一种山区河道卵石滩间联动关系的检测方法

技术领域

本发明属于山区河道卵石滩整治领域，特别涉及一种测试山区河道卵石滩间联动关系的 方法。

背景技术

山区河流具有坡陡流急，集流散流过程迅速，洪水猛涨猛落，水位、流量变化幅度大以 及水流挟沙能力变化急剧等特点。通常，山区河流的河谷狭窄弯曲，两岸的岩石因风化而破 碎，因此构成山区河流河床的床沙多为砾石、卵石挟沙物质，床沙颗粒粗、级配分布宽。这 种宽级配床沙中的一部分在水流作用下，沿床面滑动、滚动或在近床面跃移而形成推移质， 随着水流动力条件的变化，卵石推移质常形成形式多样的卵石滩(见图1)。例如，如长江的 宜宾—重庆段全长340km左右，若按照Ⅰ级航道要求，宜宾—重庆段中的叙渝河段共有68 个滩险，其中包括急滩和险滩有9个、卵石滩59个。卵石滩的存在制约着河床形态的演变， 而且会对山区河流航道的正常通行造成严重的不利影响。

随着航运需求的不断增加，山区河流航道卵石滩整治问题变得极为突出。目前，在山区 河流航道的卵石滩整治实践中，针对单一的卵石滩常常采用挖滩、丁坝、锁坝等工程技术进 行航槽整治。而工程实践表明，对单一卵石滩整治后，虽然单一卵石滩阻碍航道的问题能够 得以解决，但可能会加快与该卵石滩相邻的卵石滩的演变，出现卵石滩不稳定和淤积加重的 现象，导致卵石滩整治的整体效果不理想，甚至达不到整治效果。这主要是因为卵石滩的形 成机理复杂，上下游卵石滩之间相互制约，相邻卵石滩之间可能存在相互联动效应，而针对 单一卵石滩进行整治则忽略了相邻卵石滩之间的联动影响。例如，2006年采用整治单一卵石 滩的方式整治长江上游的斗笠子卵石滩后，由于整治后其出口输沙路径的改变，导致其下游 东溪口的左边滩的淤积加快和加重，严重挤占航道。卵石滩整治是一项大量耗费人力、物力 和财力的航道维护措施，若单一卵石滩整治后引起相邻的上游或下游卵石滩的淤积现象加重， 这不但会造成人力、物力的严重浪费，而且其上游或下游卵石滩淤积现象的加重会再次影响 航道的正常通行，从而需要再次甚至多次反复整治，导致整治成本十分高昂。基于卵石滩整 治的现状，开发出一种测试山区河道卵石滩间的联动关系的方法，在卵石滩整治前预先测试 待整治的卵石滩与其相邻的卵石滩之间是否存在联动关系，对于确定山区河流卵石滩的整治 方案具有重要的指导意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种山区河道卵石滩间联动关系的检测方法，以在卵石滩整治前对 待整治的卵石滩与其相邻卵石滩之间的联动关系进行预先评估，从而指导卵石滩整治方案的 确定。

本发明所述山区河道卵石滩间联动关系的检测方法，步骤如下：

(1)以待进行卵石滩整治的实际河段为原型，构建第一物理模型，所述待进行卵石滩整 治的实际河段中包括待整治卵石滩、至少一个与该待整治卵石滩相邻的卵石滩，所述第一物 理模型中含有与实际河段中卵石滩的位置和形态相似的卵石滩；

(2)向第一物理模型中引入不同流量的水流，当水流稳定后测量并记录不同流量条件下 第一物理模型中与待整治卵石滩相邻的各卵石滩中间断面的水位和水深，由式(1)计算不同 流量条件下与待整治卵石滩相邻的各卵石滩中间断面卵石颗粒的临界起动流速；

$\frac{U_c}{\sqrt{\mathrm{gd}}}=1.47{\left(\frac{h}{d}\right)}^{1/6}---\left(1\right)$

式(1)中，U_c为卵石滩中间断面的卵石颗粒的临界起动流速，g为重力加速度，h为卵 石滩中间断面的水深，d为卵石滩的卵石颗粒的平均粒径；

(3)移除第一物理模型中的待整治卵石滩形成第二物理模型，然后按照步骤(2)中的 流量向第二物理模型中引入水流，当水流稳定后测量并记录第二物理模型中不同流量条件下 与待整治卵石滩相邻的各卵石滩的中间断面的水位和水深，由式(1)计算不同流量下与待整 治卵石滩相邻的卵石滩中间断面的卵石颗粒的临界起动流速；

(4)将步骤(2)和步骤(3)所得与待整治卵石滩相邻的各卵石滩中间断面的卵石颗粒 的临界起动流速、中间断面的水位分别进行比较：

若步骤(3)所得与待整治卵石滩相邻的卵石滩中间断面的卵石颗粒的临界起动流速小于 步骤(2)所得与待整治卵石滩相邻的卵石滩中间断面的卵石颗粒的临界起动流速，且步骤(3) 中测量的与待整治卵石滩相邻的卵石滩中间断面的水位低于步骤(2)中测量的与待整治卵石 滩相邻的卵石滩中间断面的水位，则该卵石滩与待移除的卵石滩之间存在联动关系；

若步骤(3)所得与待整治卵石滩相邻的卵石滩中间断面的卵石颗粒的临界起动流速大于 或等于步骤(2)所得与待整治卵石滩相邻的卵石滩中间断面的卵石颗粒的临界起动流速，则 则该卵石滩与待移除的卵石滩之间不存在联动关系；

若步骤(3)所得与待整治卵石滩相邻的卵石滩中间断面的卵石颗粒的临界起动流速小于 步骤(2)所得与待整治卵石滩相邻的卵石滩中间断面的卵石颗粒的临界起动流速，且步骤(3) 中测量的与待整治卵石滩相邻的卵石滩中间断面的水位等于或高于步骤(2)中测量的与待整 治卵石滩相邻的卵石滩中间断面的水位，则该卵石滩与待移除的卵石滩之间不存在联动关系。

上述方法中，所述第一物理模型与实际河段的比尺以模型试验相似条件为依据进行选取 所述模型试验相似条件参见吴持恭，水力学(第四版，下册)，北京：高等教育出版社， pp327-346。

上述方法中，步骤(1)在构建第一物理模型时，首先构建不包括卵石滩的物理模型，然 后根据实际河段中卵石滩的位置和形态在所述理模型中采用卵石颗粒堆积形成卵石滩或者向 所述物理模型中引入含卵石颗粒的水流累积形成卵石滩。由于通过向不含卵石滩的物理模型 中引入含卵石颗粒的水流累积形成卵石滩的方式形成的卵石滩的位置和形态与真实河段中卵 石滩的位置和形态的接近程度更高，因此，优选采用该方法形成卵石滩。步骤(1)中，采用 向不包括卵石滩的物理模型中引入含卵石颗粒的水流形成卵石滩时，含沙水流的流量根据实 际河段的流量按照第一物理模型与实际河段的比尺缩小得到。

上述方法的步骤(1)中，所述卵石颗粒的粒径根据实际河段中卵石颗粒粒径按照第一物 理模型与实际河段的比尺缩小得到。

上述方法的步骤(2)和(3)中至少测定三个不同流量下各卵石滩中间断面处的水位和 水深数据。

上述方法的步骤(2)和(3)中，水流流量根据实际河段的流量按照第一物理模型与实 际河段的比尺缩小得到。

上述方法中，所述实际河段的流量数据可通过查阅该实际河段的水文资料获得，在没有 该实际河段水文资料的情况下，通过实际测量该实际河段的水文资料获得。

上述方法中，所述山区河道卵石滩间联动关系是指在卵石滩整治时，待整治的卵石滩与 其相邻的卵石滩之间的关联关系，若移除待治理的卵石滩后，引起了与其相邻的卵石滩的位 置以及累积情况的变化，则它们之间存在联动关系，若移除待治理的卵石滩后，未引起与其 相邻的卵石滩的位置及累积情况的变化，则它们之间不存在联动关系。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种山区河道卵石滩间联动关系的检测方法，由于该方法能够检测出待 整治的卵石滩与其相邻卵石滩之间是否存在联动关系，因此在实际卵石滩整治前，通过本发 明所述方法对拟进行整治的卵石滩与其相邻卵石滩之间的联动关系进行预先测试，有助于确 定后续的卵石滩整治方案，从而避免直接针对单一卵石滩整治后可能出现的整治效果差和整 治成本高的问题。

2、本发明所述方法不但能够为卵石滩的整治提供指导，辅助确定针对性更好的卵石滩整 治方案，从而使得存在联动关系的卵石滩的整治效果长久可靠，而且还能够用于揭示卵石河 床演变规律。

3、本发明所述方法操作简单，并且能快速准确地反映拟进行整治的卵石滩与其相邻的卵 石滩之间是否存在联动关系。

附图说明

图1为山区河道卵石滩的照片，其中(a)图、(b)图是两种山区河道卵石滩的照片；

图2为实施例1、2中构建的第一物理模型的照片及其中的卵石滩的形状和位置示意图， 图中I—上游卵石滩，II—中游卵石滩，III—下游卵石滩；

图3为实施例1中的第二物理模型的照片及其中的卵石滩的形状和位置示意图，图中I —上游卵石滩，III—下游卵石滩；

图4为实施例1中移除中游卵石滩前后的水位—流量关系图，其中(a)图、(b)图分别 表示8和2号断面的水位—流量关系图；

图5为实施例1中移除中游卵石滩前后的临界起动流速—流量关系图，其中(a)图、(b) 图分别表示8和2号断面的临界起动流速—流量关系图；

图6为实施例2中的第二物理模型的照片及其中的卵石滩的形状和位置示意图，图中I —上游卵石滩，II—中游卵石滩；

图7为实施例2中移除下游卵石滩前后的水位-流量关系图，其中(a)图、(b)图分别 表示8、5和2号断面的水位-流量关系图；

图8为实施例2中移除下游卵石滩前后的临界起动流速—流量关系图，其中(a)图、(b) 图分别表示8、5和2号断面的临界起动流速—流量关系图。

具体实施方式

以下通过实施例并结合附图对本发明所述山区河道卵石滩间联动关系的检测方法作进一 步说明。

实施例1

本实施例中，所述山区河道卵石滩间联动关系的检测方法步骤如下：

(1)以都江堰上游某段天然河道作为待进行卵石滩整治的对象，该段天然河道中包括三 个卵石滩。以上述的实际河段为原型，首先修建不包括卵石滩的物理模型，该物理模型与实 际河段的比尺为1:20，然后向该不含卵石滩的物理模型中引入含卵石颗粒(粒径为2～4mm) 的水流，引入的含沙水流的流量是根据实际河段的流量按照物理模型与实际河段的比尺进行 缩小得到的，引入的含沙水流中的卵石颗粒最终累积形成与实际河段中位置和形态相似的三 个卵石滩，该含有卵石滩的物理模型即为第一物理模型，第一物理模型的照片如图2所示， 物理模型中基点高程为2m。标记出第一物理模型中三个卵石滩—上游卵石滩I、中游卵石滩 II和下游卵石滩III的中间横断面位置，分别为图2中的8号、5号和2号断面，以中游卵石 滩作为待整治卵石滩，检测中游卵石滩与其相邻的上游卵石滩和下游卵石滩之间的联动关系。

(2)按照表1中的流量，从第一物理模型的上游向第一物理模型引入不同流量的水流， 待第一理模型中的水流稳定后，测量并记录在各流量条件下与中游卵石滩相邻的上游卵石滩 的中间断面—8号断面和下游卵石滩的中间断面—2号断面的水位Z和水深h，水深测量结果 如表1所示，以流量Q为横坐标、水位为纵坐标作图，得到8号断面和2号断面的水位—流 量关系图，如图4所示，图4(a)为8号断面的水位—流量关系图、图4(b)为2号断面的 水位—流量关系图。

表1移除中游卵石滩前的流量和水深数据

根据表1中的水深数据由式(1)计算在不同水流流量下8号断面和2号断面的卵石颗粒 的临界起动流速，然后以流量为横坐标、临界起动流速纵坐标作图，得到8号断面和2号断 面的卵石颗粒的临界起动流速—流量关系图，如图5所示，图5(a)为8号断面的临界起动 流速—流量关系图、图5(b)为2号断面的临界起动流速—流量关系图。

$\frac{U_c}{\sqrt{\mathrm{gd}}}=1.47{\left(\frac{h}{d}\right)}^{1/6}---\left(1\right)$

式(1)中，U_c为卵石滩中间断面的卵石颗粒的临界起动流速，g为重力加速度，h为卵 石滩中间断面的水深，d为卵石颗粒的平均粒径。

(3)移除第一物理模型中的中游卵石滩形成第二物理模型，第二物理模型的照片如图3 所示，然后按照表2中的流量，从第二物理模型的上游端向第二物理模型中引入不同流量的 水流，待第二物理模型中的水流稳定后，测量并记录在各流量条件下8号断面和2号断面的 水位Z和水深h，水深测量结果如表2所示，以流量为横坐标、水位为纵坐标作图，得到8 号断面和2号断面的水位—流量关系图，如图4所示，图4(a)为8号断面的水位—流量关 系图、图4(b)为2号断面水位—流量关系图。

表2移除中游卵石滩后的流量和水深数据

根据表2中的水深数据由式(1)计算在不同流量下2号和8号断面的卵石颗粒的临界起 动流速，然后以流量为横坐标、临界起动流速纵坐标作图，得到8号断面和2号断面卵石颗 粒的临界起动流速—流量关系图，如图5所示，图5(a)为8号断面的临界起动流速—流量 关系图、图5(b)为2号断面的临界起动流速—流量关系图。

(4)由图5可知，与移除中游卵石滩前相比，移除中游卵石滩后，8号和2号断面的卵 石颗粒的临界起动流速U_c未发生变化，说明中游卵石滩与其相邻的上游卵石滩之间不存在联 动关系，中游卵石滩与其相邻的下游卵石滩之间也不存在联动关系。同时，在试验过程中发 现在移除中游卵石滩后，上游卵石滩和下游卵石滩的位置没有发生移动，这也与上述联动关 系的检测结果是一致的。

通过本实施例可知，在对上述都江堰上游某段天然河道进行卵石滩整治时，若以中游的 卵石滩作为整治对象，可不必考虑中游卵石滩与其相邻的上游及下游卵石滩之间的联动影响， 单独整治中游卵石滩不会改变与其相邻的卵石滩的运动情况。

实施例2

本实施例中，所述山区河道卵石滩间联动关系的检测方法步骤如下：

(1)以都江堰上游某段天然河道作为待进行卵石滩整治的对象，该段天然河道中包括三 个卵石滩。以上述的实际河段为原型，首先修建不包括卵石滩的物理模型，该物理模型与实 际河段的比尺为1:20，然后向该不含卵石滩的物理模型中引入含卵石颗粒(粒径为2～4mm) 的水流，引入的含沙水流的流量是根据实际河段的流量按照物理模型与实际河段的比尺进行 缩小得到的，引入的含沙水流中的卵石颗粒最终累积形成与实际河段中位置和形态相似的三 个卵石滩，该含有卵石滩的物理模型即为第一物理模型，第一物理模型的照片如图2所示， 物理模型中基点高程为2m。标记出第一物理模型中三个卵石滩—上游卵石滩I、中游卵石滩 II和下游卵石滩III的中间横断面位置，分别为图2中的8号、5号和2号断面，以下游卵石 滩作为待整治卵石滩，检测下游卵石滩与其相邻的中游卵石滩之间的联动关系。

(2)按照表3中的流量，从第一物理模型的上游向第一物理模型引入不同流量的水流， 待第一物理模型中的水流稳定后，测量并记录在各流量条件下与下游卵石滩相邻的5号断面 的水位Z和水深h，为了了解下游卵石滩的移除是否会对上游卵石滩造成影响，在测量5号 断面的水位Z和水深h的同时也测量和记录8号断面的水位Z和水深h，水深测量结果如表3 所示，以流量Q为横坐标、水位为纵坐标作图，得到5号断面和8号断面的水位-流量关系图， 如图7所示，其中图7(a)为5号断面的水位-流量关系图、图7(b)为8号断面的水位-流 量关系图。

表3移除下游卵石滩前的流量和水深数据

根据表3中的水深数据由式(1)计算在不同流量下5号和8号断面的卵石颗粒的临界起 动流速，然后以流量为横坐标、临界起动流速为纵坐标作图，得到5号和8号断面卵石颗粒 的临界起动流速—流量关系图，如图8所示，图8(a)为5号断面的临界起动流速—流量关 系图、图8(b)为8号断面的临界起动流速—流量关系图。

$\frac{U_c}{\sqrt{\mathrm{gd}}}=1.47{\left(\frac{h}{d}\right)}^{1/6}---\left(1\right)$

式(1)中，U_c为卵石滩中间断面的卵石颗粒的临界起动流速，g为重力加速度，h为卵 石滩中间断面的水深，d为卵石颗粒的平均粒径。

(3)移除第一物理模型中的下游卵石滩形成第二物理模型，第二物理模型的照片如图6 所示，然后按照表4中的流量，从第二物理模型的上游端向第二物理模型中引入不同流量的 水流，待第二物理模型中的水流稳定后，测量并记录在各流量条件下5号断面和8号断面的 水位Z和水深h，水深测量结果如表4所示，以流量为横坐标、水位为纵坐标作图，得到5 号和8号断面的水位—流量关系图，如图7所示，图7(a)为5号断面的水位—流量关系图、 图7(b)为8号断面的水位—流量关系图。

表4移除下游卵石滩后的流量和水深数据

根据表4中的水深数据由式(1)计算在不同流量下5号和8号断面的卵石颗粒的临界起 动流速，然后以流量为横坐标、临界起动流速纵坐标作图，得到5号断面和8号断面卵石颗 粒的临界起动流速—流量关系图，如图8所示，图8(a)为5号断面的临界起动流速—流量 关系图、图8(b)为8号断面的临界起动流速—流量关系图。

(4)由图8(a)可知，与移除下游卵石滩前相比，移除下游卵石滩后，5号断面的卵石 颗粒的临界起动流速U_c明显减小，并且由图7(a)可知，5号断面的水位明显降低，说明下 游卵石滩与其相邻的中游卵石滩之间存在联动关系。同时，在试验中观察发现在移除下游卵 石滩后，中游卵石滩向下游方向发生了移动，这与上述联动关系的检测结果是一致的。

由图8(b)和图7(b)可知，与移除下游卵石滩前相比，移除下游卵石滩后，8号断面 的卵石颗粒的临界起动流速U_c减小，8号断面的水位也有所降低，并且在试验中观察发现在 移除下游卵石滩后，上游卵石滩的位置也向下游方向发生了移动，只是移动没有中游卵石滩 明显，这是由于移除下游卵石滩造成了中游卵石滩的移动，而中游卵石滩的移动又对上游卵 石滩造成了影响。

通过本实施例可知，在对上述都江堰上游某段天然河道进行卵石滩整治时，若以下游的 卵石滩作为整治对象，由于下游卵石滩的移除会引起中游卵石滩和上游卵石滩不稳定，因此 必须考虑下游卵石滩与其相邻的中游卵石滩之间的联动影响，不能单独整治下游卵石滩。