理论教育 长江中下游不同河型平面变形情况分析

长江中下游不同河型平面变形情况分析

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:崩岸现象不但贯穿于整个河流的造床过程,而且当河流形成一定形态后,将按不同河型的固有规律不断发生,从而体现出河道平面变形的特性。不同的河型具有不同的平面变形特点,且都是通过崩岸的具体表现形式来实现的[5]。在长江中下游某些河段,由于河道两岸地质地貌条件,或受护岸工程的影响,河岸的抗冲性较强。在这种情况下,整个河道平面形态较稳定,相应的崩岸则较少发生。除两岸的平面变形之外,还存在江心洲的平面变形。

长江中下游不同河型平面变形情况分析

冲积河流在自然状态下总是处于不断变化发展过程之中。水流与河床间的相互作用始终支配着河流的变化和发展,使河流永远处于动态之中。从河床演变的形式来看,由水流冲刷导致近岸泥沙输移造成的崩岸,实质上属于河道的平面变形。也就是如前所述的,崩岸是河流运动和变化中的平面变形的具体体现。

在河流的历史演变中,平面变形贯穿着整个河流的造床过程,这主要指河道在平面上的摆动和变迁。例如,众所周知的下荆江在近几个世纪的变迁(图1-1),就是河曲在平面上的蠕动。这种平面变形的运动形式表现在蜿蜒型河道凹岸冲刷和凸岸淤积上。而凹岸冲刷后退实际上就是由无数个崩窝组成的整个岸线的后退,并且形态变弯曲,河曲向下游蠕动。

崩岸现象不但贯穿于整个河流的造床过程,而且当河流形成一定形态后,将按不同河型的固有规律不断发生,从而体现出河道平面变形的特性。例如,典型的鹅头型汊道——团风河段就是由右汊形成后不断扩大向左平移使得李家洲、东漕洲不断崩岸,江心洲岸线向左平移,并完成一次对江心洲冲刷殆尽的周期过程而体现出该河段平面变形的特性(图3-1)。

不同的河型(就长江中下游来说,可分为顺直型、弯曲型、蜿蜒型和分汊型)具有不同的平面变形特点,且都是通过崩岸的具体表现形式来实现的[5]

(1)顺直型河段平面变化的特点和演变规律。

图3-1 团风河段鹅头型汊道周期性演变全过程

(a)1935年;(b)1948年;(c)1954年;(d)1965年;(e)1971年;(f)1980年

由于河床形态顺直,与其顺直微弯水流和泥沙输移运动相应的犬牙交错边滩分布于河道两岸,并在纵向水流的作用下向下游推移。当两侧可冲河岸受到边滩掩护时,河岸就不受冲刷;而没有边滩的掩护,深泓近岸,河岸就会发生冲刷。这种冲刷可能导致河宽的增大,使河床可能呈现出周期性展宽的特性。这种周期性展宽就是两岸产生的崩岸现象。在河床平面变化的过程中,由于顺直型河段没有明显的环流,泥沙横向输移也较弱,泥沙的输移主要表现为纵向水流输沙。由此可见,在顺直型河段平面变化的过程与犬牙交错的边滩运动息息相关。也就是说,当河岸处于有边滩的部位,岸坡受到边滩掩护而不受水流冲刷时,岸坡就稳定;当河岸处于顺直段深泓迫岸部位时,岸坡受水流冲刷就有可能发生崩岸。在长江中下游某些河段,由于河道两岸地质地貌条件,或受护岸工程的影响,河岸的抗冲性较强。加之来沙中的推移质部分甚少,犬牙交错边滩主要由悬移质泥沙形成。这种边滩冲淤主要受年内、年际来水来沙作用而呈周期性冲淤变化,而边滩依附两岸的位置较固定。在这种情况下,整个河道平面形态较稳定,相应的崩岸则较少发生。图3-2表示宜枝段自虎牙滩至云池顺直型河段的犬牙交错边滩。

图3-2 虎牙滩至云池顺直河段犬牙交错边滩

(2)蜿蜒型河段平面变化的特点和演变规律。

平滩水位下的河槽或者说中水河槽具有过度弯曲的外形,深槽紧靠凹岸,凸岸的边滩十分发育,凹岸冲蚀,凸岸淤长。弯道横向环流强度较大,泥沙横向输移量也较大。弯曲水流的顶冲点在一年之内随流量大小不同而发生变化。一般情况下,在弯道顶点下游的一段距离内,无论流量大小,主流都靠近凹岸,属于常年贴流区(图3-3),河岸年崩坍率也较大;在弯道顶点附近,则随着流量的大小其顶冲点存在着下挫上提,这一段属于顶冲点的变动区,河岸年崩坍率也较大,但次于常年贴流区。这两区以外的弯道上下游进、出口段年崩坍率较小。这一崩岸特性使得蜿蜒型河道愈加弯曲,在平面上作整体向下游蠕动。

图3-3 弯道水流顶冲变化图

1—进口区;2—顶冲点变动区;
3—常年贴流区;4—出口区

蜿蜒型河段的横断面变形主要表现为凹岸的崩退和凸岸的相应淤长。当河弯曲折率增大到某种程度时,在一定水流泥沙和河床边界的条件下,可能发生切滩和撇弯现象,对上下游河势都会带来较大影响(图3-4)。当相邻河弯不断靠近形成狭颈时,则在洪水漫滩水流作用下可能发生自然裁弯。在发生自然裁弯时,就会对上下游河势产生重大影响,并将引起上下游崩岸的剧烈变化(图3-5)。

图3-4 下荆江石首河段向家洲切滩前后河势变化

(a)1993年10月(切滩前);(b)1998年10月(切滩后)(www.daowen.com)

(3)弯曲型河段。

弯曲型河段是指弯道曲率比较适度,平面形态或是主流线基本呈正弦曲线的河段。其平面变形的特点也是凹岸崩坍,凸岸淤积,其中弯道顶点下段崩岸比上段强,整个弯道也有向下游缓慢蠕动的趋势。其平面变形主要受纵向水流泥沙运动规律支配,横向环流强度较弱。宜枝段自云池至松滋口,上荆江自杨家脑至茅林口为弯曲型河道。由于受到护岸工程的控制,两岸崩岸较少发生,并且弯道蠕动下移也受到控制(图3-6)。在上荆江弯道河宽较大部位一般都有江心洲,所以也称为含江心洲的弯曲型河道。一般来说,弯曲型河道的崩岸强度介于顺直型和蜿蜒型河道之间。

图3-5 沙滩子自然裁弯后河道变化图

图3-6 上荆江弯曲型河道

(4)分汊型河段平面变形较为复杂。

除两岸的平面变形之外,还存在江心洲的平面变形。特别是洲头崩岸产生的平面变形,不仅影响分流区局部阻力的变化,而且还影响各汊之间综合阻力的对比关系。这些导致汊道分流分沙的变化直接影响着各汊的水流动力因素,从而又对崩岸造成了新的影响。例如,南京河段八卦洲汊道自1933~1965年的平面变形,不仅表现在进、出口的变化上,也表现在左右汊的变化上;不仅表现在两岸变化上,还表现在江心洲的变化上(图3-7)。

图3-7 八卦洲分汊河段平面变形

分汊型河道可分为顺直分汊型、弯曲分汊型和鹅头分汊型等三种河型,按汊道数还分为双汊和多汊。但不管是哪种汊道河型,也不论汊道数是多是少,都要视其各支汊的形态来决定其平面变形的具体特征。当某支汊为顺直型时,其崩岸与顺直单一河道的平面变化造成的崩岸特点类同,即主要表现为深槽与边滩的交错分布和平行下移。就长江中下游顺直支汊来看,往往受悬移质泥沙造床的影响,也有形成犬牙交错依附于两岸具有河漫滩相的江心洲(如世业洲的左汊、张家洲的右汊,图3-8)。这种边滩或江心洲的平面位置均较稳定,构成支汊的形态也较稳定,水流冲刷的部位也较固定。一般在护岸工程之后,整个支汊也就相对稳定了(如八卦洲右汊,图3-9)。当某支汊为曲率适度的弯道时,仍遵循一般弯道凹岸崩坍、凸岸淤积的规律。当某支汊为鹅头型时,则与蜿蜒型弯道的平面变形造成的崩岸特点雷同,即该支汊可能向河曲形态发展(如和畅洲左汊的历史演变)。

图3-8 顺直支汊江心洲两岸交错型

(a)张江洲右汊;(b)世业洲左汊

图3-9 顺直支汊(八卦洲右汊)两岸边滩交错型

另一方面,它们之间也可能相互转化。例如某分流比和曲率半径较小的左右弯曲支汊,随着分流比增大会取直,成为顺直型,分流比再增加发生平移时又成为曲率半径较大的微弯和弯曲支汊,最后随分流比减小通过平移曲率半径减小又变为鹅头型支汊。团风分汊河段在半个世纪内的周期性变化,就表现出支汊相互转化的特性(图3-1)。在1935年罗湖洲(也称罗霍洲) 右汊切滩形成后,随着分流比不断增大,而冲深、而拓宽,该汊成为顺直型;然后向左平移,相继使罗湖洲一块块被切割,该汊道变为弯曲型;期间,随着右汊向左摆,凸岸边滩发育展宽;当边滩展宽达到一定程度时,又被水流切割形成新右汊雏形,并逐渐形成新的右汊;此时原右汊向左移动已转化为中汊。中汊继续向左移动,终因平面形态越来越弯曲、长度增长、阻力越来越大、分流比逐渐减小、河床发生累积性淤积、断面不断缩小,最终衰萎成鹅头型支汊[1]。

团风河段这一典型的鹅头型多汊河段周期性演变规律可概括为:右汊通过切滩而形成并发育、通过冲深拓宽而发展,然后向左移动冲刷罗湖洲进一步发展,成为中汊后继续左移,转而逐渐衰萎,最后成为另一条弯曲过渡的鹅头型小汊,这也是整个罗湖洲被“扫荡”殆尽的全过程。这个过程就是由罗湖洲的无数次崩岸,无数个崩窝组成的岸线平移的全过程。

在以上4种河型中,显然顺直型河道平面变形的速度较小,即崩岸的强度较小;曲率适度的弯曲型河道的崩岸强度也较小,但比顺直型河道要大;蜿蜒型河道受水流冲刷岸线长、环流强,平面变形速度大,崩岸的岸线长,崩岸的强度大,尤其是在发生裁弯、切滩和撇弯时,因河势的剧烈变化而引起更大范围、更长岸线和更大速度的剧烈崩岸。分汊型河道因江心洲发育,河段中受水流冲刷的部位较多,崩岸发生的部位也较多,其崩岸情况取决于水流顶冲情况,也就是说,崩岸取决于各支汊的形态及其变化,特别是多汊河道中,各支汊冲淤兴衰交替均给平面变形带来变化。因此,分汊型河道的江岸和洲滩平面变形是十分频繁的,其崩岸也是较为严重的。一般来说,在分汊河段的江心洲洲头受顶冲及主支汊弯道凹岸顶冲段内,河岸崩塌更为严重,崩岸强度相对较大。

总而言之,在冲积平原河道自然演变过程中,崩岸的发生具有普遍性,它是河道平面变形的具体表现形式,而使得河道发生平面变形又是一种受制于来水来沙条件和河床边界条件相互作用使河道冲淤变化十分复杂的河床演变过程。因此,从宏观上来看,河道崩岸的发生是由冲积河流河床演变的规律所支配的。

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