不同河型边界条件下的研究结果

8.3　不同纵向边界条件下的河型结果

河段水流的总能量取决于两个方面：来水的动能和河段比降。当河流来水条件确定时，河道水流运动的临界底坡i_k也就确定，其关系式为，式中Q为来流量，K_k是由河道周界条件决定的系数。河段比降J与临界底坡i_k的关系，可有三种情况：

（1）J＝i_k，此时河道水流作均匀流，河段比降即为临界底坡；

（2）J＜i_k，此时河道水流作均匀流时，属于缓流，河段比降可称为缓坡；

（3）J＞i_k，此时河道水流作均匀流时，属于急流，河段比降为陡坡。

可见，河段比降对水流运动特性影响十分明显。当河段比降为陡坡时，水流呈急流状态，具有强大的冲刷河床和搬运泥沙的能力，造床作用强大，河流演变快速多变。

在试验中，比降同时也反映了侵蚀基准点的影响：由于水槽的进出口断面被固定，因此水槽比降的改变等同于侵蚀基准点的变化。对于这里所述的比降，主要是由试验水槽进出口控制点的高程差决定的，即河谷比降。

8.3.1　比降变化引起的河道形态变化

试验中涉及了两种比降：河谷比降和水面比降。前者系指入口和出口的底槛高程差与河槽长度的比值；后者为进出口断面的水面高程差与河槽长度的比值。河谷比降更多地代表了河槽的初始边界条件，在本试验中是固定不变的；水面比降是河流调整的结果，随着河型变化的过程，水面比降也在不断变化。水面比降是反映水流能耗的一种重要指标，根据水面比降以及进出口断面流速的差值，可以计算全河段水流能耗。

基础试验中试验沙为D和E的系列包括比降集中在0.3‰到3.0‰之间的多个试验测次。比较相同河床组成和流量下，不同比降的各个测次的河道形态，有利于得出比降变化对河道形态的影响。

8.3.1.1　平面形态变化

图8-7为多个测次的河床边界对比。由图可见，随着比降的增加，河道有逐渐展宽的趋势，同时河岸边界也有由大体顺直变成微弯和凹凸不平的趋势。

第12组（A 5-12）包括不同比降四个测次的试验，由于是连续试验，且河道发育是清水造床，冲刷为主，故随着试验的进行，河岸边界整体后退。前三个测次河谷比降依次减小，最终河岸线变化缓慢；12-4（A 5-12-4）测次比降大大增大（由0.6‰剧增到3‰），水流水动力轴线进一步弯曲，在凹岸有大幅度的冲刷，河槽因而发生较大程度的展宽（图8-8）。

总体而言，随着比降的增大，河槽的边界线变化速度加快，河岸线弯曲度加大。比降值变化较大时，上述规律更加明显。

8.3.1.2　横断面形态变化

图8-9（1）、（2）分别给出了第一组（A 5-1，试验沙E）不同比降各测次3＃、6＃断面的横断面图。

由图可以得出：同样河床组成下，随着比降的增大，河槽的最大深度变小，河道变得更宽浅，尤其6＃断面表现较明显。

表8-2给出了不同比降下河道宽深比的试验结果，由表可知：除了进口附近的部分断面外，随着比降的增大，河床断面宽深比增大，河床有向宽浅河道发展的趋势。当比降增加一倍时，宽深比最大增幅约10%。

图8-7　各测次最终河岸线对比

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图8-8　不同比降下河岸对比（A5-12）

图8-9　不同比降断面形态对比（A 5-1）

表8-2　不同比降的断面宽深比

综上所述，对于比降集中在0.3‰～3‰的各组试验，随着比降的变化，河道平面形态参数也呈规律性变化。相对河床组成和流量引起的改变，这种规律性是大体上的，并不完全明显而确定，甚至会出现一些偏差。整体而言，当比降变化范围较小时，河道形态对比降变化的敏感性较差。

8.3.1.3　粗沙河道

当模型沙为粒径最粗的天然沙G时，河道随比降变化较小，图8-10为试验A 7-11组四条模型小河的最终河岸线对比图。由图可见，由于河床组成太粗、河床稳定性过大，当比降由0.6‰增大到2‰时，河道岸线依然保持顺直，基本无变化。

图8-10　试验A 7-1-1组各测次最终河岸线对比图

8.3.2　比降变化引起的河型转化

基础试验13组（A 5-13）研究了比降大幅度变化时的河道形态变化。当河谷比降从0.3‰逐渐增加到8.0‰时，河道弯曲性逐渐加强。当河谷比降超过8.0‰之后，河道归槽现象已相当普遍，河道在弯曲的新河槽内发展，水道弯曲，具有较形象的弯曲外形。此时河道发生河型转化，由顺直河道发展成弯曲河型。

河谷比降超过1.5%，河道边滩逐渐消失，河槽宽广无定，具有典型的游荡特性。不同河谷比降下的河道平面形态比较以及河槽弯曲度和水流弯曲度的变化见图8-11。由图可知，随着比降的增加，河道有展宽的趋势，河槽弯曲度与水流弯曲度有增加的趋势。

图8-11　河槽弯曲度和深泓弯曲度随比降变化

河型之间的区别和判定，各家有不同的标准。Schumm^［6］以曲率为划分指标，小于1.1为顺直型，大于1.7为曲流，中间为过渡型（图8-12）。这里我们参照这个标准，插入了趋势线和曲率临界值，得出了不同河型的临界比降。当J＜1‰时，河道为顺直型；当J＞8.0‰时，河道转化为弯曲型；当J＞1.3%时，河道可视为游荡型。

图8-12　Schumm文中河谷比降与弯曲率之间的关系

应该说明的是，13组几个测次中河槽的弯曲特性并不显著：河道并没有凹冲凸淤现象，横向环流基本不存在，滩槽分别也不明显。表明只靠调整比降在清水作用下的均匀沙体中塑造典型的曲流是有难度的。

比降是影响河型的一种重要因素。在我们的试验中，几乎每一组试验都包括不同比降的多个测次。结合试验结果，对不同比降下的河型结果进行了讨论。