刘丹丹， 吕岁菊， 吕阳川

(北方民族大学 土木工程学院，宁夏 银川 750021)

丁坝具有导流、护岸、防冲和稳定河势的作用，是河道整治工程中常见的水工建筑物[1]，水流经过弯道时所形成的螺旋流会改善弯道内的水流流态，需在弯道内布设丁坝[2].为此，许多学者对弯道水流特性以及在弯道内布设丁坝后的水流流态进行了大量研究,杨兰等采用Flow-3D软件，对上挑丁坝群附近流场及局部冲刷进行了三维数值模拟，得出了计算丁坝群的湍流模型和推移质输沙率模型[3].喻涛测量了丁坝横向冲坑的发展过程[4].顾杰采用超声波水位和PIV流速测量技术，在U形水槽中研究了丁坝对弯道水流特性的影响及坝后回流区长度与弯道进口处凹岸平均流速之间的线性关系[5].杨旭亮建立了实际河道丁坝群中的双丁坝三维数学模型，采用CFD 数值模拟方法对比分析了双丁坝协同工作时的水沙运动特性[6].苏伟等通过不同形式的丁坝对水流的紊流特性及丁坝附近的冲刷程度进行了试验研究，得出紊动动能及紊动强度可以反映水流紊动对丁坝附近的冲刷情况[7].然而各种水工建筑物的兴建，都能在一定程度上使河流的水流情况和河床情况发生相应的变化，因此在河道整治、兴建河工建筑物后，需要对可能发生的水流结构改变、河床变形等做定性和定量研究.目前，对河道整治中丁坝的研究大多是数值模拟和物理模型试验，而非实际工程中复杂的天然河道.本文主要基于黄河平罗四排口弯曲河段(图1)上布设11座水工丁坝(图2)的工程实践，对河道水流流速、河床变化、悬移质泥沙粒径、含沙量及冲淤等情况进行现场勘察、数据分析、二维地形图绘制，从而对比枯水期前、后河道的变化规律及泥沙淤积等情况.以期通过上述分析为实际工程及河道截流和整治提供一定的参考[8—9].

图1 黄河平罗四排口河段河岸卫星图

1 现场观测

1.1 主要仪器设备

美国SonTek公司的走航式声学多普勒测流仪(M9)，俗称“河猫”，是一套完整的河水流量测量数据装置，由ADCP主机、无线扩频电台、可拖拽式三体船以及操作软件组成.该设备流速测量范围为±20 m/s，精度为±0.25%，具有独立的垂直波束测深，可测水深范围0.2～80 m，测量误差小、精度较高[10].

Bettersize 2000激光粒度分布仪，依据米氏散射理论，采用单光束双镜头技术，测量粒径范围为0.02～2 000 μm，采用计算机控制，能够实现测试、清洗、保存等自动化操作.

图2 黄河平罗四排口河段新增丁坝示意图

1.2 断面布置

以整治后的河道为研究对象，对水流及河床进行实测，沿河道纵向共设置了12个典型断面，布置位置见图3.

图3 黄河平罗四排口河段河岸及断面示意图

2 实测数据分析

2018年11月21日，对研究区域(C01～C12)共12个典型断面进行实地勘测，测量了各断面水位、河床高程、断面面积、悬移质泥沙级配及不同水深处的三维流速等数据.表1给出了12个典型断面的水位、流量、最大水深、平均水深、河宽、平均流速、最大流速等数据.

表1 2018年11月21日实测数据汇总表

由表1可知：11月处于枯水期，平均流量683.364 5 m3/s，平均水深4.736 m，平均流速0.937 m/s，水位从上游至下游呈现沿程递减的趋势，水面宽最高达372.26 m.由于丁坝集中在C02～C05，水流对左岸的冲刷作用较大，因而C05的平均流速最大.此外，河道右岸滩地开挖引河宽度相对原始河道较小，当水流由上游流入引河时，由于过流断面减少,出现水面壅高的现象，C06的水深最大.

2.1 实测河床高程及垂线平均流速

图4给出了典型断面河床高程及断面平均流速分布情况.

图4 典型断面处垂线平均流速与河床高程套汇图

图4中所有断面左岸为凹岸，右岸为凸岸，从图4可以看出：断面C01位于研究区域的上游，属于原始河道，流速分布较为均匀，左、右岸略有冲刷，中间出现浅滩；断面C02～C05布置在4#、5#、6#、7#、8#、9#丁坝附近处，最大水深靠近左岸，最深可达6 m，且左岸流速较大，左岸冲刷；断面C06位于11#丁坝的末端，断面河床高程和水流流速分布均匀，河床基本呈“V”形分布，流速中间大两边小，最大水深达8.35 m；断面C07～C11处于引河中下游位置，属于水流调整的过渡段，最大水深呈现出向右岸偏移的趋势，最大流速也逐渐向右岸调整；C12处于引河下游，水流汇入原始河道，水工裁弯取直成功，水流顺直，河槽呈“V”形.

2.2 悬移质泥沙分布

2018年11月对12个典型断面靠近左岸、右岸及中心位置进行取样，利用激光粒度分析仪分别进行粒度分析，得到了各断面不同位置处的悬移质泥沙[11—12]，(表2).由于篇幅所限，图5只给出了断面C02，C03，C04，C05泥沙的颗粒级配曲线，图6给出了所有断面悬移质泥沙中值粒径、含沙量与平均流速对比图.图7为两次实测断面河床变化.

表2 2018年各断面悬移质泥沙粒径及含沙量

图5 四排口悬移质泥沙粒径级配曲线

图6 各断面平均流速与中值粒径、含沙量套汇图

图7 典型断面实测地形对比图

由表2可以看出，河道左岸、河道中心、河道右岸的泥沙颗粒平均中值粒径分别为16.748， 15.196，13.442 μm.整体上，左岸中值粒径大于断面中心和右岸的中值粒径，说明水流主流靠近左岸，左岸流速较大，造成左岸出现冲刷、右岸出现淤积的趋势.

通过分析各个断面悬移质泥沙的分布和各断面平均流速，由图6可知：流速较大时，增大水流挟沙力，悬移质泥沙中值粒径随之增大，水中含沙量增大[13]；反之，流速较小时，水流挟沙力减弱，悬移质泥沙中值粒径随之较小，水中含沙量减小.由此可见，垂线平均流速是悬移质泥沙粒径分布及含沙量的主要影响因素[14].

2.3 实测河床高程比较

基于水力学、河流动力学相关知识，并采用MATLAB模拟计算，图7给出了2018年10月和2018年11月的实测河床高程变化过程.图7进一步描述了黄河宁夏四排口河段水沙运动过程及河床变化规律.

从图7可以看出：断面C01位于研究河段的上游，河道较宽，约为278 m，平均流速为0.917 m/s，2018年10月至11月河道主槽向左岸偏移约50 m，水深变浅，左岸冲刷、右岸淤积；断面C02,C03,C04紧靠丁坝左岸，在流量变小的情况下，河宽变窄，河道主槽依然向左岸发展，右岸出现大面积浅滩，淤积严重；断面C06,C07,C08位于引河中游段，水流主流逐渐向右岸发展，河道主槽呈现向右岸发展的趋势；断面C10,C11,C12位于引河下游，与原始河道衔接，河道主槽仍在左岸附近.

图8给出了12个断面的深泓点，通过插值的方法得到了所研究河道的深泓线[15—16].

图8 河岸深泓线示意图

由河道深泓线分布(图8)可以看出，该河段经过河道整治后，河道主槽靠近左岸.断面C06，C07段受上游段丁坝的顶冲作用，主槽呈现出向右岸发展的趋势，而失去丁坝的作用后，主槽依然会向左岸发展.

3 结论

黄河宁夏典型弯曲河段经过河道整治后，于2018年10月、11月对该河段12个典型断面的水深、流速、悬移质泥沙粒径及含沙量等进行了实测和分析，得出以下结论：

1)断面C01流速分布较为均匀，左、右岸都略有冲刷，中间出现浅滩；断面C02～C05最大水深靠近左岸处，最大水深可达6 m，且左岸流速较大，左岸冲刷；断面C06水流流速分布均匀，河床基本呈“V”形分布，最大水深达8.35 m；断面C07～C11最大水深呈现出向右岸偏移的趋势；断面C12汇入原始河道，水工裁弯取直成功，水流顺直.

2)靠近河道左岸、中心、右岸的平均中值粒径分别为16.748，15.196，13.442 μm.靠近左岸的中值粒径大于断面中心和右岸的中值粒径，说明左岸流速较大，水中含沙量较大，左岸呈现出冲刷的趋势.

3)该河段经过河道整治后，河道主槽靠近左岸，2018年10月至11月，河道主槽向左岸偏移约50 m.断面C06,C07段受上游段丁坝的顶冲作用，主槽呈现出向右岸发展的趋势，在失去丁坝的作用后，主槽依然会向左岸发展.