人工階梯-深潭結構對河床沖刷的試驗研究

王 偉

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

階梯-深潭結構是山區河流中較為常見的地貌形態，是長期發育形成的平衡狀態，具有穩定河床和生態友好等特點[1- 2]。近些年一些小型河流生態修復工程嘗試通過人工引入階梯坎，加大局部水流落差，提高河流地下水與地表水、河流與河岸帶之間的物質和能量交換強度，改善河道生物多樣性，恢復河流自凈能力和生態功能[3- 7]。人工引入階梯坎結構必然對下游河床帶來沖刷，影響河床形態，但這些小型河流上的人工階梯坎高度多數僅有0.5m左右，與普通的攔河閘壩工程相比規模小、結構簡單，國內外對其引起的河床沖刷問題研究非常少[8- 13]。徐江研究了天然河流階梯-深潭發育程度與河道坡度、床沙級配、上游來沙率之間的關系，分析了階梯-深潭系統增加水流阻力、消減水流動能的作用[14]。Endreny等通過水動力學模擬描述了階梯水躍過程，提出在階梯坎下游存在大量潛流交換單元，順向上涌流和逆向上涌流共同作用影響河床形態[15]。為進一步研究人工階梯-深潭結構對河床沖刷強度的影響，為基于人工階梯坎的小型河流生態修復工程提供參考，本文利用水槽試驗觀察了人工階梯-深潭結構的形成過程，分析了不同階梯坎高度及水流條件對下游河床沖刷強度的影響。

1 試驗裝置與方案

1.1 試驗裝置

試驗通過如圖1和圖2所示的循環式水槽裝置完成，水槽長5m，高1.2m，寬0.4m，最大循環流量為70m3/h。選用級配較好的石英砂(d10=0.6mm，d50=1.1mm，d90=1.4mm)作為河床基質，孔隙率為0.38，干密度為1.6g/cm3。水槽中間位置設置人工階梯坎，下游河床厚度為60cm，上游與階梯坎上沿等高。

圖1 試驗系統示意圖

圖2 試驗水槽

1.2 試驗方案

試驗分3組進行，階梯坎高度分別為20、10、5cm，每組試驗依次采用5、10、15、20、25、30m3/h等6個流量運行，共18個工況。每個工況均運行至河床形態穩定，記錄沖刷坑的長度和深度。通過改變階梯坎高度和流量值，分別探討階梯坎高和水流條件對沖刷強度的影響。試驗工況及主要參數見表1。

表1 試驗方案

2 試驗結果與討論

2.1 階梯坎高度對沖刷強度的影響

圖3為不同流量條件下的沖刷坑長度和深度隨階梯坎高度的變化曲線，圖3(a)—(f)的流量分別為5、10、15、20、25、30m3/h。對比可以看出：隨著階梯坎高度的增高，沖刷坑長度和深度均有所增加，但因為階梯坎高度的不同，沖刷坑隨流量的變化表現的趨勢也不相同。在圖3(a)中，流量為5m3/h，當階梯坎高度由5cm增加至10cm時，沖刷坑長度和深度基本不變；但階梯坎高度由10cm增加至20cm時，沖刷坑長度和深度增加較為明顯。與圖3(a)表現的規律相反，圖3(b)—(f)中，階梯坎高度由5cm增加至10cm時，沖刷坑深度的增加較為明顯，其中圖3(f)中流量為30m3/h，沖刷深度增幅達15.2cm；沖刷坑長度則基本不變，流量為30m3/h時，沖刷長度增幅最大，但僅為2cm。

2.2 水流條件對沖刷強度的影響

圖4給出了三組階梯坎高度條件下，不同流量對下游沖刷強度的影響。分析沖刷坑長和坑深的變化，可以看出對于每一組試驗而言，階梯坎高度相同，隨著流量的增大，沖刷坑長度均隨之增加。例如在圖4(a)中，流量為5m3/h時，沖刷長度為27cm，流量為29.3m3/h時，沖刷長度達62cm。當階梯高度一定時，流量對沖刷坑長度的影響較為明顯。沖刷坑長度與流量呈較好的冪函數關系，3組試驗擬合度分別為0.9675、0.9813和0.9669。當流量較小時，沖刷坑長度隨流量的變化較為顯著，隨著流量的繼續增大，沖刷坑長度變化率減小，流量對沖刷坑長度的影響作用有所下降。當階梯坎高度為20cm和10cm時，沖刷坑深度隨流量的增大而增加，兩者呈較好的冪函數關系，擬合度分別為0.9381、0.9892。當階梯坎高度為5cm時，隨著流量的增大，沖刷坑深度反而有所減小，但變化不大。

為了解釋在階梯坎高為5cm時沖刷坑深度與流量變化趨勢相反這一現象，選取了C1、C4、C6、D1、D4、D6等6個工況，觀察并對比沖刷穩定后的水流狀態及沖刷坑形態，如圖5所示。C組試驗照片顯示階梯坎高度為10cm時，隨著流量的增大，沖刷坑深度及長度均有所增加，但沖刷坑形態并未改變；階梯坎高度為5cm時，隨著流量的增大，沖刷坑長度有所增加，但深度變化不明顯，沖刷形態有較大變化。對D1、D4和D6進行對比，可以看出，當階梯坎為5cm時，若流量較小，流速較慢，則水流經過階梯坎時形成的豎直方向沖擊越大，更易增加沖刷坑的深度；而流量較大時則相反，在緊靠階梯坎下游處形成沙粒淤積，使得水流流速在水流方向上分量增大，更易增加水流方向上的沖刷。

3 結語

在小型河流生態修復工程中，人工構建階梯-深潭結構可以提高河流自凈能力，通過研究人工階梯-深潭結構對下游沖刷強度的影響，能為工程實踐提供參考，以避免下游遭受過度沖刷，確保階梯-深潭結構持續穩定發揮作用。本研究表明沖刷強度受河流流量影響較大，在人工階梯坎生態修復中，若河流流量不大，則可以適當增加階梯坎高度。但是，在人工階梯-深潭結構中，影響下游沖刷強度的因素除階梯坎高度和河流流量外，河床級配條件同樣不可忽視。另外由于城市河流的景觀需求，一些工程常用大型卵石、圓木等加大河流局部水力梯度，這些人工階梯-深潭結構引起的河床沖刷問題也有待進一步研究。

圖3 不同階梯坎高對沖刷強度的影響

圖4 不同流量對沖刷強度的影響

圖5 試驗穩定時的水流及沖刷坑形態