7.2 试验河流的一般发育过程
与天然河道相比,试验小河的发育速度快了许多,从初始河槽到最终河道形态的完成只需数十小时,快的只要几小时。由于塑料沙的比重较小,塑料沙组成的河道变化更加迅速和剧烈。河道塑造的时间显著缩短,试验周期也大为简缩。通常试验开始几分钟内,河道就开始弯曲;随着时间的推移,全河道的弯曲河道逐渐形成,河道形态发生剧烈的变化,弯曲和裁弯、歧弯的发展同时进行,河道在弯顶处横向展宽;随着蜿蜒的快速发展,不断地冲刷边滩和裁弯取直,河道下游开始展现典型的游荡特性,并随着时间的推移,游荡特性逐渐向上游发展;1~3小时后,最终的游荡河型大体形成。图7-1为试验A3-1-1的河道发展历程,图中可见,随着时间的推移,河道从初始的顺直到弯曲最后游荡的变化过程。
7.2.1 河床展宽速率
随着试验的进行,在相同的初始顺直河槽和相同的来流量下,由于河床组成的不同,河床展宽的速率不同。图7-2是不同河床组成河流在比降为0.0001、流量为0.15 m3/h时的河槽展宽情况,由图可见,随着组成河床的塑料沙比重的增加,河槽展宽的速度变小,趋于平衡的时间也变短。
图7-1 试验A3-1-1河道发展历程
图7-2 不同河床组成河流河槽展宽率比较
此外,河床的展宽速率还与代表水流能量的流量、比降有关。当流量较大、比降较陡时,河床展宽速率较大;当流量较小、比降较平时,河床展宽速率较小。
7.2.2 河流的弯曲趋势
试验表明,不同试验条件的河流,在自然发育过程中,均有弯曲的趋势。试验开始为顺直的河槽,经历一段时间后,水流均有不同程度的弯曲现象,河岸也变得犬牙交错、凹凸不平。
几乎是水流流过整个河槽的同时,最轻的A组沙组成的河道就开始弯曲,B组沙组成的河道弯曲出现稍慢一些,通常在5分钟左右河槽就会出现连续的弯道,而C组沙组成的河道通常要在15分钟左右才能出现弯曲,对比以往的天然沙和煤粉(连续弯道至少在1小时之后才能出现),河床变形迅速得多。图7-3为比降为1‰、流量为0.3m3/h时,不同模型沙河槽30分钟的岸线变化。由图可见,随着粒径、比重的减小,河床河岸稳定性减弱,河岸线有变得更凹凸不平的趋势。
图7-3 不同河床组成模型小河30分钟的岸线变化
图7-4 模型沙E河槽最终岸线形态
仅当河床组成为较均匀的最粗沙E时,由于水流能量的限制,水流几乎无法起动泥沙、重新塑造河岸,河槽岸线在较长时间仍保持顺直。图7-4为不同比降下模型沙E组成的河槽最终岸线图。由图可见,河槽除试验开始阶段有平行展宽外,河道变化基本顺直,比降变化对河岸形态影响极小。这主要是由稳定性过强的河床河岸决定的。
试验河流发育的弯曲趋势与天然河流是一致的,天然河流中,几乎找不到超过10倍河宽长的直河道。河道水流的弯曲趋势,最早有学者认为是科氏力的影响,如北极附近的几条河流,河口处的弯曲是非常剧烈的[3];Yang[4]以赤道附近的河道进行了反驳:赤道附近的河道科氏力非常小,但也难以找到近乎顺直的河流。
统计多条试验小河的左右岸岸线展宽率对比(图7-5),可以看出:在多数河流中,右岸展宽率大于左岸;少数区别较小,甚至存在左岸大于右岸的组次。试验结果表明:在河流弯曲的过程中,科氏力的作用确实存在;但紊流流态的紊乱,也是导致河流岸线凹凸不平的重要原因。
图7-5 试验河流左右岸岸线展宽率对比
7.2.3 河床形态变化
伴随水流弯曲、河岸不均匀展宽的,是河床形态的变化。随着试验的进行,河床的不同形态逐渐出现,包括小规模的沙波、沙纹,大规模的沙垄,以及水流冲刷下切形成的边滩、浅滩等。(www.xing528.com)
7.2.3.1 沙波、沙纹、沙垄
试验过程中,可明显地看出沙波的形成与河床组成、比降和流量三个基本条件都有关系。当河床组成泥沙粒径过大(D3),改变流量和比降,河槽底部都很平坦,没有沙波。而粒径过小时(D2),每一个流量和比降的河槽都产生沙波。泥沙粒径为中等(D1),流量为满槽流量(1.5 m3/h)时,每一组比降都使河槽产生沙波;流量为0.75 m3/h时,比降大于0.6‰,河槽平坦;小于0.3‰,产生沙波。图7-6为规则的舌状沙波。
图7-6 规则的舌状沙波
当河床组成为比重较小的模型沙时,在试验范围内,难以看到成规模的沙波、沙纹形成,除与水流条件有关之外,较小的水下休止角也是一个重要原因。
试验河流的沙波、沙纹、沙垄除与天然河流相似的形态、形成特征之外,还有其自身的特点。首先因试验河流较小,而沙波等的形态相对较大,当河槽初步形成之后,沙波的推移便成了河床变化的一个主要形式,体积上甚至可与边滩相比;随着河流的展宽,水流的摆动,沙波又不断得到冲刷切割,最终的河槽中的沙波往往是很不规则的(图7-7)。
沙波、沙纹、沙垄等成型淤积体的形成,是河槽对水流条件的反馈。成型淤积体形成之后,床面阻力增加,水流造床作用减弱,河道逐渐趋于稳定。
7.2.3.2 边滩、浅滩
随着河流发育的继续,出露水面的边滩和不出露的浅滩逐渐出现,边滩与浅滩的出现、存在、消亡,直接影响了河流的最终河型。
河床组成不同,试验河道出现弯曲的时间有较大的差别。连续弯道形成之后,接下来就是典型的凹冲凸淤,河道进一步展宽。与此同时,由于边滩的稳定性较差,弯道水流很容易切割边滩,实现裁弯取直,并导致上下一系列弯道的变化。河道在弯曲、裁弯、再弯曲的循环中不断展宽,当下游逐渐形成宽浅的河床,逐渐阻碍了典型弯道的进一步形成,河道从此展现游荡河流的特性。整个弯曲河道持续的时间与河床组成以及河谷比降有关。A组沙弯曲型河道持续时间不过10分钟左右,而C组沙河道则可持续一个小时甚至更长。
图7-7 切割后不规则的沙波与边滩形态
当流量为0.3时,A组沙弯道的弯顶冲刷使得河道横向发展迅速,经常扩展到水槽的边缘。图7-8为试验A1-2-120分钟的河道形态。
图7-8 试验A1-2-1河道形态(20分钟)
多次水槽试验结果表明:游荡型河流和弯曲型河流的发展最初过程一致,均有一个弯道—边滩的形成过程。当边滩抗冲性较强、能够稳定存在时,河流呈现弯曲型;当边滩不断经历形成—切割—消亡—形成的循环时,经历一段时间后,河流最终为多汊游荡型。
前人的河型试验的关键也在于稳定边滩的能否形成。唐日长[5]在试验中通过植草等手段人为护住边滩最终获得弯曲河流,这种曲流是否是河流的自由发育的结果是值得商榷的。尹学良[6]、Schumm[7]等采用在水流中加入黏土、Smith[8]干脆采用黏性极强的高岭土、玉米粉等的混合物,也是为了加固边滩,从而得到稳定的曲流。
除适当的来沙条件有利于边滩的稳定外,有利的物质组成、边滩自身较河床更强的抗冲性也是边滩稳定的一个重要原因。试验中,当河床组成分选度较差、泥沙不均匀时,边滩较稳定;当河床组成为匀质沙时,边滩较不稳定。这是因为河床组成泥沙不均匀时,边滩组成物质可逐渐粗化,从而稳定性增大。图7-9为粗化率(边滩河槽床沙d 50之比)与边滩存在时间的关系。由图可见,边滩组成较河床越粗,稳定性越强。
图7-9 边滩d 50与存在时间的关系
边滩发育与河床形态发育的密切联系,后文我们将结合具体类型进一步分析。
免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。