基于泥沙起動的長江世業洲西南角河床沖淤研究

竇 臻 張增發 杭建國

（江蘇省鎮江市長江河道管理處 江蘇 鎮江 212003）

1 基本情況

1.1 河段概況

長江鎮（江）揚（州）河段位于江蘇省境內，上承南京河段，下接揚中河段，全長73.7km，自上而下由儀征水道、世業洲汊道、六圩彎道、和暢洲汊道和大港彎道組成。世業洲汊道自泗源溝至瓜洲渡口，長24.7km，右汊為主汊；左汊為支汊。西南角岸段位于世業洲頭右緣，全長約4.6km。

1.2 基本水情

近三年除2010年外長江來水總體不大。2008、2009、2010年長江大通站最大流量 分 別 為 48600m3/s、45100m3/s和65700m3/s，鎮江站最高潮位分別為6.95m、6.80m和8.02m（吳淞高程），大通站流量達45000m3/s（鎮揚河造床流量）以上天數分別為18天、1天和92天。

2 河床沖淤變化特征

2010年10月對西南角局部岸段（CS26～CS32）實施汛后監測，并將測圖與2007、2006、2005年水下地形進行平面和斷面套比分析（見圖1）。

套比表明，2005年以來已建護岸內▽0m線后退1.5m～26m，岸坡刷深0.8m～7.5m；▽-5m線后退2m～31m，岸坡刷深1.6m～3.4m；已建護岸外側▽-10m深槽線向近岸推進40m～50m。斷面上表現為深泓向近岸逼進，河床底部變化不大。

總體而言，近期西南角河床變化不大。主要沖淤變化為：2007年10月至2010年10月間▽-10m以上岸坡沖刷明顯，一般沖深1m～7.5m，而▽-10m以下河床變化不大（見圖1）。分析沖刷主要為2010年汛期長江較大來水較長時間作用所致，但▽-10m以上岸坡沖刷、以下河床變化不大的斷面沖淤特征需進一步分析原因。

3 沖淤特征形成原因分析

河床斷面形態的形成為水流和河床相互作用下產生的沖淤變形[1]，據此從泥沙起動角度分析斷面沖淤特征形成原因。國內外對泥沙起動的相關研究[2-11]較多，但因問題本身的復雜性，迄今泥沙起動的判別標準問題并未完全解決，因此各家從不同角度考慮形成了眾多泥沙起動流速公式。基于何文社的研究[8]考慮因素較全面且相關參數獲得容易、公式計算簡便，因此選用其起動流速上、下限公式進行計算：

3.1 泥沙、水流及地形資料的選用

長江為天然河流，床沙組成不均勻，但因平原地區沖積河流床沙粒配范圍較窄，主體部分粒徑差異很小，因此近似作為均勻沙。根據勘察資料[11]，近岸床沙代表粒徑選用中值粒徑d50=0.067mm、深泓部位選用d50=0.075mm，水深和流速選用2009年 5月、2010年 4月、2010年 8月世業洲世右斷面（位于西南角）水文測驗資料，水下地形選用2010年10月測圖。

3.2 泥沙起動與河床沖淤的關系

對3個年份的水文測驗世右斷面3條典型垂線處床沙計算起動流速（見表1），將2009年5月與2010年4月以及2010年4月與2010年8月實測世右水文測驗斷面套比分析。

套比分析表明，世右斷面2009年5月至2010年4月間河床沖淤變化不大，沖淤幅度在1.0m以內。2010年4月至2010年8月間，V6#垂線左側河床（▽-15m以上淺灘部位）表現為沖刷，刷深0.8m～1.9m，其右側河床（▽-15m以下深槽部位）表現為淤積，淤高1.5m～4.7m。

由表1看出，2009年5月、2010年4月兩次水文測驗中實測V1、V6#、V7#三條代表垂線平均流速與計算的起動流速上限VC上值相比大都相對較小（2010年4月實測V6#的Vm也僅比計算VC上值高出10%）。因此僅從床沙起動角度分析，水流流速超過床沙起動流速的幅度尚不夠明顯，因此在期間河床沖淤變化不大。

而2010年8月實測的V1#與V6#垂線平均流速超過計算的起動流速VC上相對較多（分別達35%、17%），因此這兩條垂線間河床在2010年4月至8月間表現為較明顯的沖刷，而V7#（V1#至V8#間）實測垂線平均流速與床沙起動流速VC上基本相當（僅高5%），因此該區域深槽部位河床變化在此期間表現為淤積。

綜上，床沙起動流速大小與水深、泥沙粒徑等具有密切關系。泥沙粒徑相同情況下，在一定時段內，長江來水量大，水流流速大于床沙起動流速一定尺度時，則該時段內河床通常表現為沖刷，反之河床表現為淤積或變化不大，因此可以說河床斷面的沖淤形態與床沙起動密切相關。

3.3 斷面沖淤特征驗證分析

針對西南角岸段河床▽-10m以上沖刷明顯、以下變化不大的斷面沖淤特征，采用竇國仁的公式[10]

表1 世業洲右汊（世右）斷面河床泥沙起動流速計算表

驗證分析，計算世右斷面V1#垂線處河床在不同水深下的起動流速（見表2），根據實測資料點繪起動流速及實測垂線平均流速與水深的關系曲線（見圖2）。

表2可見，世業洲右緣西南角▽-11.8m高程（汛期水深約15m～17m）以上河床，實測垂線平均流速（1.10m/s～1.17m/s）大于相應部位的床沙起動流速，而▽-11.8m以下河床隨著水深增加，床沙起動所需流速也隨之增加，實測垂線平均流速（1.06m/s～1.09m/s）小于起動流速。

圖2可見，世右斷面實測垂線平均流速與起動流速線在水深16.5m左右（河床高程位于▽-11.8m左右）相交，交點左側實測垂線平均流速均高于床沙起動流速，右側均低于起動流速。相對而言，在相同水流條件下，該岸段大約▽-10m以上岸坡床沙更易起動，即岸坡表現為沖刷后退，而▽-10m以下河床則因流速原因較少床沙起動，即表現為沖淤變化不大，此乃2010年汛期該岸段河床斷面沖淤特征形成的主要原因。

表2 起動流速與水深關系計算表

4 結論

(1)長江汛期和枯水期流量存在一定變幅，水深和流速分布隨之發生變化，床沙起動所需流速大小也相應不同，導致同一河床部位在不同時期形成不同的沖淤狀態。同時同一斷面近岸和深泓處河床水深、流速分布不同，床沙粒徑也存在差異，則床沙起動所需流速不同，導致同一時期同一斷面河床的不同部位發生不同的沖淤變化，如世業洲西南角岸段河床沖淤特征的形成。

（2）世業洲西南角岸段堤外江灘狹窄，▽-10m以上岸坡受沖使局部堤防外坡腳形成陡坎，對防汛安全不利，建議采取拋石護腳工程措施治理。陜西水利

[1]張瑞瑾，河流泥沙動力學[M].北京:中國水利水電出版社.1998.5.

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[3]聶銳華，劉興年，曹叔尤等.無粘性泥沙起動對比條件研究[J].水科學進展，2004，15(5)：584-587.

[4]王濤，劉興年等.非均勻沙起動流速研究與比較[J].四川大學學報（工程科學版）.2008,40(1):15-20.

[5]陳媛兒，謝鑒衡.非均勻沙起動規律初探[J].武漢水利電力學院學報.1988(3).

[6]秦榮昱.不均勻沙的起動規律[J].泥沙研究.復刊號.1980.

[7][蘇]培什金著.河道整治.謝鑒衡,胡孝淵譯[M]北京：中國工業出版社，1965.

[8]何文社,方鐸等.泥沙起動流速研究[J].水利學報,2002(10):0051-0056.

[9]唐存本.泥沙起動規律[J].水利學報.1963（2）.

[10]竇國仁.論泥沙起動流速[J].水利學報.1960（4）.

[11]鎮江市工程勘測設計研究院.長江鎮揚河段世業洲先鋒段、洲尾段巖土工程勘察報告[R].2006年10月.