陈立超

(北京通成达水务建设有限公司，北京 100000)

保护河岸免受侵蚀是河岸治理中的一项重要内容，其中弯曲河道的河岸保护是大量学者的研究主题[1- 3]。弯曲河道不仅广泛存在于各大河流中，还具有迂回曲折的外观特征和蜿蜒蠕动的动态特征[4]，因此对河岸的保护存在一定难度。根据已有研究成果并结合实际情况可以发现，河道侵蚀一般发生在外岸，沉积发生在内岸。在弯曲河道中，侵蚀沉积会导致河道迁移，从而对周围生态、农业造成不利影响，因此为了提高河岸稳定性、减少侵蚀，避免河道迁移带来的不利影响，大量学者对不同弯曲河道的河岸保护措施进行了研究[5- 6]。现有的河岸保护方式如：弯道堰、带状结构等护岸措施均已通过试验，并取得较好的研究成果，但是防波堤依旧是当前最为广泛的河岸保护措施之一，尤其是在弯曲河道中。

永定河是海河水系最大的一条河流，其中北京段总长约170km，该河段流经延庆、门头沟、石景山、丰台、房山、大兴6个区。按河道不同特征和防汛特点，分为山峡段、平原北段、平原南段。其中官厅水库至三家店间的峡谷，称山峡段，干流河长109km，其中属北京市管辖的干流河道长91km。河道平均纵坡3.1‰，河宽70～300m不等。河床多为粉细沙质，极不稳定，河道弯曲，主流左右迂回，两岸险工较多，水流随山弯曲，是典型的弯曲河道。由于坝区的淤积，导致附近堤岸周边土地遭到破坏，为了减少这种不利影响，大多学者通过调整结构渗透性[7]、防波堤斜率[8]、防波堤形状[9]等方式，但是这些研究均在直线渠道或单一弯曲河道中进行未考虑多种弯曲度河道[10]，以至于研究成果难以在弯曲河道中转化。且弯曲河道具有多种特性(弯曲度、振幅、偏转角、曲率半径与河道宽度之比(R/B)等)，在单一弯曲河道下，由于受主导河道特性的影响，无法全面评价河岸保护对策的有效性。尽管目前在正弦生成(SG)曲流河道的流动动力学和河道形态演化的研究中，相关学者已经开展了关于弯度影响的研究[11]。然而，考虑河道弯度对河岸性能影响的研究尚未得到验证，因此本文通过室内试验研究了2种不同弯度的可侵蚀性弯曲河道中坡顶防波堤的性能。

1 试验方案

1.1 弯曲河道试验装置

本文采用室内试验模型方式还原永定河北京段的河段特性进行相关研究，包括水流特性、河床特质等。试验水槽的布置如图1所示，水槽由长度分别为50和100cm的固定河床进、出水槽组成。主河道包括一个长400cm，宽200cm，充满不均匀的侵蚀层(D=0.72mm，σ=(d84/d16)0.5=1.38，比重=1.41)以及厚20cm的非黏性沉积物构成。

图1 研究中使用的2个实验通道示意图布局(单位:cm)

正弦生成曲线(SGC)被用来描绘河床侵蚀边界内的弯曲通道，计算式为：

(1)

式中，φ—局部偏转角，(°)；ω—最大偏转角，(°)；s—通道方向长度，cm；M—通道方向波长，cm。

通过对式(1)在x和y方向的积分，可以得到沿河谷方向的波长(λ)和振幅(A)。本试验准备了2个不同类型的河道通道，分别为高弯度(HS)和低弯度(LS)河道，其不同参数值见表1。

表1 试验参数

可侵蚀的弯曲河道的制备流程主要包括：①首先将河床压实和平整，然后填满周围的河岸材料，并在预制的木制河道周围压实；②利用SGC构建2个独立的预制木河道，制备2种不同曲度的试验弯曲河道；③在河床和河岸都使用同样类型的沉积物，将其压实平铺后，然后移除预制河道，得到设计的矩形试验河道，且其初始宽度为20cm，深度为5cm。重复同样的程序准备研究所需的2种类型的弯曲河道。

1.2 试验方法

为确保试验结果的通用性，本文采取控制变量法的方式，在2个不同类型的弯曲河道中进行试验，每个河道做2组试验，对每条弯曲河道分别进行不采取控制措施和采取控制措施试验，共计4个试验方案。河道条件分别是高弯度无坝(HS-NG)和有坝(HS-G)的河道，低弯度无坝(LS-NG)和有坝(LS-G)的河道，试验水流情况详见表2。

表2 试验水流条件

由于试验水流部分受河道大小及非黏性沉积物的影响，所以制备较大的弯曲河道难度较高。另外，因为弯曲河道沉积物是非黏性的，若选择较高的流量必定会导致河道受到较快速度的侵蚀，促使本研究缩短试验时间。因此本文首先选取了一种输沙量不超过设计河道的输沙量，并且保证试验在清水条件下进行，试验时间为40min。然后，在对河道采取控制策略时，在试验的前20min可对河道根据流量条件进行调整，即停止水流，当控制对策装置安装完毕后恢复水流流动。在2种河道的4个试验方案中，压力泵向上游储罐提供了0.95L/s的恒定流量，水通过储罐逐渐进入河道入口，研究目标区域如图1所示。

在试验过程中，每20min测量一次水流和河道的各种参数，即:表面流速分布、特定位置的水位和河床地形。表面流场的测定采用平均直径为50μm的聚氯乙烯(PVC)颗粒作为衡量颗粒，同时利用MATLAB软件进行相关分析并且运用激光位移传感器测量河道地形变化情况。

1.3 防波堤的设置

本文的防波堤由三角形部分和矩形部分组成，其中三角形部分是从堤岸顶部向河道倾斜，矩形部分插入堤岸内以防止水流从侧翼绕过结构。挡土墙的尺寸和几何示意图如图2所示。

图2 防波堤构造和几何示意图

与传统的矩形坝相比，本文所提出的防波堤河岸向河道倾斜的坝顶具有最小的水流阻力、较小的紊流和水流安全通过的特点。

2种河道沿外侧河岸的坝身位置如图3所示。

沿外岸线从顶点上游到交叉点或拐点处设置防撞坝，由于河道长度的不同，不同类型的河道中防撞坝的数量也有所不同。试验中上游至顶点处的坝体向上游河岸倾斜1200cm，以保证坝体向下游的顺利流动，而顶点下游的坝体则与岸线成直角放置。在河道调整初期，不同河道的河岸侵蚀形态、位置和程度不同，具体表现为在图3中，t=20min到t=0min之间河道高程的变化。

2 结果与讨论

2.1 河道形态演变

由于水流、泥沙运输和河道平面形态的相互作用，弯曲河道的形态在不断演变。在试验结束(t=40min)到试验开始(t=0min)之间的河道标高差异，所有试验方案的流量均从左向右。如图4所示。

图4中黑色虚线表示原始的河岸线(t=0min)，红色虚线表示河岸线在试验的后20min采取防波堤措施时的变化，其中正值表示沉积，负值表示侵蚀。结果显示在2种河道中，当试验开始时，河岸最低处遭到侵蚀导致河岸物质以块体形式失效，并随水流流走；在后期，河岸根据水流条件进行了调整，所以没有遭到破坏。然而，由于近岸剪应力过大，河道沿河岸特定位置的冲蚀仍在继续，导致河道变宽且LS-NG的侵蚀速率高于HS-NG。高弯度河道(HS-NG和HS-G)与低弯度河道(LS-NG和LS-G)的情况相比，弯曲河道的沉积和侵蚀等特征没有明显变化。这种微小的差异可能是由于HS河道和LS河道的不均匀侵蚀造成的。由于所有泥沙均未从外部提供，所以泥沙输送都必须从河床和河岸物质进行，因此LS-河道侵蚀程度越高沉积物运输就越频繁，导致形成深水坑，进而在对岸形成防波堤。在LS-NG和LS-G 2种情况下，防波堤的形成和深水坑向外滩的迁移导致了更大的侵蚀，而HS-NG和HS-G的深水坑和防波堤规模相对较小，整体侵蚀程度较小。

河道中心线曲率半径(R)与河道宽度(W)之比，表示河道曲线的锋利性或紧密性，是控制曲流河道侵蚀和位移的重要参数。HS河道由于河道较长，R/B值较高，流动过渡平稳，因此HS-NG工况的冲刷较小。在LS-NG工况下，由于LS-NG河道流道较短，R/B比较低导致流场转变较快，所以侵蚀程度较高。以此同时，HS-NG河道侵蚀最大值出现在拐点或交叉区附近，LS-NG河道侵蚀最大值出现在内弯道顶点附近，并逐渐向上游方向偏移。由于侵蚀或河道扩张的程度对水流走向有一定影响，进而决定了防波堤的性能，所以不同河道类型中防波堤的性能不同。与HS-NG河道相比，LS-NG条件下的侵蚀和河道变化程度更均匀、可预测性更强，且河床形态在2种河道中均有向下游迁移的趋势。在此情形下，通过加设防波堤可以帮助在HS和LS河道外河岸顶附近的侵蚀得到控制。具体表现在LS-G条件下，顶端下游的侵蚀量也大大减少，而在HS-G条件下，侵蚀量略有增加。在坝区内冲刷作用最小，但在脱离坝区后，冲刷作用仍在下游继续。在试验过程中，虽然有个别坝顶处出现冲刷现象，但坝顶处整体冲刷并不明显。与LS-NG河道的情形相比，在LS-G条件下的防波堤设置在一定程度上减小了深水坑的大小和外滩的冲刷程度。同时与LS-G条件下的处理方式相比，HS-G条件下在坝体间隙发生了较大的冲蚀。LS-G工况下的深水坑使水流流速度变缓，从而降低了湍流度。

图3 河道位置和河床高度在不同条件下的变化(单位:cm)

图4 河床高程变化(单位:cm)

2.2 侵蚀-沉积体积分析

通过对河道冲淤形态的分析，可以确定河道的输沙特性。试验中所有条件下侵蚀-沉积的体积随时间变化的趋势如图5所示。

根据不同时期实测河床高程的变化，计算各时期间的侵蚀-沉积体积。在给定的水流条件下，由于河道被快速调整，所以在试验的前20min侵蚀量和沉积量都较高。当加设防波堤后，LS-G的侵蚀量显然小于LS-NG条件下的侵蚀量，这表明防波堤能有效地减少河道的侵蚀，增强河道的输运能力。而HS-G情况下的侵蚀-沉积体积变化与HS-NG条件下相比均较小，这表明河道在调整过程中HS河道依旧活跃。

图5 不同条件下侵蚀-沉积体积随时间变化情况

在t=40min到t=20min之间，即实施防波堤后，沿河道中心线和右岸线河道的标高变化。如图6所示。

同样的，河道侵蚀用负值表示，而沉积用正值表示。由图6(a)LS-NG和LS-G的对比结果可知，由于坝体的存在，尤其是坝顶下游的局部冲刷，导致右岸的退化。然而，在图6(b)所示的河道中心线上，由于侵蚀沉积物由河岸向中心运移，导致河道不断堆积。在HS河道中，即使在有防波堤存在的情况下，河道的侵蚀-沉积体积也几乎没有变化。图6(c)沿右岸边线可以发现，在尖部上游出现轻微沉积，在靠近尖部区域出现轻微侵蚀。同时图6(d)显示，沿着河道中心线也能观察到类似的标高变化情况。

2.3 表面速度分布

冲积现象引起的河道平面和河道床层的连续变化在很大程度上影响了纵向和横向的速度分布，与此相反的是速度分布决定了河道的形态演变。本文通过PIV技术对获得的表面速度分布进行分析，确定了河道形态演化过程与河道内速度分布之间的关系，结果如图7所示。

图7显示了HS-G(图7(a)、图7(b))和LS-G(图7(c)、图7(d))2种情况下，实施防波堤前(试验前20min)和实施防波堤后(试验后20min)的表面速度分布。

结果表明，在河道调整之前的20min内，河道内的速度分布基本均匀。河道经过形态变化调整到给定的水流条件后，流速分布也趋于不均匀。但是由于较长的流动路径以及R/B比，HS-G条件下发生了平滑的流动过渡，因此，如图7(a)所示，流速在整个河道断面和河道沿线的分布大致均匀。然而，在2个尖顶之间的拐点处流速稍高，这是由于该地区周围的侵蚀比较严重。同样，在LS-G工况下，如图7(c)所示，在实施防波堤前，高流速集中在内弯道顶点附近，导致该区域附近的侵蚀程度较高。LS河道横向速度分量较高，主要是由于横向速度分量较大，在外侧岸坡附近形成深池，在内侧弯道附近形成防波堤。实施防波堤后，LS-G和HS-G近岸速度均显著降低，如图7(b)、7(d)所示。但除了坝体周围有轻微的偏转外，河道内的速度分布没有明显的变化，尽管坝体周围的速度有所降低，但在脱离防波堤后有明显的增加趋势。

图6 不同时间间隔之间的标高差(单位：cm)

图7 横流实施前后的流速分布(单位：m/s)

3 结论

本文研究了2种不同曲度的可侵蚀弯曲河道中的流动演变、沉积物运输以及河道形态的变化，并提出了一种由堤岸向河道延伸的坡顶改进型护岸对策为后续学者提供理论参考，但是由于本文是基于室内试验和模拟的方式进行相关研究，因此研究结果存在一定局限性。本文具体结论如下：

(1)LS沟道的最大侵蚀发生在内部弯曲顶点附近，而HS沟道的最大侵蚀发生在拐点或交叉区域附近。

(2)低弯道河道由于侵蚀程度较高，形成了明显的深水坑；在河岸侵蚀方面，LS河道在无防波堤的情况下更容易发生侵蚀，从而导致河道的均匀加宽。

(3)防波堤的实施对建筑物附近的水流、泥沙输移和河岸侵蚀均会产生影响。本文所提出的对策在LS河道上作用效果更好。