中在主汊CS06—CS08分流段，這一部分淤積的泥沙主要來自于上游右邊灘的側(cè)岸侵蝕。江心洲洲頭在卵石加固的保護(hù)下，抗沖能力加大，極好地保護(hù)了整個江心洲洲面的沖刷。而主汊泥沙淤積使得其水動力軸線偏向江心洲一側(cè)，使得CS08—CS09區(qū)間內(nèi)的江心洲一側(cè)岸坡沖刷更加明顯。

圖8 沖刷前后河床高程變化圖

3.4 河床斷面沖刷形態(tài)

運用軟件ArcGIS Pro，將初始河床、沖刷穩(wěn)定后的河床床面高程數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，繪制了斷面形態(tài)變化圖，如圖9—10所示。與天然河床比較，復(fù)式斷面的主槽幾乎全部發(fā)生了泥沙淤積，對比每個斷面的沖刷量與淤積量，大致可以推斷CS01斷面前河床發(fā)生較為嚴(yán)重的沖刷。上游單一復(fù)式段(CS01—CS03)主槽的泥沙淤積量與岸灘沖刷侵蝕量基本相當(dāng)。與30L/s下的沖刷形態(tài)對比，隨著來流的增大，右側(cè)岸灘侵蝕加大，岸坡變緩，主槽深泓線整體右移，進(jìn)一步侵蝕削減右側(cè)岸灘寬度。從分流段(CS04—CS07)可以看出，上游單一段表現(xiàn)出來的水流侵蝕右側(cè)岸灘的趨勢得到了遏制，主要是由于上游來沙大量淤積在主汊位置，淤積的床沙使得主汊主流位置偏向河道中心，分流段與分汊復(fù)式段交界處的流速低值區(qū)也保護(hù)了右側(cè)岸灘的進(jìn)一步侵蝕。在CS08斷面附近，泥沙淤積高度基本達(dá)到最大值，其最大高程點略低于江心洲洲面且位于主汊河槽中部，可以明顯看到此處主汊由單一斷面發(fā)展成分汊斷面。

圖10 CS09-CS18沖刷斷面形態(tài)圖

CS08—CS14為復(fù)式汊道段，支汊斷面形態(tài)及江心洲的洲面高程變化很小，意味著這些地方由于流速較小從而沖刷較小。而在定床試驗結(jié)果中，我們可以看到支汊的主槽水動力軸線擺動比主汊還要劇烈，這說明河床斷面的沖刷更多是受流速的大小控制，相比與定床邊界，動床相對松散的泥沙邊界與水流的相互調(diào)整適應(yīng)性更強(qiáng)。隨著向下游發(fā)展，主汊主槽泥沙的淤積與岸坡的侵蝕作用在逐漸減弱，CS13斷面可以看到，此斷面處主汊的主槽泥沙淤積量與岸坡侵蝕量已經(jīng)基本相當(dāng)。

CS15—CS18為匯流段到下游單一復(fù)式斷面段，由于過流斷面的束窄及折沖水流的沖擊作用，匯流段(CS15—CS16)主汊右側(cè)邊灘沖刷嚴(yán)重，整個河槽的主流方向偏向右側(cè)，加上支汊主槽流速較小，支汊左邊灘侵蝕量小于主汊右邊灘。下游單一復(fù)式段主槽兩側(cè)岸灘沖刷基本對稱，沖刷穩(wěn)定后主槽的最低點高程及斷面面積與天然河道基本相當(dāng)，說明此段過流面積變化不大，在水流的作用下河段的過流斷面形狀敞口加大，岸坡變緩。

4 結(jié)論

(1)在不同流量下，主槽垂線平均流速分布的高值區(qū)、低值區(qū)范圍基本一致。偏轉(zhuǎn)水流受洲頭的影響在其內(nèi)側(cè)產(chǎn)生高值區(qū)，江心洲洲頭的阻水、支汊邊灘較窄及邊壁對水流的阻礙等因素產(chǎn)生兩大低值區(qū)。

(2)在一定的淹沒范圍內(nèi)，江心洲對整個河道的流速分布依然存在較大影響。洲頭對上游主槽水流較大的阻礙作用，導(dǎo)致此處水流紊亂，產(chǎn)生的波狀水流在江心洲的洲面創(chuàng)造出流速高值區(qū)。

(3)與主槽水動力軸線相比，支汊主槽水流受窄邊灘、窄主槽的影響，水動力軸線擺動幅度較大。一定的邊灘寬度及灘面水深能使主槽與灘面水流動量交換更加充分，水流的流速分布更加均勻，水動力軸線的擺動幅度減小。

(4)江心洲的穩(wěn)定性更多取決于其洲頭的穩(wěn)定性，在抗沖洲頭的保護(hù)下，江心洲整體形態(tài)基本不變，洲面發(fā)生較小沖刷。上游主槽、沿程岸坡均發(fā)生沖刷侵蝕，分流段主汊的主槽泥沙淤積較為嚴(yán)重，淤積的泥沙使得主汊主流偏向河道中心，對江心洲岸坡產(chǎn)生沖刷。

(5)河床在水流沖刷作用下不斷調(diào)整形態(tài)適應(yīng)水流，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。斷面形態(tài)的調(diào)整主要表現(xiàn)為主槽淤積、岸坡侵蝕及坡度變緩、過流斷面的敞口加大。