(1)弯道凹岸的近岸流速与含沙量分布特点。
河道观测资料表明,崩岸河段断面流速分布很不均匀,弯道凹岸深槽部位的垂线平均流速比凸岸部位一般要大得多。根据下荆江来家铺弯道1963年来17和来15断面共9次观测资料统计(表5-6)[1],两个断面深槽部位流速分别为断面平均流速的1.05~1.50倍(测次平均)和1.04~1.72倍(测次平均);而来17断面深槽部位4 个测次的含沙量分别为断面平均值的0.91~0.99、0.87~1.05、0.89~0.97和0.89~1.06倍,大部分数值小于1。从来17断面上各垂线平均流速的变差系数Cv值计算来看,4个测次的Cv值分别为0.19、0.22、0.37和0.40;而该断面垂线平均含沙量分布则较均匀,断面上滩、槽部位的数值差不多,4 个测次断面上的垂线平均含沙量Cv值分别为0.09、0.17、0.20和0.21。这一水力、泥沙因子在断面上的分布明显表现出两个特点:①垂线流速分布的不均匀性—凹岸深槽部位流速显著大于断面平均流速;②垂线含沙量分布则较为均匀且深槽部位含沙量一般小于断面平均含沙量。这种分布特性应是弯道凹岸冲刷并发生崩岸来自水力、泥沙运动方面的原因。它所形成的弯道断面形态是典型的“偏V 型”,也是满足在横断面上各流束的水流挟沙力和悬移质含沙量之间的纵向相适应的结果。换句话说,在断面上各垂线含沙量分布较均匀的情况下,保持纵向水流挟沙力的平衡应当是大流速对应大水深即形成深槽部位,小流速对应小水深即形成边滩部位。
表5-6 来家铺弯道深槽部位流速和含沙量为断面平均值的倍数(1963 年)
(2)近岸河床泥沙的起动和扬动条件。(www.daowen.com)
从推移质泥沙运动角度看,崩岸之所以能发生,是因为近岸河床能被冲刷,因而就要求泥沙能够起动并推移,在推移质输沙来量补给不足的情况下,河床便发生冲刷,以致可能使崩岸发生。根据适合于长江河道沙质河床的起动流速公式V0=5.91d1/3 h1/6[4],如按近岸河床粒径为0.20~0.25mm考虑,在近岸深槽部位10~20m水深条件下,河床泥沙的起动流速约为0.5~0.6m/s。可见,长江中下游近岸河床泥沙在一个水文年内大多数时间都能起动。但在长江中下游河道,河床中的推移质输沙率很小,充其量只有悬移质输沙率的1% 左右,因此,对河床发生冲淤影响的主要是悬移质运动,这就要求近岸河床的泥沙在水流作用下,不仅能够起动而且应当扬动,成为悬移状态并为水流携向下游。根据泥沙扬动的概念,河床的泥沙颗粒跃起的高度大于数倍的床沙粒径就可由推移状态进入悬移状态。因此,扬动流速应比起动流速稍许要大一些。根据多年来长江的河道观测可以认为,在长江中下游河道天然状态下,弯道凹岸近岸河床泥沙在一个水文年大多数时间内基本上都能处于一种扬动状态,即大多数时间内近岸河床都处在可冲刷状态。在这种情况下,当近岸水流挟沙力大于悬移质含沙量时河床便可发生冲刷,从而为崩岸的发生提供了近岸河床易被冲刷的边界条件。
(3)水流紊动结构对崩岸的影响。
众所周知,天然河道的水流都为紊流,长江中下游河道水流雷诺数的数量级高达106~10 8,水流各流层之间发生强烈的渗混现象。近岸河床的边壁更是高流速梯度区,在水流紊动过程中是“涡体制造厂”。这些涡体在掺混过程中导致近岸河床与河岸(二元结构的下层)散粒状态下的中、细砂发生强烈地扬动、悬浮,以致使床面发生冲刷。特别需要指出的是,当着主流、深泓靠岸时,在河床形成“偏V 型”的断面形态中,近岸为流速和水深均较大的深槽部位,水流能量集中,单宽流量q=vh 很大,即深槽部位的流束不仅具有水体质量大而且具有较高的流速,也即具有较大的动量。由于深泓或深槽部位离岸较近,水流动量对河岸构成很大的横向梯度。这一横向梯度使近岸水流内部孕育着大尺度涡体的随机产生。一方面,大尺度涡体具有较高的能量,一旦随机形成,可能直接作用于近岸河床,直接以机械能做功的形式攫取河床泥沙,强烈地冲刷河床;另一方面,当着大尺度涡体破碎逐次分解成小尺度涡体产生紊动时,便以“紊动能”的形式继续扬起河床泥沙和悬浮泥沙,并由水流带向下游。当河道平面变形中发生崩岸形成崩窝后,在突嘴以下崩窝内发生回流,其能量是由主流与回流的交界面通过水体掺混动量传递而提供的。这种回流的尺度与对岸坡的冲刷能力,不一定与原先岸坡冲刷后土体失去稳定形成的崩窝尺度相适应,这就是崩窝内可能发生淤积或继续使崩窝冲刷扩大的原因。因此,崩窝在回流作用后的尺度与主流的动量横向梯度构成的大尺度涡体拟序结构有关,当然还与河岸可冲土质的抗冲性有关。以上就是水流的紊动结构,特别是大尺度涡体结构对于崩岸的一般影响。另外,有关“口袋型”崩窝这一特殊形态的形成机理与大尺度涡体的关系将在5.5.4中叙述。
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