7.4 入流角存在时的河型过程与结果
河道水流是非恒定、非均匀的，因此河道水流与河槽之间必然存在着不相适应和适应的变化。而河道入流主流向与河槽主轴线（其夹角即为入流角）也在不重合和重合之间变化。修建水利工程后下游河流的再造床过程中，水流条件甚至来水过程的改变都有可能引起入流角的变化。
冲积河流的弯道很少单个河湾地存在，而往往呈现一个连一个的系列弯道形式，互相作用，互相影响，如Prus-Chcinski［12］认为：“一个河湾的存在不仅决定于该河湾的河道及水流特征，而且也决定于上下一系列的河湾，包括进口条件和过去的水流状况。”
本节我们在分析河流再造床入流角变化的基础上，通过水槽试验研究入流角存在时河型的过程和结果。
7.4.1 天然河流下的水流摆动
入流角在天然河流产生的原因很多，最常见的就是特征流量的改变。天然水流都有弯曲的趋势，不仅有科氏力的影响，水动力条件本身的作用也是原因之一。水流的弯曲引起了两个弯曲形态：水流（水动力轴线）弯曲形态和河道弯曲形态（图7-13）。
图7-13 弯道基本要素
对于水流弯曲形态，张笃敬［13］运用上下荆江各河湾实测资料，经过相关分析，得到荆江河湾主流线弯曲半径的经验关系式：
对于河道弯曲形态，欧阳履泰［14］在一般的力学原理基础上认为河曲的发育和稳定与运动水体的切向惯性力F→＝ρQV→cosθ有关。并根据水流阻力曼宁公式及连续运动原理，认为曲率半径R由反映水流动量的流量Q和比降J决定。并结合部分弯曲河段的实测资料，得出了曲率半径R与流量、比降的经验关系：
我们［15］更在前人表述的基础上，提出了最佳弯道形态概念，认为一定的水流、河床条件对应一种确定的弯道形态，明确了最佳弯道形态的概念：在自然条件下，弯道是不断发展的，河床形态也在经常变化，但是在河湾的发展过程中，具有某种形态的河湾却有相对的稳定性，它和其他形态的河湾比起来具有更多的出现机会，出现以后维持的时间也较长。这种河湾不仅变化小，河床形态也比较规则，水流平顺，滩槽水位差比较小。这种弯道形态在河道整治中常常被人们用来作为整治的典范，我们称之为河道最佳弯道形态。
从宏观、地貌角度看，天然平衡河道的河道弯曲形态与特征水流弯曲形态是一致的、协调的，即河道处于最佳弯道形态，处于较长时间的相对稳定中。水库兴建后的河流再造床过程中，来水过程调平、河道比降调平、河床组成粗化，引起特征水流改变的同时引起了河道条件的变化，打破了水流弯曲形态和河道弯曲形态的协调，引起了河道最佳弯道形态的变化的同时，出现了入流角的变化。水库下游河流再造床过程中最佳弯道形态的重新获得，往往伴随着剧烈的撇弯切滩现象甚至河型转化［16］。
从微观和工程的角度看，天然径流是变化的、不均衡的，洪枯水期的流量变化往往在十倍甚至百倍之多，河道弯道形态的变化远远滞后于水流弯道的变化，此时河道平衡被打破，入流角产生。影响航道条件的航槽年内摆动现象，与这种河道的自调整过程是有很大关联的。
除径流条件的改变外，上下游河道的变化如河道整治工程、天然、人工裁弯等也将引起入流角的变化和河道的重新调整。研究不同入流角下河型尤其是曲流的过程与结果，是兼具理论意义和工程价值的。
7.4.2 试验现象及机理分析
试验中我们在河道入口处设置挑流板而获得不同的入流角。试验为清水试验，自由造床。
7.4.2.1 不同入流角曲流形成过程
试验资料表明：
（1）如果入流角为0，即河道入流主流向与河槽主轴线重合，一般不会形成带有明显曲流特征的河槽。如B71测次中，入流角为0，虽然河床塑造时间为100小时，但直到试验结束时，河槽边线比较顺直，没有边滩出现，水流散乱，没有形成明显的主槽，也没有形成具有明显曲流特征的河槽。
（2）当入流角大于0时，即河道入流主流向与河槽主轴线有夹角时，在河床组成、比降和流量比较有利的条件下，可以形成具有明显曲流特征的河槽。如果河床组成、比降、流量条件改变，则将形成曲流特征显著程度不同的河槽，甚至不能形成带有曲流特征的河槽。
在试验组次范围内，当入流角为30度、流量为0.75 m3／h、河床由d50＝0.095mm的颗粒组成时，变化不同的比降，经过200余小时的塑造，都形成了具有明显边滩、河道主流弯曲的曲流。其中以比降为0.1%的B8-2测次形成的河槽的曲流特征最明显（见图7-14）。
图7-14 不同比降水流塑造河槽平面图
B7-2和B7-3测次采用了粒径较粗的试验沙，虽然流量和比降较大，入流角最大达到45度，但除了入口段水流顶冲处形成三角形冲击面外，其下游河道基本保持了顺直，河岸变幅小，无边滩出现。
（3）相同入流角条件下，不同比降、不同河床组成最终形成的河槽曲流的显著程度不同。(www.xing528.com)
B8-1到B8-4四个测次的入流角、流量、河床组成相同，比降从0.3‰到2‰，其形成河槽的曲流特征也不相同。图7-15给出了B8-2和B8-3两个测次深泓线的沿程变化。图中反映出B8-2测次的深泓线摆动范围大于B8-3测次。表7-2给出了B8-1到B8-4测次最终形成相对稳定的曲流后最小宽深比的大小。
图7-15 深泓线位置
表7-2 不同比降形成曲流的代表断面（5＃）的宽深比
7.4.2.2 入流角对曲流形成过程的作用机理
水流从塑造的初始河槽经导流板调整进入河槽后，由于入流角大于0，因此水流不再沿河槽的轴向流动，而是斜向顶冲初始河槽的边岸，水流河岸受到水流的顶冲冲刷后开始崩塌；另一方面，水流由于河岸的挑流作用折返冲向下游对岸。这样，一方面水流是从上游向下游流动，同时又有横向的折冲往返，便形成了环流。
河槽边岸因冲刷而崩塌下来的泥沙一部分直接被水流携带，以悬移质的方式输移；一部分泥沙随水流做推移质运动，最主要的是，由于环流的存在，必然产生横向的输沙，即弯道处底部泥沙从凹岸向凸岸运动，因此河槽边岸坍塌的部位不能形成稳定的坡角，继续崩塌后退，使水流更加弯曲。
由于边岸的挑流作用，水流来回摆动，螺旋前进，被顶冲部位不断后退，主流逐渐呈弯曲状态，初始河槽也逐渐变得较宽，主流在河槽中不断调整，逐渐形成新的主河槽和基本不过水甚至出露水面的边滩（洲）。
试验中曲流的发育是自上而下的。虽然流量、比降保持不变，由于泥沙的输移，河槽边岸不断崩退，导致下游河岸迎流顶冲的位置也不断发生相应的变化。当上游的主流位置变化时，下游的滩槽位置也将发生改变。随着上游主流、滩槽关系的固定，下游的主流、滩槽关系也慢慢调整，逐渐稳定。河流最终形成一稳定“S”形主河槽。如B8-2测次，试验开始之后，模型河流上下游都发生变化；随着试验的进行，上游河段渐渐趋于稳定，但下游河段仍在不断变化中：试验进行到90小时，下游主流还是靠近右岸，左边靠岸位置有较大面积的边滩（见图7-16）；90小时以后，下游主流逐渐向左岸发展并最终靠向左岸，边滩被切割并逐渐与右岸连为一体。整个河段主流最终在约120小时时形成一“S”型主河槽。“S”型主河槽基本形成之后，整个试验河流的形态，包括主流、边滩、深泓的相对位置均较稳定，在此后约80小时的试验中，不再发生改变。
图7-16 B8-2测次最终断面地形图
7.4.2.3 其他因素对曲流形成影响的分析
在试验组次范围内，除B71测次外，其他测次的入流角均大于0，最终形成的稳定河槽也具有不同程度的曲流特征，正如前面分析的，即使是入流角完全相同的B8-1到B 8-4测次，所形成的稳定河槽的曲流特征也是不同的，这说明河床组成、比降等因素对曲流的形成也起着非常重要的作用。
（1）河床组成的影响
决定河道演变的三个主要因素即上游来水来沙条件、下游侵蚀基准面和本河段河床边界条件中，河床边界条件就包括河床组成。河床组成决定河床、河岸的稳定性。由于我们使用的试验沙为无黏性沙，所以河床河岸的稳定采用下面的稳定系数表达：
式中d为组成河床泥沙的粒径，J为河道比降。
如果河道的比降相等，那么组成粗的河床的稳定性比组成细的河床的稳定性好。在相同的水流条件下，稳定性好的河床参与运动的泥沙颗粒少，而稳定性低的河床参与运动的泥沙颗粒多，这样，前者弯道环流作用下凹岸崩退、凸岸淤长较后者要弱得多，甚至不能向弯曲方向发展。
B7-2、B7-3测次中，河床由d＝0.42mm的粗颗粒组成，其河床稳定性是由d＝0.095mm颗粒组成的河床的稳定性的约5倍。试验中河槽入口处水流侧向冲刷作用几乎为0，水流迅速被河槽边岸调整，成为顺直的水流。
（2）河段比降的影响
从河床稳定系数表达式可以看出，比降的变化将改变河床的稳定性，即在流量、河床组成等相同的条件下，弯道环流的输沙强度和作用结果也必然不同。
当比降很小时，由于河床的稳定性高，水流输沙和环流作用下弯道的发展非常弱，此时入流角的影响很小；当比降很大时，由于河床、河岸的稳定性很低，大量的泥沙参与运动，主流摆动频繁，这时很容易形成带有游荡特征的宽浅且主流不明显的河道；只有在比降合适的条件下，河床河岸在环流作用下既有泥沙的纵向输移，也有泥沙的横向运动，才可能形成稳定的曲流。
在B8-1到B8-4四个测次中，当比降J≤0.3‰时，一般不能形成具有明显曲流特征的河槽，仅河槽边界是弯曲的；当比降J≥2.0‰时，虽也能形成具有明显弯曲特征的曲流，但局部河段的主流便有些散乱，水流归槽现象不明显，滩槽也不甚分明，这些部位已经不属于曲流的范畴。
综上所述，当河床组成、比降一定时，合适的入流角直接导致了环流的产生，并由此产生泥沙的纵横向运动，因此入流角对曲流的形成有着显著的影响。同时入流角对曲流形成影响的程度还取决于河床组成、河段比降等诸多因素。
入流角使水流流速分为横向和纵向流速，水流动量也分为横向动量和纵向动量。试验证明，水流横向和纵向流速、横向和纵向动量之间的关系，将对河道的演变产生显著的影响。
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