弯曲宽浅河段水流运动特性及河道冲淤演变分析

阐述航道弯道整治特征及其方法引言航道的弯曲性河段在我国河流中普遍存在，大多数这样的航道河段出现在山区河流中，但在平原河流中也存在。

这种河段多出现在山区的原因，主要是山区的河床受到地理、地质及河水湍急等因素影响，形成了半径小或者航槽较为狭窄的弯曲性航道。

河道的弯曲处易受到物理因素的作用，导致存在弯道周围岸边出现横断面，使产生的面流指向凹岸。

河底段的水流呈螺旋状，会引起这一河段出现环流、斜流、扫弯水等复杂水流运行情况，加大船舶行驶难度。

在环流作用下，会使凹岸的这面，在水流的冲刷下越来越弯曲，导致半径越来越小，弯曲处对水流的阻力变大，船舶行驶困难，易发生安全事故。

而在汛期，由于水流过大，航道弯曲处容易被河水冲开，发生裁弯取直的现象，造成更大的财产损失。

1、分析航道弯道的水流特性及碍航的特点1.1航道弯道的水流特性我国航道弯曲主要有三种类型：单一型弯曲、连续型弯曲以及分汊型弯曲。

不同弯曲航道造成水流特点不同。

在水流进入弯道后，水流受到惯性作用，向凹岸移动，使顶冲出现在弯道顶点上部。

但是，岸的阻挡会使水流向凸岸流动，这种现象一般延续到弯道的出口处，这样会导致弯道越来越弯曲。

水流在流动时动力轴线是随着不同水流情况变化而变化。

在枯水时期，水流的流线是弯曲的，而在洪水时期，受到强大惯性作用下，水流会离开凹岸流线变直，出现“低水坐弯，高水走直”的现象。

水流经过弯道时，会受到重力、离心力、摩擦力的相互作用，产生横向环流。

我国山区由于河岸多为岩石组成，河道一般呈“V”或者“U”型，容易引起不良的流态，出现泡水现象，导致水面臃高，使船舶航行驶时危险系数增加。

1.2航道弯道的碍航特点在不同弯道水流特点影响下，会造成不同的航碍情况，主要有三种情况，首先由于横向环流的影响，水中含有的泥沙会在凸岸处堆积，造成河道狭窄。

导致在弯道处视线通视不好，船舶在这个区域操作困难，导致事故的频发；其次是在弯道分汊河段，这样的河段一般多为浅滩型，在枯水期时水流较小，一般船舶不能通行。

国外游荡型河流研究介绍（寇怀忠） 2006年12月6日黄河网编辑：宋金凤河道类型通常分为顺直、游荡、分叉与弯曲等4种类型，其中游荡型河流是一种有着独特地貌特征的河流。

自然情况下，河型常常是从弯曲型向分叉型演变的，而游荡河型则是弯曲型与分叉型之间的过渡。

游荡型河道通常会呈现出与分叉的多河槽和弯曲的单一河槽相同的特性，同时更具有特殊的水流能量属性。

游荡型河道的水沙特性错综复杂、岸滩消长和河道游荡频繁多变：游荡型河流挟带着悬移质和床沙质泥沙，泥沙沉积及其输移产生的侵蚀常引起河床糙率在空间上的变化；细沙质常沉积在弯道的内侧，而弯道外侧的侵蚀常发生在粗沙质的地方；河床形态影响着河床糙率，而糙率又会影响流速。

河道横断面的形状也相当复杂，如在弯道中间的最大水深处，河床横剖面有可能是向上凸起的，而不是通常认为的U字型。

河床剖面形态极大地影响着水流场的分布。

次生环流会产生三维水流场，而这个水流场又会被一个复杂的三维扰动所影响。

总之，游荡河流的大量现象及其间的相互作用使得研究、模拟其演进规律变得非常复杂。

作为地理学和地质学的一部分或者河流地貌学的一部分，游荡型河流的研究已有许多年。

研究认为，对特定的河流在坡度、流量和泥沙组合条件下，河流将按照一定的游荡波长和振幅规则发生游荡。

游荡型河流的研究工作比较多，采用的研究技术丰富多样，包括反映物理机理的水流计算模型、物理模型试验、回归统计经验分析及河相特征分析等。

下面，介绍国外在游荡型河流方面近几年的部分研究工作，期望读者能获得管中窥豹之效。

一、河道迁徙预测方法研究从1999年到2003年，在美国国家科学院交通运输研究学会（Transportation Research Board of the National Acdemies）的管理下，完成了河道的摆动预测方法研究(TRB,2003)。

该项目是美国国家高速公路合作研究项目。

项目研究的目的是开发一套实用的方法，预测在与各类交通设施相邻的河道变迁的速度和范围。

弯曲河道冲刷定量计算探索杨忠良【摘要】摘要：以新化资江二桥工程实例探求弯曲河道冲刷的定量计算，说明弯曲河段的冲刷计算与规范采用的顺直河段冲刷计算有着本质的差别，必须采用不同的计算方法。

【期刊名称】铁道标准设计【年(卷),期】2004(000)003【总页数】3【关键词】弯曲河道冲刷；主槽；边滩；清水冲刷；底砂运动在弯曲河道上修建桥梁，第一步进行的就是桥梁的桥渡设计，而桥渡设计的一个关键问题就是在弯曲河段如何进行河床冲刷的定量计算。

关于河床冲刷计算，在工程设计手册《桥渡水文》、《铁路工程水文勘测设计规范》(TB10017-99)、《桥梁水文学》及其他有关桥渡设计的书籍中均要求在桥位上下游顺直河段选择2个以上的水文断面来进行桥渡设计分析计算。

所有书中都避开了一个重要问题：弯曲河道冲刷计算问题。

众所周知，河道水面是连续的，设计水位可根据上下游的2个水文断面及水面纵坡求出桥位的平均水位，再加上弯道水面横坡影响值Δhw[Δhw=±(v2B)/(2gR)],就可得到桥位设计水面线。

而弯曲河道内与上下游水文断面间的河床冲刷线是否也可按照水面纵坡来内插求出？弯道冲刷有没有其特殊性呢？下面以2个具体工程实例来探求弯曲河道冲刷的定量计算方法。

在2001年，我院进行了湖南新化资江二桥(特大桥)的初步设计。

由于新化县经济开发区的地理位置及城市规划的需要，桥头两端接入点已确定，且两端点间距较近，导致特大桥必须在新化资江一桥的上游约1.7 km处的弯曲河段跨越资江。

桥位附近河床横断面特征为：河面主槽宽约200～240 m，地质钻孔资料显示河床表层土为20 cm的中细砂层，其下为30 cm的卵石层，卵石层下为红砂岩(属软质岩)。

左岸为凸岸，宽约240 m，为早期淤积形成的河岸基座阶地发育，为Ⅰ级河漫滩阶地地貌。

右岸为凹岸，为丘陵地貌，基岩(红砂岩)出露。

桥位在河道平面图上处于一个转角85°、半径约600 m的大弯道中部。

第16卷 第12期 中 国 水 运 Vol.16 No.12 2016年 12月 China Water Transport December 2016收稿日期：2016-09-17。

作者简介：吕 平，男，安徽南陵人，硕士，安徽省长江河道管理局工程师，研究方向为河床演变及河道整治工程。

基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项目资助，任务书编号201401063。

长江下游贵池河段汊道演变及冲淤变化分析吕 平（安徽省长江河道管理局，安徽 芜湖 241001）摘 要：贵池河段为长江下游典型分汊河段，本文通过分析河段左、中、右三汊上世纪五十年代以来演变过程，结合三峡工程运行后河段冲淤变化计算情况，对贵池河段三汊演变规律进行深入研究，分析河段发展趋势，为贵池河段的治理工作提供科学参考。

关键词：贵池河段；汊道；演变；冲淤中图分类号：U617 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）12-0208-02一、贵池河段概况贵池河段位于长江下游安徽省境内，上起枞阳新开沟，下迄池州下江口，全长22.4km，为长江中下游典型分汊型河段之一。

江中有长沙洲、凤凰洲、新长洲等，将河段分为左、中、右汊，目前中汊为主汊，2011年7月实测左、中、右三汊分流比分别为38.7％、61.3％、6.3％。

本文根据原型资料，从河段三汊演变和冲淤计算着手，对贵池河段近六十余年来三汊演变规律进行深入研究，结合三峡工程运行后河段冲淤变化计算情况，分析河段发展趋势，为贵池河段的治理工作提供科学参考。

图1 贵池河段平面图二、河段三汊演变分析 1．左汊变化左汊位于长沙洲左侧，弯顶位于殷家沟，进口有新长洲和白荡闸河口边滩，贴左岸有殷家沟深槽，贴右岸有新长洲和长沙洲边滩。

左汊弯曲，江面较宽，1959~1988年间分流比不断增大，由24.6%增大至38.9%。

八十年代以后，左岸马船沟至三百丈一带出现大幅度淤积，左汊分流比开始减少，至2008年分流比降为28.8%。

河道弯曲探析当前主要的河道弯曲成因假说尚不能完美解释河道弯曲的各类现象。

文章根据河流动力学及土力学的基本原理来分析a河道弯曲的形成原因，认为河道弯曲是由地表的高低起伏以及水流对河岸的侧向侵蚀作用与河岸的抗冲能力之间的相互作用引起的，并据此分析了河道弯曲的演变过程，从能量的角度分析了弯曲河段作为消能结构对河道演变的影响及其作用。

标签：河道弯曲原因作用消能结构1河道弯曲的原因根据河流动力学及土力学的基本原理来分析河道弯曲的形成原因，河道弯曲是由地表的高低起伏以及水流对河岸的侧向侵蚀作用与河岸的抗冲能力之间的相互作用引起的。

雨水总是流向附近的洼地，而各处洼地不可能是沿着直线型的，因此当下行水流的冲刷力不足以克服较高的土坡抗冲力的时候，随着雨水越聚越多，水流的向下侵蚀作用及侧向侵蚀作用越来越大，洪流流经的洼地将不断地发展成蜿蜒曲折的河道。

2河道弯曲的演变高低不平的地形经雨水不断的冲刷形成在一定时间内保持一定宽度、深度的蜿蜒曲折的河道，河道的平面形状及断面形式随着河水的冲刷不断变化。

河湾的形成及其演化取决于雨水所冲刷的地形地质及河水的冲刷力，在河湾处，河岸所受的作用与顺直河道不同之处在于河水对弯曲河岸的正面冲刷及环流的影响。

当水流动力对河岸的冲刷力大于河岸的抗冲力时，河岸就会失稳崩塌，泥沙随着河水运动，又由于河湾处存在着环流[2]作用，一部分崩塌下来的泥沙随底部水流淤积到凸岸。

这样，河湾凹岸不断崩塌后退，凸岸边滩不断淤长，逐渐形成更大的河湾。

当河湾遇到很大河水冲刷如洪水的冲刷时，很可能破开河湾发展成顺直新河，这就是自然裁弯。

河流自然裁弯后，新的河弯又向弯曲方向发展，如此不断循环，形成周期性的发展模式。

河道弯曲发展模式如图1所示。

3河道弯曲的作用河水断面平均流速越大对弯曲河岸的正面冲击作用也越大，河水流速与河床坡度大小、沿程阻力等有关。

在图2所示的弯曲河道中，上游河湾入口2-2断面处与河湾出口到3-3断面处有不同的能量构成。

浅析河流弯道水流特点及冲刷深度王志鹏【摘要】自然状态下,由于受到河床、地形地貌等因素的影响,河流会呈现很多种形态.根据河流平面形态将其分为四类:顺直型、分汊型、弯曲型及游荡型.本文重点对弯曲型河流中一种常见的水流形式弯道水流进行研究,分析弯道水流特点、分类、冲刷机理以及冲刷深度计算.【期刊名称】《农业科技与信息》【年(卷),期】2018(000)023【总页数】3页(P123-124,128)【关键词】河流;弯道水流;特点;分类;冲刷深度【作者】王志鹏【作者单位】甘肃省张掖市甘州区水利工程队,甘肃张掖734000【正文语种】中文【中图分类】TV147在河流动力学中，弯道水流特点、分类、冲刷机理及冲刷深度的计算一直是重点研究的方向。

弯道水流的分析将对河流枢纽工程、引水工程以及整治工程的发展具有非常重要的作用，而弯道水流研究方法主要包括确定型和随机型。

确定型方法由于其建模简单、易于分析和计算方便等优点，受大部分学者青睐。

随机型方法是较为符合弯道水流随机性特点的一种方法，随机型方法使用过程中较为复杂、计算模型建立难度大、计算时间较长、研究成本较高。

故本文采用确定型方法，重点分析弯道水流特点、分类、冲刷机理及冲刷深度计算。

1 河流弯道水流分类自然状态下的弯道水流边界条件存在差异，导致弯道中水流运动特性和直道中水流运动特性有着明显差异。

弯道水流中有缓流和急流之分，而弯道也可以分为缓流弯道、急流弯道。

1.1 缓流弯道1.1.1 水面横比降较高所谓弯道水流水面横比降，即水流在直段流入弯段之后会产生离心力，容易破坏自由水面的平衡，从而造成弯道水流形成的凸岸水面要低于凹岸水面形成的横向水面比降，而凹岸与凸岸之间形成的水位差就被称为横向水面超高。

1.1.2 断面环流河流弯道的断面环流是因为弯道水流在横断面上凹岸水面高、凸岸水面低而形成的环形流动形式。

弯道水流受离心力、水冲击力以及压力的影响，再加上水流运动的连续性，导致出现断面水流的现象。

河道水流的基本特性河道水流居高向下、向低处流，走比降大、畅通无阻的路，也就是走直路、近路，总是沿着阻力最小的方向流动，这是河道水流的最基本机理。

一、“水行性曲”剖析“水行性曲”常常被当作对游荡性河流进行弯曲治理的依据之一。

严格的讲，“性曲”只是“水行”的规律，是水体受软硬不均、不均衡的边界条件约束而造成的，并不是水体自身的特性。

水体自身的特性应是在不受边界条件约束或在均衡的边界条件下的状态，无风时的大气边界可视为是均衡的，水体在这样的边界下的运行叫做“飞流直下”，就是瀑布，这也就是说，水体自身的特性是“直”，而不是“曲”。

不能简单的讲“水行性曲”，要透过“行曲”的表象看到“本性走直”的本质，把水体自身的特性与“水行性曲”区别开来。

二、水流走直最基本机理的生动体现由于河道水流的最基本机理是走直，向低处流，要走近路，因此，当环流紊动造成的弯曲导致水流不畅时，就会自然裁弯取直。

河流的自然裁弯取直是河道水流走直最基本机理的生动体现。

“大水走直”是河道水流走直最基本机理的又一生动体现。

“大水走直，小水走弯”是河势演变的一般规律，由于黄河游荡性河道河槽极为宽浅，河槽对水流的约束作用弱，因此在洪水期（大水时）形成的河槽总是顺直的，洪水沿着最大比降方向流动，这就是洪水期河势趋直的原因所在；至于河流的弯曲，则是由于小水期受河床上犬牙交错边滩条件的制约而被迫沿着弯曲的流路流动。

大水动量大，克服了边滩的约束，走直；小水动量小，克服不了边滩的约束，走弯。

如果真的是“水行性曲”，或者是“水性行曲”，那么为什么不“大水走弯”、“瀑布走曲”呢？三、河道水流影响因子重力属性和克氏力属性是河道水流本身所固有的属性；环流弯曲是边界条件的不均衡所致，不是河道水流本身所固有的属性；而河道水流本身所固有的属性中，重力相较于克氏力而言，占据绝对的主导地位，所以说河道水流的最基本机理是走直。

四、黄河下游均是顺直微弯规顺河道黄河下游河道无论是游荡性河段、过渡河段还是所谓的弯曲性河段，包括河口段在内，实际情况均是顺直为主、附以微弯的顺直微弯规顺河道（见表1），这主要是河水走直最基本机理起主导作用和排沙要求河水畅通的结果。

弯曲河道水流结构研究现状探析卢翔;唐仁杰【摘要】弯曲型河流是冲积河流当中最为常见的一种河型,是组成河流的最基本单元,在世界分布很广.对防洪、航运等有重要的影响.弯道水流是指行进在弯曲河道中的水流.由于边界条件的不同,弯道中行进的水流运动特性也与顺直河段中不同.弯道水流运动规律的研究,在河流治理、港口兴建、引水排沙、桥墩防冲以及改善河道航运等方面都得到了广泛的应用.文章对单弯水流特性研究成果进行了归纳分析,并对研究成果相对较少的连续弯道水流特性方面进行了归纳与展望.【期刊名称】《湖南水利水电》【年(卷),期】2011(000)001【总页数】3页(P37-39)【关键词】弯道;连续弯道;水流特性;水流结构;物理模型【作者】卢翔;唐仁杰【作者单位】湖南省水利水电勘测设计研究总院,长沙市,410007;湖南省水利水电勘测设计研究总院,长沙市,410007【正文语种】中文水流进入弯道后，表层水流和底层水流的向心加速度并不相同。

表层水流的向心加速度一般大于底层水流的向心加速度，并且表层水流的速度会大于弯道水流的平均速度，底层水流的平均速度会小于表层水流的平均速度。

这样，表层水流会趋向于背离弯曲中心运动，而底层水流则趋向于向指向弯曲中心运动，从而形成螺旋流。

凹岸的水流指向河底，凸岸的水流指向水面。

螺旋流运动在横断面的投影称为环流，环流是弯道中特有的水力现象。

在自然情况下，平原河流、河网及滨湖河流中常出现多弯相连的情况，多弯相连的河道一般称之为连续弯道，两弯之间的连接部分称之为过渡段。

1 弯曲河道及其水流特性研究概况1.1 弯道横比降当水流进入弯曲河段时，由于离心力的作用，使得凹岸水位抬高，凸岸水位降低，从而造成了水面横比降。

弯道的最大横比降出现在紧靠弯顶断面的附近.随着流程的增加，横比降Jr会逐渐减小，直至弯道出口断面，出口横断面比降Jr仍有一定数值，但在出口处却很小，出弯段后迅速消失［1］。

很多学者对此进行过系统深入的研究。

弯曲型河道挟沙水流运动规律研究进展（张耀先焦爱萍）摘要：弯道水流（包括挟沙水流）运动规律的研究，在水利工程学的许多领域中，占有重要的位置。

本文着重对弯道水流水面横比降、横向环流、纵向垂线平均流速分布规律及弯道输沙特性研究进展进行了阐述分析，以便为生产科研方面服务。

关键词：弯曲型河道；挟沙水流；运动规律1 前言弯曲型河道是冲积平原河流最常见的一种河型，它是由一系列弯道和与之联结的直段组成，其基本特征为河流的中水河床具有蜿蜒曲折的形式，该河型在相当广阔的水文、地理、地质条件范围内，都有可能形成。

一般多出现在河流中下游。

在我国，这种河型分布得十分广泛，如海河流域的南运河，淮河流域的汝河下游和颖河下游，黄河流域的渭河下游，长江流域的汉江下游以及素有“九曲回肠”之称的长江下荆江河段等，都是典型的弯曲型河道。

弯曲型河道若未加控制，河身在演变发展过程中则易过分弯曲，随着河湾的发展，凹岸不断崩塌，大量土地坍入河中，由于河湾阻力加大，比降减少，还（将）会阻滞洪水的宣泄，直接（而且有时还将）威胁城镇和交通线的安全。

不难设想，与坍岸相联系的，也可能出现险工、甚至招致汛期的堤防决口。

（另一方面，）如果通过人为调整，能够使弯道外形成为圆滑适中的弧线，则因为弯道的导流长度大，导流角度变化小，可以使出流方向比较固定，有助于对主流的控制。

在形成弯道以后，通过弯道环流作用，自弯顶下游引水，入渠的多为表层相对较清的水，它可以减少入渠的泥沙量，而在凸岸由于泥沙的淤积淤涨出大片滩地，可资开发利用，河道整治工程的重点也可以集中在弯道凹岸。

由于在自然河流中，河水中常常挟带有大量的泥沙，（而且绝大部分的）河床及河岸也（往往）是由泥沙构成的。

因此，无论从除害或兴利的观点出发，都需对弯曲型河道挟沙水流的运动规律进行分析研究，这样才能在改造大自然的过程中充分掌握主动。

弯曲型河道的挟沙水流运动有其自身的特点，由于弯道的存在，水流发生弯曲，这样的水流受到重力和离心惯性力的双重作用而形成弯道环流（图1(b)、(c)），其等压面不是水平的，而是与重力和离心惯性力的合力相垂直，因而水流沿横向呈曲线变化，凹岸一侧的水位恒高于凸岸一侧，这一力学现象决定了弯道水流结构的特点。