（水力学及河流动力学专业论文）山区急弯放宽河段的水力特性试验研究.pdf

摘要 摘要 目前，国内外对弯道水沙运动特性已进行了大量深入的研究，室内试验研究 大多是针对等宽弯道进行的，而对山区河流独特的急弯放宽河段的水力特性研究 甚少，所以开展急弯放宽河段室内试验研究具有重要的意义。 本文在分析山区河流形态的基础上，概化出急弯放宽河段的基本平面形态参 数，引入了弯道放宽率口这个因素。在前入对弯道水流研究的基础上，综合考虑 了弯道放宽率卢、弯道中心角目、相对弯道中心半径足，占、弗汝德数丹等因素的 影响，对山区急弯放宽河段的水力特性进行了系统的试验研究。 通过物理模型试验，观测了弯道试验段水面线的变化、弯道断面的流速分布、 推移质的淤积带、水流分离现象的发生和分离区的大小。 试验研究成果表明，放宽率卢对急弯放宽河段的横比降最大值有较大影响， 对于等宽弯道，横比降的最大值一般出现在弯顶处，但是随着的增大，最大值 出现的位置会相应逐渐上移。而声对纵比降最大值的影响较小，通过对试验数据 的拟合，建立了凸岸和凹岸最大纵比降与弯道中心角口、相对弯道中心半径显吾 和弗汝德数乃这三个因素的经验公式。试验成果和公式推导表明，横比降和纵比 降的最大值都随乃增大而增大。 前人对水流分离现象的分析，多集中在r ，矗和n 这两个参数上面，并通过 这两个参数绘制了水流分离现象的判别图。通过本文的试验可以看出，在急弯放 宽河段，卢对水流分离现象的发生与否、分离区的长度都是起着主要的作用，而 置i b 、口和n 的影响要稍小一些。此外，本文还将推移质淤积带和水流分离区结 合起来分析，总结了冠，b 对淤积区最大宽度和分离区最大宽度的影响。 在所有试验中，水流动力轴线的变化都不大，这说明对于本文概化出来的这 种限制性河湾，水流运动的方向因流量不同或是水流强度的不同而改变的幅度是 f f j j , 的。 关键词：山区河流，急弯放宽河段，模型试验，水面比降，水流分离 摘要 2 a b s t r a c t p l e n t yo fr e s e a r c hh a sb e e n d o n eo nt h eb e h a v i o ro fc u r r e n t a n ds e d i m e n t m o v e m e n ti nc u r v e dc h a n n e l a n dm u c he x p e r i m e n t a ls t u d yi sf o rt h eb e n dw i t he q u a l w i d t h i ti sf e wf o rs h a r pb e n d 丽t he n l a r g e dw i d t h ( s b e w ) i nm o u n t a i n o u sr i v e r e x p e r i m e n t a ls t u d yo ni th a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lm e a n i n g r a t eo fc n l a r g c dw i d t hi sc o n s i d e r e df i r s t l yi nt h i sp a p e r , b a s e do ns u m m a r i z i n gt h e g e o m e t r yo fs b e wi nm o u n t a i n o u sr i v e r o nt h ep r e v i o u sr e s e a r c hf o u n d a t i o n t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nc h a n n e lg e o m e t r y , f l o wa n db e d1 0 a dd e p o s i t i o ni ss t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yi ns b e wf l u m eb ym e t h o d so f t h e o r i e sr e s e a r c ha n de x p e r i m e n tr e s e a r c h m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa sf o l l o w s ： l o c a t i o no fm a x i m u mt r a n s v e r s c s l o p eo fw a t e rs u r f a c ew i l ls h i rt o w a r d s u p s t r e a mo fb e n dw i t hr a t eo fe n 】a i g e dw i d t hl a r g e n i n g a n dt h em a x i m u mv a r i e si na s i m i l a rw a yt of m u d en u m b e r m a x i m u mo fl o n g i t u d i n a ls l o p eo fw a t e rs u r f a c ei s c o n t r o l l e dm a i n l yb yf r o u d en u m b e r , r e l a t i v ec u r v a t u r er a d i u sa n db e n dc e n t e ra n g l e ， a n dt h er e l a t i o nc a nb ei n t e r p r e t e df r o ma ne x p e r i e n t i a lf o r m u l a i m ep h e n o m e n ao ff l o ws e p a r a t i o nw e r er e g a r d e dt oh a v er e l a t i o n so n l yw i t h f r o u d cn u m b e ra n dr e l a t i v ec u r v a t u r ei np r e v i o u sr e s e a r c h i nf a c t ，r a t co fe n l a r g e d w i d t hi sam a i nf a c t o rf o rs e p a r a t i o no ff l o wb yt h i se x p e r i m e n t g e n e r a t i o no ff l o w s e p a r a t i o na n dz o n eo fs e p a r a t i o nh a v ec l o s er e l a t i o n sw i t hr a t eo fe n l a r g e dw i d t h a x i so ff l o wv a r i e sl i t t l ew i 出d i s c h a r g ea n di n t e n s i t yi nt h es t u d yr e a c h a n di th a s b e e nc o n c l u d e dt h a tt h ew a yo ff l o wh a sl i t t l ec h a n g ew i t hv a r i e t yo fc u r r e n ti n r e s t r i c t i v eb e n d k e yw o r d s ：m o u n t a i n o u sr i v e r , s h a r pb e n dw i t he n l a r g e dw i d t h ，m o d e le x p e r i m e n t s ， s l o p eo fw a t e rs u r f a c e ，s e p a r a t i o no ff l o w 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文储躲谗喈 日期：d 彩年历月f 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 重庆交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密彤 ( 请在以上方框内打“。”) 学位敝储繇唧也牛 日期：沙枷年月歹日 指导教师签名：闻华忍 日期：m 6 年p 月5 - 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 河流资源是基础自然资源，是生态环境的控制性因素之一，同时又是战略性 经济资源，是一个国家综合国力的有机组成部分。纵观人类历史，社会的发展及 经济文化的进步都与河流戚戚相关。河流两岸自古以来就是人类社会活动、发展 的中心，对人类社会的发展进步起着非常重要的积极作用：幼发拉底河、底格里 斯河源生了古代美索不达米亚的繁荣；尼罗河流域创造了辉煌的古代埃及文明； 黄河、长江孕育了中华民族灿烂的古代文化。 但河流对人类既存在着有利的一面，也存在着有害的一面，如何变水害为水 利，是人类和大自然作斗争的主要内容之一。随着社会的发展，水害可能带来的 损失越来越大，相反，如能充分利用河流则带来的社会效益和经济效益也是巨大 的。在与河流相处的过程中，人类对河流的认识在一步一步地加深，从过去受河 流摆布的阶段发展到现在利用与改造河流的阶段，而未来的发展要求是能在某种 程度上控制河流，这也为全世界的水科学工作者提出了更高的要求。 由于在天然条件下，河流的形态千姿百态，边界条件极其复杂，情况也各不 相同，并且永远在不断发展变化：水流作用于河床，使河床发生变形；河床的变 形反过来也作用于水流，影响水流的结构和形态。两者通过泥沙运动构成一对矛 盾的统一体，既相互依存、相互影响，又相互制约，使河流处于不断的演变过程 中。如果要做到控制河流，让河流完全为人类所利用，就必须对人类活动和自然 条件变化对河流所产生的影响做出准确的预报，及时的采取措施，充分的利用河 流积极的一面，预防杜绝其消极的一面。 由于河流所处位置的差异，来水来沙条件以及河床边界条件的不同，因而水 流运动的过程和泥沙运动的过程也是错综复杂、多种多样的，这给河流水沙运动 特性的研究带来很大的困难。通过长期的观察和分析，人们发现：尽管在同一条 河流上不同的河段其河床形态和水沙运动规律往往各异，但在不同河流上某些河 段的河床形态和水沙运动规律有时却很相似。因此，针对不同类型的河流，通过 科学的研究，探索出水流、泥沙与河床、滩险变化之间的一般规律和特殊规律是 具有重要的科学意义和现实意义的。 第一章绪论 2 1 2 河型的分类 河型分类是一个十分复杂又理论性很强的问题，依据不同的标准，曾产生的 河型分类主要有区域自然地理模式分类“3 、根据沉积物搬运方式的河型分类”。、以 河道和河间地相对沉积速率为标准的河型系列分类“埽河流平面形态分类。1 等。目 前得到广泛应用的基本上是依据平面形态的河型分类。 河道的平面形态分类，一直受到水利学家、地貌学家、沉积学家的高度重视。 在进行河型分类中，水利学家在依据平面形态的同时，大多注意到河流的水流状 况和水力学特征；地貌学家在高度重视河流的平面形态的情况下尤其重视河流的 微地貌特征，同时对气候和新构造在河型演化中的作用高度关注；沉积学家则在 关注平面形态的同时更注重沉积物特征及沉积构造方面的研究。而在河流演化的 时限方面，水利学家则考虑的是工程年代，地貌学家则考虑相对时限较长的地貌 年代，而沉积岩石学家则关注更长时期的地质年代“3 。显然，由于研究的目的不同， 需要选取的时限也就不同，对河流系统的水、沙、床、岸以及构造等内外应力的 关注程度也就不同。 目前在水利学界，西方国家应用较广泛的河型分类方法是利奥波德( l e o p o l d ) 的方法，把河流分成弯曲、辫状、顺直三类”3 。这一方法虽比较简单，有着一定的 优越性，但同样是辫状河流，我国长江中下游那样具有江心洲的河道，相对来说 一般都比较稳定，而黄河下游则除了支汉很多以外，还具有主流摆动不定，平面 外形多变的特定。这两类河流实质上反映了两类不同的河型。来恩( l a n e ) 和张 海燕所提出的陡坡辫状河流，更多地类似于黄河下游的游荡型河流；而缓坡辫状 河流则有可能接近长江的分汉型河流，至少其中有一部分是如此。而我国一般采 用的是钱宁的方法，把河流分为游荡、弯曲、分汉、顺直四种类型”。( 见表1 1 ) 表1 1 各家所建议的河型分类 河型分类 研究工作者及单位 弯曲 非弯曲 l e o p o l d 弯曲顺直辫状 l a n e 和张海燕弯曲顺直陡坡辫状缓坡辫状 库德阿耶夫自由弯曲非自由弯曲单股分汉 罗辛思基弯曲周期增宽游荡 武汉水利电力学院 蜿蜒 顺直微弯 分汉 游荡 方宗岱弯曲江心洲摆动 钱宁弯曲顺直分汉游荡 第一章绪论 3 如果根据河流流经地区的不同，还可以将河流进一步划分为山区河流、平原 河流和潮汐河流三种基本类型。对于较大的河流，其上游段多为山区河流，下游 段多为平原河流，位于上游段和下游段之间的中游段，则往往兼有山区河流和平 原河流的特性。对于较小的河流，其本身的上游段、中游段和下游段可能均位于 山区，也可能均位于平原地区，分别显现相应的特性。 以往，很多研究者把研究的重点都放在了平原河流，根据形态和演变特性的 分类有的也只是针对平原河流，这主要是由于平原河流所固有的特性所决定的： 一是河流自山区进入平原后，横向的约束不复存在，水流开始向平面扩散，加以 坡降迅速展开，导致水流的速度减低，泥沙大量停积；二是平原河流一般都处于 堆积抬高状态，在河谷中形成深厚的淤积层；三是在加积的过程中，洪流四处横 溢漫流，使广大的平原不断向外海推进。随着海岸线的外移和侵蚀基面的抬高， 又促使上游河道的进一步淤积。四是从防止洪水泛滥危害的角度出发，很多平原 河流的两岸都建有堤防，即使在这种情况下，为了行洪的需要，通常也保留广阔 的河漫滩。五是河床边界组成物质是指流水携带来的、在过去的岁月里沉积下来 的泥沙，由于它们的组成各不相同，使得河流可以形成各种不同的河型，具有不 同的演变性质，使整个平原河流的河床演变较山区河流更为复杂多变、丰富多彩。 虽然与平原河流相比较，山区河流的河道演变较缓慢，但是，在河道外形上， 山区河流同样具有弯曲、游荡、分汉、顺直几种基本类型”1 。 1 3 山区河流的主要特征 山区河流主要分布在我国南方。长江、珠江、黄河、闽江以及澜沧江等水系 都有不少支流和一些干流河段是山区河流。例如长江干流上游段( 宜宾至宜昌河 段，习称“川江”) 是山区河流。其中宜宾至重庆，两岸丘陵绵延起伏，流经川南深 丘地带，属丘陵河段；重庆至宜昌，主要流经重庆山地，大部分属山区河斟羽。山 地的成因众多，形态更呈现千姿百态，地质构造也各地不一，致使流经山地地区 的河流所接纳的水流成份十分复杂。然而，与平原及流经平原等非山地地区的河 流对比，山区河流仍会显示出其特有的某些属性。 1 3 1 地形特征 1 ) 河谷地形特征 山区河流流经地势高峻，地形复杂的山区。河谷的形成一方面与地壳构造运 动密切相关，一方面受水流侵蚀作用的影响。水流在由构造运动所形成的原始地 形上不断侵蚀，这种侵蚀表现为水流对组成河床岩石的动力磨损作用和侵蚀作用。 第一章绪论 4 虽然两者都进行得极为缓慢，但是山区河流的河床就是这样在漫长的历史过程中， 由于水流不断纵向切割和横向拓宽而逐步发展形成的。 峡谷河段和宽谷河段是山区河流的基本河型。峡谷河段谷身狭窄，谷底被水 流切削较深，谷坡陡峻，甚至两岸高山、峭壁挟持，基岩裸露，槽窄水深，洪、 中水位河宽没有多大差异，其势十分险恶。河流穿越较高山脉地段时，多形成峡 谷河段。宽谷河段谷身比较开阔，谷底被水流切削较浅，河床比较宽浅，两岸常 有台地，河中常有边滩、江心洲，洪、中、枯水位河宽有明显差异。若流域地势 比较平缓，多形成宽谷河段。 在陡峻的地形约束下，河床切割甚深，河槽狭窄。中水河床与洪水河床之间 无明显的分界线，对于不存在卵石边滩的河谷，枯水河床和中水河床之间也无明 显的分界线。河床的宽深比一般都远较i 0 0 为小，某些峡谷河段仅为l o 一2 0 左右。 峡谷河段的宽深比多随水深增加而减小，非峡谷河段随水深变化不大。 山区河流由于沿途地形、地质构造以及岩性差异，故峡谷河段和宽谷河段往 往是相间出现的。例如长江三峡，从奉节至宜昌2 0 9 k m ，基本是峡谷河段，川江从 宜宾至重庆3 8 5 k m ，大部分是宽谷河段。3 。 2 ) 河床平面形态特征 岸线不规则。山区河流两岸常有岩嘴、石梁和乱石堆体伸入江中，致使岸 线极不规则，特别是枯水河岸线。 河道狭窄。山区河流河床远比等流量的平原河流河床狭窄，峡谷河段更甚。 例如川江，虽然枯水流量高达3 0 0 0 m 3 s ( 宜昌站) ，但其宽谷河段枯水河宽只有 3 0 0 6 0 0 m ，三峡河段更窄，枯水河宽一般为1 5 0 2 5 0 m ，最窄处只有1 l o m 。3 。 河面突宽突窄，卡口、窄槽、汊浩较多。山区河流由于峡谷河段和宽谷河 段相间出现，两岸常有石嘴或乱石堆体伸入河床，故山区河流河面突宽突窄。在 石嘴或乱石堆体伸入河床的地方，河面往往骤然缩窄，紧接着又突然放宽，形成 所谓卡口河段。山区河流中常有石盘、石梁或群礁林立，甚至巨石突出，当石梁、 石盘等显露时，往往形成汉浩窄槽。 弯急。一是指山区河流有不少急弯河谷，远观其景，确有高山挡道、江到 尽头之感。二是指山区河流由于岸线弯曲，河中常有石梁、石盘等，故有不少枯 水河槽非常曲折。 3 ) 河床纵断面特征 山区河流纵断面形态，是呈上陡下缓、突高突低、起伏不平、逐渐向下游倾 斜的台阶状。纵坡较陡，就一般情况而言，小型山区河流比大型山区河流陡，上 段比下段陡。表1 2 列出了西南地区一些山区河流的纵坡降变化情况”“”。 第一章绪论 表1 2 西南主要山区河流纵坡降变化情况 河名河段纵坡降( ) 三岔河至二郎滩2 1 4 赤水河 - - n 滩至复兴场 0 9 6 ( 川江的支流) 复兴场至河口( 台江) o ，3 4 务基至新市镇 o 8 9 金沙江 新市镇至宜宾 o 4 0 乌江 马洛渡至龚滩 0 7 3 ( 川江的支流) 龚滩至涪陵 0 5 8 长江干线上游段 宜宾至重庆o 2 7 ( 川江) 重庆至宜昌 0 1 8 由于纵向河底起伏不平，致使山区河流滩( 泛指浅水河段) 槽( 泛指深水河 段) 相间，沿流程水深分布极不均匀，深槽水深几米甚至数十米不等，而不少中 小型山区河流浅滩水深往往不足l m 。相对而言，山区河段河底起伏急剧，丘陵河 段则比较平缓。 1 3 2 河床地质特征 山区河流主要是石质河床和卵石河床，也有少量的沙质河床。 1 ) 石质河床 河床质为基岩或者为粗粒径的乱石所组成，均称为石质河床。石质河床可分 为基岩河床、崩岩河床和溪i = l 型石质河床三种类型。其中基岩河床最多，崩岩河 床和溪口型石质河床只出现在局部河段上，但分布仍十分普遍。石质河床没有明 显的冲淤变形现象。引起石质河床形态改变主要是水流长期的下切和侧蚀，但因 石质河床抗冲性能很强，水流下切和侧蚀速度异常缓慢，故石质河床十分稳定。 但是由于滑坡、山崩以及溪沟暴发山洪等外部原因，而引起的局部河段变形却很 急烈、频繁。 2 ) 卵石河床 河床质由卵石和沙砾组成的较厚覆盖层，这种河床称为卵石河床，通常也称 为沙卵石河床。在个别河段，上述覆盖层的表面可能没有沙砾充填物，出现纯卵 石层。所谓卵石是指粒径等于或大于2 0 衄的石子，大者可达0 5 m ，但极为少见， 第一章绪论 6 通常只出现在山麓河段。各条河流卵石粒径有所差异，但大多数在2 0 1 0 0 m , 之 间。卵石型态和乱石不同，卵石经过水流长距离搬运摩擦，表面光滑，没有棱角， 呈现扁形。卵石河床有明显的冲淤变形现象，但卵石粒径大，重量大，故卵石河 床远比沙质河床稳定。 3 ) 沙质河床 山区河流也有少量的沙质河床。某些山区河流，在汇入干流的邻近河段，由 于长期受干流高水位顶托，悬沙大量沉积，形成所谓淤泥河床。 与山区河流峡谷河段和宽谷河段的相间出现相应，山区河流的石质河床和卵 石河床也是相间出现的，但山区河段主要是石质河床，卵石河床只出现在局部河 段上，丘陵河段则相反，主要是卵石河床，局部河段可能出现石质河床。 1 3 3 水文泥沙特性 1 ) 水位、流量特征 山区河流所流经的地区，坡面陡峻，径流模数大，汇流时间较短。洪水暴涨 暴落，是山区河流重要的水文特点。在暴雨集中地区尤为显著，暴雨与山洪往往 同时发生，但一般洪水持续时间不长，降雨过后，河道又恢复原来的低水细流。 流量与水位变幅大，是山区河流又一个重要的水文特点。最大流量与最小流量的 比值可达几百倍。例如，中国长江支流嘉陵江，最大流量3 9 2 0 0 m 3 s ，最小流量 2 2 0 m 3 s ，两者相差近1 8 0 倍。但在集水面积大的山区河流，流量过程线自然调平， 洪枯流量相差较小。山区河流一般河谷狭窄，调蓄能力低，随流量急剧变化，水 位大幅度升降，例如，长江三峡的巫峡段，水位变幅达5 5 6 “。 2 ) 比降特征 与上述河床形态及水文条件相应，在水流的水力条件方面也有一些特点。山 区河流的水面比降一般都是比较大的，绝大多数都在1 o 以上。比降不但大，而且 受河床形态影响，沿程分配极不均匀，绝大部分落差集中于局部河段。例如贵州 的清水河在长约1 0 6 公里内，枯水期的水位落差为8 3 米，其中5 5 4 集中在仅占 全长1 3 的局部河段内。又如湖南沅水，在长3 2 5 公里内，枯水期水位落差的9 0 集中在仅占全长1 5 4 的局部河段内，一些滩险段的纵比降往往在2 0 以上“。 此外，河床上存在的急弯、石梁、卡口等滩险，造成很大的横比降，对航行威胁 很大。同时，这些滩险由于在不同水位下壅水情况不同，比降的因时变化也是十 分突出的。 3 ) 流速特征 第一章绪论 7 比降大、河槽窄，流速势必很大。山区河流流速普遍较急，滩上流速往往在2 3 m s 以上，个别滩更大，例如川江观音滩，最大表面流速高达8 8 m s ”1 。和滩槽 相间相应，流速沿程变化很大，有着明显的不连线性。枯水期，深槽水流平缓， 流速很小，而滩上水流湍急，流速很大；洪水期，深槽流速增大，而大多数滩上 流速相应减小，沿程流速趋向均匀。通常丘陵河段的流速较山区河段小，沿程分 布也较山区河段均匀。 4 ) 泥沙特征 山区河流的泥沙来量主要集中在汛期，含有冲泻质、悬移质和推移质。 山区河流的悬移质含沙量视地区而异。在岩石风化不严重和植被较好的地区， 含沙量较小。相反，在岩石风化严重和植被甚差的地区，不但含沙量大，而且在 山洪暴发时甚至能形成含沙浓度极大并携带大量石块的泥石流。洪水期由于坡面 径流大，侵蚀强烈，所以含沙量大而粒径细，枯水期则相反，含沙量小而粒径粗， 不少山区河流枯水时完全变为清水。山区河流悬移质大都是中细沙和粘土，由于 比降及流速大，一般处于不饱和状态，可全部视为冲泻质。 山区河流的推移质多为卵石及粗沙。卵石推移质一般在洪水大流速时才能起 动输移，其运动形式呈间歇性，平均运动速度很低。曾在川江观测几种不同粒径 和形态的卵石运动情况，在洪水可动期内，一般平均运动速度只有2 8 1 2 6 米 天；在枯水期则很少运动。如前所述，山区河流洪水历时一般很短，因此推移质 输沙量不大。我国一些山区河流的推移质年输沙量约在悬移质年输沙量的1 0 以下 i i 】 山区河流的河床多为原生基岩、乱石或卵石组成。鱼鳞状排列是卵石河床的 常见形式，也有呈松散堆积的。一般在水流强弱适中，持续时间较长，河床发生 冲刷之处，多呈鱼鳞状排列，在水流较弱，河床发生淤积之处，或水流流速急剧 降低时，原来大量推移的卵石迅速停止运动，将来不及分选排列而呈松散堆积。 卵石粒径常有沿程递减趋势。 1 3 4 流态特征 山区河流还存在着各种形式的流态。由于河床形态极不规则，山区河流的流 态十分紊乱，多数不利于航行。常有回流、泡水、旋涡、跌水、水跃、剪刀水、 横流等出现，流象极为险恶。这些流态，多数是山区河流特有的，如何消除或减 轻这些流态对航行的不利影响，是需要专门研究的。 1 3 5 河床演变特征 山区河流由于比降陡，流速大，含沙量不饱和，有利于河床向冲刷变形方面 第一章绪论8 发展，但河床多系基岩或卵石组成，抗冲性能强，冲刷受到抑制。因此，尽管山 区河道从长时期来看是不断下切展宽的，但从短时段来看这种变形却是十分缓慢 的，甚至可以认为是基本不变的。只是在某些河段，由于特殊的边界、水流条件， 可能发生大幅度的暂时性的淤积和冲刷。例如峡口潍，汛期受峡谷壅水影响，大 量沙卵石落淤，枯季壅水消失，落淤的沙卵石被水流冲走，局部地区的冲淤幅度 相当可观，如长江瞿塘峡口的臭盐碛，便达二、三十米之巨“。 山区河道演变的另一个特点是：易于遭受突然而强烈的外界因素影响，而产 生河床的显著变形。例如地震，山崩、大滑坡等，能在极短时间内将河道堵塞， 在其上下游形成壅水和跌水，剧烈地改变水流河床状况。又如山洪暴发时，从支 流溪沟倾泻而下的泥石流，挟带大量巨石，堆积溪口，形成冲积扇，侵占河身， 甚至全部堵塞河槽，引起水流河床的一系列变化。 1 4 弯曲型河流基本特性及研究现状 弯曲型河流不但具有迂迪曲拆的外形，而且还具有蜿蜒蠕动的动态特征，所 以弯曲型河流也有称为蜿蜒型河流的。这类河流在世界上分布很广：黄河流域的 渭河下游，长江流域的汉江下游以及向有“九曲回肠”之称的长江下荆江河段等 都是平原河流中有名的弯曲型河段。由于山区河流的河床多系基岩或卵石组成， 抗冲性能强，其中大多数河段是比较顺直的，但在地壳构造运动和水流侵蚀作用 的影响下，同时也形成了一些弯曲河段，比较著名的有长江上游叙泸段的吊鱼嘴 和泸渝段的城背嘴，澜沧江小橄榄坝滩。 弯道的水流运动与河床变形是河流动力学研究的主要问题之一。弯道水流特 性必决定弯道泥沙运动和河床演变的基本规律。当水流从直段进入弯段后，由于 水流做曲线运动后产生离心力，使凹岸水面高于凸岸水面，形成横比降下的环流， 它与河道的纵向水流汇合成为螺旋流，是一种复杂的三维紊流，螺旋流的存在引 起水流的循环和泥沙的横向搬运作用，它们对于弯曲型河段的造床过程起着十分 重要的作用。研究弯道水流运动规律与研究河床演变、河道整治、河岸防护等许 多问题有着极其密切的关系。 多年来，国内外学者根据不同的研究目的，采用不同的研究方法，对弯曲河 段水流泥沙运动特性及演变规律做了大量的研究分析工作，说明其具有重要的理 论意义和实用价值，同时也说明这种三维流体运动的难度和复杂性。 1 4 1 河湾的形态和基本概念 河湾是天然河流中最普遍、最典型的大地貌形态。典型的河湾形态如图1 1 所示。图中弯道凹入的一岸称为凹岸，凸出的一岸称为凸岸。河宽用曰表示。中 第一章绪论9 心线的曲率半径称为弯曲半径，常用足表示，其倒数称为曲率，曲率最大的地方 称为弯顶。某一弯段进出口问包围的圆心角称为中心角，用口表示。与两反向弯段 连接的直线段称为过渡段。包含两个弯段和过渡段的相应点之间的直线距离称为 弯距。相邻两反向弯顶间的横向距离称为摆幅。沿河槽长度与沿河谷长度之比值 称为曲折率。弯项水深最大处称为深槽，过渡断水深最小处称为浅滩。弯顶断面 凹岸最深处称为深泓，凸岸沙滩称为边滩或河漫滩。在弯道中，沿流程各断面最 大纵向垂线平均流速处的连线，称为水流动力轴线，亦称主流线。主流线与弯道 中心线是不一致的。一般在天然河湾中，在弯道进口段或在弯道上游的过渡段， 主线常贴近凸岸；水流入弯后，主流线则逐渐偏离凸岸。主流线与凹岸岸线距离 最短的位置称为“项冲点”。 图11 弯道基本形态 1 4 2 弯道水流的特性及研究现状 1 ) 弯道水流的特性 弯道水流的动力特性，决定着泥沙运动的性质，从而决定了弯曲河流的演变 特性。 弯道水流不同于直线水流，主要在于水流作曲线运动时，要求有定的向心 力，这样凹岸水面升高，凸岸水面降低，形成水面横比降。由于水面横比降的影 响，水面纵比降沿横向的分布是不均匀的，一般情况下，在弯顶部位，水面纵比 降达到最大值，弯顶以上的水面纵比降则小于弯顶以下。这种现象在凹、凸岸均 第一章绪论 1 0 存在，而以凹岸更为明显。在弯顶以上凸岸纵比降大于凹岸，而弯顶以下，则正 好相反。在弯道进口凹岸一侧，水面甚至出现纵向负比降。 水流动力轴线反映了水流最大动量所在位置，对河床演变有重大影响。在某 些河流上，这条线在洪水期往往呈现浪花翻滚、水流湍急的情况。弯道的水流动 力轴线，在弯道进口段或者在弯道上游的过渡段，常偏靠凸岸；进入弯道以后， 即逐渐向凹岸转移，至弯顶稍上部位才偏靠凹岸。自“顶冲点”向下相当长的距 离内，主流贴近凹岸，如无特殊原因可一直延续到弯道出口以上不远处。弯道水 流动力轴线的另一个特点是“低水傍岸”、“高水居中”。在枯水期水流动量小，主 流曲率较大，主流靠近凹岸。洪水期水流动量大，惯性作用强，主流线曲率较小， 离开凹岸，趋向河中流动。与此相应顶冲点位置也不同，低水时期靠近弯顶附近 或弯顶上部，高水期一般在弯顶以下。这就是水流对凹岸顶冲点的位置随着水流 动力轴线的变化出现叫“低水上提”、“高水下挫”的现象。在不同的弯道上，水 流动力轴线也是不相同的，主要的影响因素是：上游水流动力轴线的位置和方向、 河床平面形态、比降、水深及糙率等沿横向的分布。 水面横比降所造成的压力差，沿水深是均匀分布的，方向是指向弯道凸岸的。 由于水流的纵向流速从水面向河底逐渐减小，因而不同水层的水体在作曲线运动 时，所要求的向心力的大小是不一样的，由此而造成底层水流向凸岸、表层水流 向凹岸的横向环流，它与纵向水流结合在一起便构成弯道中的螺旋流。螺旋流的 存在引起水流的循环和泥沙的横向搬运作用，它们对于弯曲型河段的造床过程起 着十分重要的作用。 水流结构的凋整引起了弯道水流流速沿纵向、河宽和水深三方向分布的变化。 流速沿水深重分布表现为：面流与底流方向一致，横向环流增强水平流层间动量 变换引起流速沿水深分布均匀化。流速沿纵向和河宽方向重分布表现为：横向环 流促使最大流速出现位置由凸岸向凹岸转移，弯道进口凹岸流速小于凸岸，弯道 内或出口凹岸流速大于凸岸。 此外，弯道水流在进口凹岸和出口凸岸均可能出现水面负比降，依据流体动 力学，水面负比降( 压力沿程增加) 是流速脱离边壁产生水流分离流动的必要条 件，因此，上述两处可能出现弯道分离流，相对而言，出口凸岸更易出现分离流。 2 ) 研究现状 研究者对弯道水流运动特性的研究， 认识，后来的研究集中在弯道水面高程、 化情况。 早期主要集中在对弯道水流形态的观测 横向环流、弯道流速分布等沿流向的变 1 8 7 6 年，t h o m p s o n 通过试验首次发现了弯道螺旋流，并对弯道环流的形成等 第一章绪论 给出了正确的物理描述和机理解释，之后，弯道水流作为专题研究一直受到研究 人员的关注。 1 9 3 6 年。y a m e l l 和w o o d w a r d 对弯道水流做了大量的试验，研究了纵向流速 分布和水面形状，揭示出弯道进口条件对水流的影响的重要性”1 。1 9 4 6 年，前苏 联科学家h b 鲍戈柳鲍娃和o b 马卡里诺娃在天然河流上观测到了弯道中央的断 面上具有很明显的单向环流。1 9 6 2 年，a t i p p e n 和p a d r i n k e r 在室内水槽试 验中研究了弯道水面线是如何和上下游的水面线衔接的，结果表明，在弯道进口 处横向比降的取得主要是通过凸岸水面降低来实现的，在弯道出口，除凸岸水位 有所回升以外，凹岸水位也有较大幅度的降低，横向比降的沿程分布是比较均匀 的。他们还发现在弯道进口段和出口段的凸岸，水面升高，甚至出现负比降，容 易出现分离现象，且分离区的大小取决于尺，口的值“。y e n 于1 9 6 5 年通过试验， 研究了弯曲河道水面超高、螺旋运动的生长与消失，他认为佛汝德数、宽深比对 次生流有重要影响“。1 9 7 6 年，j s b r i d g e 和j j a r v i s 在南埃斯克河对水面线 的实测结果表明在各级水位下，最大比降出现的位置，是与由于横向环流的发生， 使最大流速区由凸岸移向凹岸，从而产生的局部加速区有关“”。1 9 7 8 年， r ，a c a l l a n d e r 对定床矩形断面三个连续河湾中横向环流的观测表明，弯道横向环 流的发展与断面形态( 以b h 为指标) 、纵向位置( 在连续河湾中的位置和在每个 河湾中的不同位置) 有关“”。同年，e j h i c k i n 报道了在加拿大斯夸米什河的环 流测验结果和环流强度的沿程变化，他指出长而直的过渡段，可使环流完全消失， 不存在环流叠置现象，急弯产生的强烈环流可能使下游较平缓的河湾的环流不发 育，同时由环流的沿程分布可以看出，河湾的曲率沿程减小，环流强度也沿程变 弱。此外，通过对斯夸米什河凹岸水流分离现象的观测，他认为，在较急的河湾 才出现凹岸的水流分离，为的是减缓河湾发展、调整流路曲率，这是河流自动调 整作用得一种表现方式n ”。 1 9 8 9 年，刘焕芳对弯道水流的分离问题进行了分析研究，根据弯道纵向垂线 平均流速分布公式，利用进口断面凹岸流速为零和出口断面凸岸流速为零的条件， 建立了判别弯道水流在凹岸和凸岸是否分离的条件关系式，并分析了各种影响因 素对弯道水流分离的影响“。张红武于1 9 9 3 年针对r o z o v s k i i 所建立的二维弯道 水流模型的不足，从运动方程出发，根据混合长度理论导出了横向流速的垂线分 布公式及近底水流方向和水面横坡“。1 9 9 7 年，周华君对山区河流折角急弯段的 基本特征进行了研究，根据能量和动量守恒原理，导出了计算上游水位壅高和下 游回流区最大宽度的理论关系式，并用室内实验结果进行了验证，研究表明，水 位壅高和最大回流宽度取决于弗汝德数和折弯角，还提出了计算水位壅高和最大 回流区宽度的显式关系式。2 0 0 0 年，田嘉宁在矩形断面渠槽的圆弧形急流弯道 第一章绪论 1 2 中，研究了急流弯道的水力特性，揭示了急流弯道中佛汝德数矸和相对弯道中心 半径足，口对弯道水流的影响，提出了防止弯道出现干底现象的界限，并给出了波 角厉的经验公式。“。2 0 0 3 年，刘月琴对水力光滑壁面的弯道水流紊动特性进行了 系统的试验研究，较为全面地测量了弯道水流的三维时均流速和脉动强度，同时 对弯道水流纵向、横向及垂向的素动强度分布特点进行了比较，指出近壁处弯道 纵、横向相对紊动强度沿垂向的变化率较大，而垂向相对紊动强度始终小于纵、 横向相对紊动强度，其值约为前者的一半。“。 1 4 3 弯道泥沙运动特性及研究现状 1 ) 弯道泥沙运动特性 弯道水流运动的主要特点螺旋流，对于泥沙运动，无论是悬移质，还是 推移质，以及对成型淤积体，都会产生显著影响。 水流进入弯道以后，在弯道上游原来位于同一条垂线、不同高程上的水体， 因受环流的影响，将各取不同的运动轨迹。对悬移质而言，泥沙在垂线上的分布 是不均匀的，愈近底层，含沙量愈大，泥沙相对愈粗，愈近水面，含沙量愈小， 泥沙相对愈细。因此，不同高程上的流线在平面上展开的结果，将使含沙量高的 水体和较粗的泥沙集中靠近凸岸，凹岸的水相对较清，泥沙要细一些，含沙量在 垂线上的分布也要均匀一些。 弯道上推移质的横向输移有同岸输移和异岸输移两种方式。泥沙由弯道凹岸 输移到下游弯道同一岸的，是同岸输移；输移到本河湾的凸岸和下游弯道另一岸 的，是异岸输移。推移质在断面上的分布并不遍及整个河宽，而是往往集中成带， 有时并成为两个输移带。 2 ) 研究现状 弯曲河段因受弯道水流运动特性的影响而使泥沙的运动表现出特有的规律， 研究者重点是放在推移质和悬移质的横向输移、泥沙起动流速、推移质输沙带等 方面。 h o o k e 于1 9 7 5 年对弯道输沙和剪切力分布进行了试验，他根据弯道试验中剪 切力的分布情况与泥沙运动情况，认为虽然横向环流对弯道剪切力的分布有一定 影响，并使得冲刷能力较强的表层水流沿凹岸折向河底，但对于凸岸边滩的形成 起决定作用的不是横向环流，而是泥沙运动的横向和纵向分布”。1 9 8 2 年，l e o p o l d 根据在科罗拉多河等河道上所进行的观测，指出推移质运动的主要区域在弯道位 于凸岸边滩一侧。r a k o c z i 在多瑙河支流拉巴河的弯段对卵石推移质进行了测 量，发现单宽推移质输沙率沿断面的分布很不均匀，靠近两岸几乎没有推移质， 第一章绪论 1 3 在中间部分有两个峰，较大的峰偏于凸岸。t h o r n e 和r a i s 于1 9 8 3 年对福尔河 的量测河段观测了推移质和床面形态，说明床面形态，如沙纹、沙垄等受弯道螺 旋流的影响沿程发生变化。1 9 8 4 年，p a r k e r 在k i k k a w a 等提出的计算推移质输 沙率方法的基础上，提出了关于推移质横向输移的通用方程，这一方程考虑床面 横比降，还包括环流的影响。说明在横向力的平衡情况下，横向推移质输沙率为 零。 张瑞瑾和谢葆玲于1 9 8 0 年在单个弯道水槽和由三个弯段、两个过渡段组成的 定床模型试验中得出，推移质同岸输移的规模一般超过异岸输移的规模，而后者 随流量的增加而减少1 。1 9 9 6 年，王平义、李晓玲通过理论分析与试验研究，给 出了弯曲河道床面形态高度和波长的计算表达式1 。1 9 9 7 年，曾庆华总结了一系 列的定床和动床试验研究的结果，获得了典型弯道的水流和泥沙运动特性。他认 为，无论在矩形断面弯槽中，还是在变形河床弯道中，底流运动的轨迹和底沙运 动的轨迹都是不重合的，主要原因是由于运动着的固体和液体质点的离心力不一 样，是因两者的容重和纵向流速的不同所引起的1 。 1 4 4 河湾演变规律及研究现状 1 ) 河湾演变规律 河床地貌的形成和演变过程，是挟沙水流与河床相互作用的过程，在水流与 河床这一对基本矛盾的共同作用下，河湾的演变主要是河道的冲淤变形和河湾平 面形态的改变。 弯曲型河道的外形与河流两岸土质组成密切相关。易冲刷土质的河段弯道可 自由发展成蜿蜒形，如中国长江的下荆江河段就是典型的蜿蜒型河段；在抗冲性 较强的地区多形成弯曲半径较大的缓弯；如受局部边界条件限制，弯道可形成锐 弯。 弯曲型河道的成因有多种解释，通常以河床与河岸的相对可动性来说明，认 为在河岸冲刷速度大于边滩下移速度，且河漫滩有足够宽度的条件下，才会形成 弯曲型河道。河流基本上处于纵向输沙平衡状态，河床不发生急剧的冲淤变化， 有利于维持弯道的存在；年内流量变幅小，有利于顶冲点的稳定；洪水时水流挟 带的细颗粒泥沙有利于边滩的淤高等，也是形成弯曲型河道的有利条件。 弯道环流是弯曲型河道的重要水流特征之一。表层含沙量较小的水流在弯道 环流作用下不断流向凹岸，而底层含沙量大的水流不断流向凸岸，形成横向输沙 不平衡。再加上纵向水流对凹岸的顶冲作用，使凹岸冲刷，冲刷下来的泥沙又被 底部横向水流带向凸岸，从而形成凹岸不断崩退，凸岸边滩不断淤长延伸的演变 特征。 第一章绪论 1 4 由于弯曲型河道一般都处于输沙平衡状态，凸岸淤积主要来自凹岸冲刷，凸 岸淤长和凹岸崩退在数量上接近相等，因此，弯道在变形过程中，能维持河床的 宽深比基本不变。 弯曲型河道在凹岸崩退和凸岸淤长的过程中，河床的平面变形并不是均匀分 布的。由于主流经常靠近弯道凹岸下半部，此处环流强度较大，崩岸严重，结果 使得弯曲半径在土质易冲地区，随着弯道发展，河道愈来愈弯曲，最后可能形成 很长的河环，由于弯道的起点和终点的直线距离很短，洪水漫滩时，产生很大的 比降，容易在弯颈处冲开并扩大为新河，而老河则逐渐淤断成牛轭湖，这就是自 然裁弯。必要时也可进行人工裁弯。 若土质不均匀，使弯道发展受到限制时，会形成曲率较大的锐弯，水流不畅， 将可能发生凹岸撇弯和凸岸切滩现象。曲率适当的弯曲型河道冲淤变化小，河形 规则，水流平顺，滩槽水深相差不大，在河道整治中常常以此作为标准。过度弯 曲时，崩岸强度大，而且泄水不畅，增加洪水灾害，对航运和取水工程也不利， 这时就需要进行整治。 2 ) 研究现状 河湾演变规律的内容主要包括河道的冲淤变形、河湾平面形态等方面的演变 规律。 早在1 9 0 8 年，0 f a r g u e 根据在法国加隆河上的长期观察结果，总结出河湾的 五条基本定律：第一，河湾的溪线迫近凹岸，在凸岸则泥沙淤积形成边滩；第二， 凹岸深槽的水深和凸岸边滩的宽度，均随河湾曲率半径的减小而加大；第三，深 槽水深和边滩宽度最大的地方，与弯道曲度最大处( 河湾湾顶) 并不相重，而是位 于后者的下游，在两个弯道之间过渡段浅滩最高点与河湾转折点之间，相应地也 有一个距离上的位差；第四，河槽的稳定性与平面外形的圆滑性，因曲度的渐次 改变程度而异，曲率半径的突变会带来扰动，造成河槽形态上的不规则性，产生 深潭与沙洲，这些深槽或沙洲虽经回填或疏浚，日久以后仍会再次出现；第五， 上述规律仅适用于河湾长度与河宽的比值比较适中的情况。“。 在理论分析方面，对弯曲河流的研究主要集中在其平面形态特征上。天然河 流由于边界组成物质的沿程变化，河岸的抗冲性的千差万别，使得弯曲型河流的 平面形态虽有周期性振荡运动的基本特点，但又因边界的影响而具有一定的随机 性。1 9 7 6 年，f e r g u s o n 根据这一特点提出了弯曲河流平面形态的扰动的周期模式， 他在弯曲型河流周期性无阻尼振荡方程式的基础上，叠加以局部边界的影响，得 出了这种模式的数学表达式啪1 。1 9 8 3 年，p a r k e r 等根据e n g e l u n d 对弯道水流的 动平衡解和弯道凹岸侵蚀的运动方程，对弯道发展的稳定性进行了分析，并求得 第一章绪论 1 5 了河湾外形在蠕动中保持不变时的解1 。1 9 8 7 年，钱宁分析了河湾形态特征与流 域因素、边界条件之间的关系，得出只要河流发育形成弯曲性河流，它们之间在 平面外形上能够保持严格相似，与河流的大小、河床组成物