5.5.3.1　“口袋型” 崩窝河道实测资料分析［72］

（1）“口袋型”崩窝形成过程。

1984年7月，在长江下游扬中河段太平洲汊道左汊嘶马弯道左岸西1 号丁坝下游，发生“口袋型”崩岸。当地水利部门一方面投入紧张的抢险救灾，另一方面在十分困难的情况下对崩岸的变化进行了崩窝地形的观测。由观测资料可以看出（图5-20），7月12日，在嘶马弯道西1号丁坝坝头附近，河床冲刷的深槽已达－50m，－20～－30m等高线开始楔入，由丁坝下游回流形成的岸线凹入达200m左右。至7月21日，崩窝内岸线开始迅速崩坍发展，但口门处下侧岸线变化不大，似有一个抗冲性较强结构物（可能是护岸部分）制约其发展。在窝内回流剧烈的冲刷下，至7月22日岸线已凹入到500m左右。同时窝内岸线除朝河岸横向发展外，在顺河岸方向也有拓展。至7月23日崩窝平面形态已基本定形，而且可以看出，淤积在崩窝口门外的土体并未由纵向水流及时带向下游而仍在口门外坡脚处。至7月24日整个“口袋型”崩窝趋于相对平衡状态。此时的回流对河岸的作用已不再使崩窝发生变形，这是由于回流的强度随着崩窝的拓展而逐渐减弱的缘故[7]。

嘶马大尺度“口袋型”崩窝内的回流在短短的时间内经历由弱至很强再由强变弱的过程。在未产生“口袋型”崩窝之前，丁坝下游的回流是受交界面水流掺混由动量的传递所致。当口外河槽刷深流速增大使水流动力作用进一步增强时，近岸水流动量增加，动量对于岸的横向梯度进一步增大，岸坡河床在局部受到冲刷，即表现为某部分等高线的楔入。当局部形成尺度较大、高速旋转的涡体后，进一步冲刷岸坡。随着原约束水流的边界被“突破”，这一大尺度的涡体迅速发展成回流。这股回流在岸坡被“突破” 后，急剧旋转作用于河岸，使崩窝得以迅速发展。窝内回流先是随窝内面积的增大和形体阻力的减小而强度不断增加，到一定程度后则又随窝内面积进一步的扩大和阻力的增加而减弱，冲刷作用逐渐减弱，窝内的崩岸也随之减弱，于是逐渐形成与边界抗冲条件相平衡的平面形态。与此同时，也形成相对平衡的断面形态。图5-14表达了嘶马大崩窝内的典型断面随着平面形态的扩大而变化的过程，即断面逐渐变缓、坡脚处有所淤高的过程。可见，到7月23日断面已达相对平衡。

图5-20　“口袋型”崩窝形成过程

（a）7月12日；（b）7月21日；（c）7月22日；（d）7月23日；（e）7月24日

（2）崩窝内水流结构。

1993年7月3日，长江下游镇扬河段六圩弯道凹岸扬州港发生大崩窝，崩岸破坏了港口设施，造成重大的经济损失。在崩窝经过抢护后，于8 月9 日～10日，扬州水文水资源勘测局对崩窝内的流速流向进行了测量，以分析崩窝的水流结构，探索这类崩岸发生的条件。这显然是崩岸形态达到相对平衡并采取防护措施之后且水流强度有所减弱的情况下进行的观测，对于研究崩窝的发展自然具有一定的局限性。但是，在长江这样的大江河形成的大崩窝中进行一次规模颇大的测验是极不容易的工作，因此获得的现场观测资料对于定性地研究崩窝内水流结构仍然是非常可贵的。

整个水流观测是根据崩窝内的水流状态布置的，考虑了回流的主要流路和在崩窝内水流扩散的情况，可以认为布置基本上是合理的，从而在定性上保证了成果的可靠性。在崩窝内共布置了14条垂线（其中1号垂线在崩窝外挨近的河槽内），每条垂线上按水面、0.2倍、0.4倍、0.6倍、0.8倍和1.0倍水深处即6个测点施测流速和流向，能较好地反映平面流态和流场的三度性。图5-21为测速垂线的平面布置情况，图5-22为崩窝内各垂线上水面、0.4倍、0.8倍水深的测点和垂线平均流场图。

图5-21　崩窝内流速场观测布置和测验成果综合图

根据以上实测资料，可以初步得出“口袋型”崩窝内的水流结构特性：

图5-22（一）　崩窝内垂线平均与各测点流场图

（a） 崩窝内流速流向分布图（垂线平均）；（b） 崩窝内分层流速流向分布图（水面）

图5-22（二）　崩窝内垂线平均与各测点流场图

（c） 崩窝内分层流速流向分布图（0.4h） ；（d） 崩窝内分层流速流向分布图（0.8 h）(www.daowen.com)

1）崩窝内主流线的变化。显然，从流向可看出崩窝内水流流动是从河道深槽部位中的水流直接进入崩窝的。崩窝外的1号垂线附近流速值比崩窝口门下游侧垂线10号、11号的流速大得并不多，可以认为窝内水流中是从河道近岸水流分出一股进入窝内的，这是整个窝内回流的动力。然后，从流向还可以看出，这股水流是从口门下端即崩窝的下游侧进入崩窝。按流向的趋势，垂线10号、11号和定点1的流速值分别占第2、第3和第4位，大致表明了进入崩窝这股水流的动力轴线位置。根据垂线8号与9号和5号与6号之间的流速对比来看，可知主流线是沿着流速较大的8号和5号垂线继续向窝内推进，主流基本上是沿靠崩窝的周边运动的。这就是崩窝冲刷拓展的动力因素。图5-21中表明了崩窝内主流线大致的轨迹。

2）水流在崩窝内的扩散过程。可以认为，崩窝在发展初期，主流的动力很强，而且动量比较集中，对崩窝周边冲刷很强，以致崩窝能得到迅速扩展。但是，到一定程度后，随着崩窝继续拓展，由于过流面积的扩大和边壁及床面阻力的增大，其水流冲刷能力将逐渐变弱。由于本次观测是在崩窝平面形态趋于相对稳定且进行了一定的防护下进行的，所取得的资料代表了崩窝发展的后期状况。据分析可以看出，水流在进入崩窝时（即经过10号和11号垂线时），不仅流速大而且垂线上不同测点的最大交角（以下称为扩散角）十分小，仅分别为0°和2°；在主流线上的8号垂线扩散角为59°，而9号垂线扩散角为175°，可见水流已经开始扩散；之后，在主流线上的5号垂线扩散角为60°，而6号垂线为134°，可见水流在继续扩散。以上说明崩窝在后期冲刷减弱的过程中，水流在崩窝内作回旋运动的同时，随着流速减缓还存在水流扩散耗能的因素。图5-22中标出了各垂线上测点流向之间的扩散角。同时，点绘了扩散角分别与垂线平均流速和垂线上最大测点流速之间的关系（图5-23）。可以看出，流束的稳定性可用垂线上各测点交角的大小来表达，扩散角与流束的流速值大小具有一定的关系。这是一种以垂线上各测点的流速流向表达的水流三度性。在崩窝发展初期，水流三度性愈强，其紊动掺混作用愈有利于崩窝内河床冲刷，但在崩窝发展的后期，在流速减小的状态下，水流三度性愈强则愈有利于泥沙发生淤积。

图5-23　崩窝内垂线流速与扩散角关系

3）崩窝内水流的次生流结构。“口袋型”崩窝内的水流与一般分离水流剪切作用形成的回流不同。它是由河道主槽水流中的一股水流直接进入崩窝，开始是高速旋转，后来随着崩窝发展，进入崩窝的流量增大而逐渐转化为具有一主流线并沿着崩窝周边作圆周运动的水流，这股水流实质上可以看作具有很大流速的做圆周运动的水流，是使岸边能够产生强烈冲刷的主导因素。“口袋型” 崩窝就是在这股水流的动力作用下形成的。既然圆周旋转的水流是一种离心运动，同时水流又受到崩窝边界的约束，那么就形成了岸边水位升高类似弯道环流的次生流结构。崩窝内垂线平均流速的横向分布是靠岸壁流速大，离岸壁较远处流速小，10号、8号和5号垂线的流速值分别大于11号、9号和6号垂线的横向分布说明了这一点（图5-21）。次生流结构还表现在窝内有不少垂线测点流速的最大值或较大值转移到0.6倍水深处，似体现了下降水流的某些特点。

4）崩岸内淤积形态预估。在“口袋型”崩窝整个形成过程中，崩窝内由于受到作圆周回转运动的水流和弯道环流的作用，使得窝内被冲刷的泥沙，一方面大部分随着水流回转而带出崩窝，并由近岸水流带向下游；另一方面又由于有离心水流的环流结构而带向崩窝的中心，以致在崩窝形成相对稳定之后在窝内中部淤积而逐步形成江心滩。加之前面叙述的水流在平面上的扩散作用，也有助于形成江心滩的淤积，并在崩窝的上侧带来淤积影响。需要指出的是，上述“口袋型”崩窝是在河道较强水流情况下形成的。它的平面形态是在很强的回转水流冲刷下形成，一般都与较大洪水的水文年出现较大流量相联系的。可以说，在没有更大洪水的水文年的条件下，这一形态就是与其边界条件相适应的最大范围的平面形态。因此可以推断，在形成最大的平面形态和断面形态之后，将会按照以上描述的水流结构和泥沙的主要淤积部位，进一步通过淤积过程调整崩窝的平面和断面形态，最后形成冲淤相对平衡的形态。崩窝内主要的淤积部位是江心滩和崩窝上侧的回流出口段；同时随着入流的减少，自崩窝下侧开始进流直至弯顶部位的近岸主流槽也将发生淤积，包括主流槽断面缩小和槽底河床淤高，但仍会保持相对较深的主流槽地位，以维持其崩窝相对平衡的入流动力因素。

5.5.3.2　“口袋型” 崩窝试验研究

长江科学院曾于2000年进行过“口袋型”崩窝内水沙运动特性的定性试验。试验表明（图5-24），崩岸口门内的水流基本上是脱离主流而在崩窝内形成回流，即有一股水流沿下游侧进入窝内，经过崩窝周边后从崩窝上游侧回到主流中，进入崩窝水流的流速大于出崩窝的流速（即图中B 点处流速大于A 点处流速），这说明进入崩窝时水流比较集中，而出崩窝水流较为分散；同时，由于较强水流流束沿侧壁作曲线运动，使回流区内侧水位抬高，因而产生底流方向指向崩窝中心区的径向环流。从A 点和B 点的垂线流速分布反映了“口袋型”崩窝内局部复杂的次生流结构。

图5-24　窝崩区表面流场和入口B、出口A 处垂线流速分布

（a）表面流场；（b）入口B、出口A 处垂线流速分布

在崩窝形成和发展阶段，回流将崩窝内冲刷的泥沙由口门上侧的出口部位带至主流区，并由主流继续带向下游。当“口袋型”崩窝尺度发展到最大时冲刷停止后，随着进入水流的减弱，崩窝内将进入一个泥沙淤积的过程。淤积试验表明，崩窝内在开始淤积阶段呈现累积性淤积的特点，落淤的泥沙主要是悬移质中较粗颗粒的泥沙，崩窝中心区淤积的厚度较大，最后淤积物高程均高于四周的淤积高程，呈现了江心滩的雏形状态。

根据长江科学院对空腔回流水沙特性的研究成果［73］可以看出，“口袋型”崩窝与空腔回流的水流内部运动特性在宏观上基本相似，其本质的不同在于：空腔回流有两个路径向腔内传递质量、动量和能量。一个是水流自腔口上端点分离扩散，由掺混的交界面带动腔内各流层的运动，宏观上也表现出回流状态；另一个是由主流在平面上扩散，水流按扩散角有一部分流束从口门下游侧进入腔内，这股水流实质上表现为圆周回流。这股回流在腔内回转后，在口门上游侧回到主流中（图5-25）。然而，“口袋型”崩窝就不一样，它自一开始就受到横向高流速梯度或高动量梯度的作用，随着口门被“突破”而拓展，有一股水流直接进入崩窝内，而且不断增强，在崩窝被冲刷而急剧发展中，始终是这股进入崩窝内的水流形成回流而起作用的，一直到回流的强度逐渐减弱，最终形成最大尺度的崩窝。如前所述，这种在极强水流条件下形成的“口袋型”崩窝，如不再遇到更强的水流条件，就达到其终极状态。在这之后，当遇到比较小的水文年时和较弱的水流条件时，上述形成的“口袋型”大崩窝实际上就转化为“空腔型”并按照“空腔回流”的水沙特性，来表现崩窝内的冲淤变化，并最终形成与年际水沙条件变化相适应的形态，即相对平衡的特有的地貌形态。

图5-25　空腔回流区二维水流计算流速场和流速等值线

（a）计算流速场；（b）流速等值线