发布时间：2021-06-26所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要:弯曲河道的水沙运动一直是河流研究者十分关注的课题之一，关系到河道演变与治理。重点概述了单一弯道与连续弯道水沙运动国内外研究进展，梳理了弯曲河道的水面比降、纵横向流速分布、悬移质泥沙及推移质泥沙的运动特性。分析结果表明:以往研究大多是基
摘要:弯曲河道的水沙运动一直是河流研究者十分关注的课题之一，关系到河道演变与治理。重点概述了单一弯道与连续弯道水沙运动国内外研究进展，梳理了弯曲河道的水面比降、纵横向流速分布、悬移质泥沙及推移质泥沙的运动特性。分析结果表明:以往研究大多是基于相对平衡的水沙条件与尺度相对较小的自然河流情况下取得的成果，针对水沙过程发生较大变化尤其是来沙大幅度减少的大尺度河流的弯曲河道水沙运动规律研究较少，限制了对减沙条件下大尺度弯曲河道演变规律的深入认识。因此，需要在前人研究基础上开展变化环境下弯曲河道水沙运动特性的研究，为进一步深入研究弯道演变规律与治理提供基础。
关键词:水利工程;弯曲河流;水沙运动;弯道环流;横向输沙
0引言
弯曲河道广泛分布于自然界的大小河流中，然而，不同曲率的弯道所引起的利害有差异。一般而言，适度弯曲的河道能顺导水流，稳定水势，有利于防洪、航运及岸线利用;过度弯曲的河道会使水流阻力增大，水势多变，河势不稳，影响洪水宣泄与堤岸稳定，不利航运发展与岸线利用。开展弯曲相关河道研究可为弯曲河道的治理、港口兴建、引水防沙、改善航运等方面提供重要的参考价值。而弯曲河道的形成、演变与其水沙运动、边界条件密切相关。认识弯曲河道水流与泥沙运动规律是揭示弯曲河道形成机制与演变规律的基础。关于弯曲河道水沙运动的研究由来已久，取得了大量的研究成果。近些年来，国内外众多学者对弯曲河道水沙运动的研究又有了新的进展，进一步提升了我们对弯曲河道水沙运动规律的认识。但考虑到自然界弯曲河道形态的多样性、尺度的差异性及边界条件的复杂性，天然弯曲河道的水沙运动规律仍有诸多问题需要进一步研究。因此，笔者系统概述了弯曲河道水沙运动的研究成果，指出研究存在的问题，而这些问题也是下一步研究工作应当予以考虑的方向。
1弯道水流运动特性研究进展
1.1水面横比降
当水流由弯道进口流至弯道出口时，受到弯道的作用，弯道凹岸水位有所提高，弯道凸岸水位有所降低，造成弯曲河道水面横比降。以往学者对此进行了大量研究:刘焕芳[1]通过分析弯道断面横比降的分布规律，发现弯道断面横比降的大小与断面所处位置有关，并结合弯道中心角及弯道轴线半径通过试验数据验证得出全弯道水面横比降分布公式;孙东坡等[2]、张红武[3]基于立动力平衡方程，假设弯道底部横向摩阻力不存在，以弯道二元恒定流为例，推导出弯道水面横比降分布公式;王平义等[4]通过研究发现，弯曲河道凹岸凸岸流速分布存在差异，因此，不同区域水面横比降存在差异，应按弯道区域分布推导各区域水面横比降;许光祥等[5]、童思陈等[6]认为，弯道任一断面横比降与弯顶横比降存在联系，并通过概化模型试验研究不同弯道条件下弯顶位置横比降变化，从而分析不同位置弯道横比降的变化特性，并推导出弯道横比降的分布公式。在天然弯曲河道和试验观测中发现，不同位置弯曲河道水面横比降存在差异，弯曲河道最大水面横比降出现的位置与水位变化有关，水流动量随水位升高而变大，最大弯曲河道水面横比降随之增大。由此看来，天然弯曲河道中水面横比降还受河道断面及水沙过程的影响。在以往的研究当中，对于河道断面形状及水沙过程的综合影响考虑较少，在未来的弯道水面横比降的研究中应当考虑以上两个因素的影响。
1.2水流纵向流速分布
弯道水流纵向垂线流速分布是弯道水流特性研究的重要内容，是研究弯曲河道横向环流、螺旋流、泥沙运动的基础。以往学者采取河道原型资料观测分析、数值模拟及理论分析、水槽及物理模型试验等研究方法，对弯曲河道水流运动特性进行了大量研究。如罗索夫斯基[7]推导出的纵向流速分布公式为后人研究提供了参考，由于忽略了水流的能量耗散，在粗糙和光滑床面其计算值和实测值偏差较明显;刘焕芳[8]在考虑横向流速对水流影响的前提下，基于弯道水流的连续方程和边界条件推导出流速分布公式，随着河道边界条件沿程发生变化，该公式计算受到限制;王韦等[9]基于谢才公式和水面超高公式，分析矩形断面弯道纵向流速分布特性，进一步推导出弯曲河道纵向流速分布公式，该公式适用于弯道任一位置;M.N.ABHARI等[10]利用SSIIM数学模型及1个90°矩形断面弯道水槽，对弯道水流的流态及纵向流速分布进行了分析，结果表明，弯曲河道产生的二次流对流速的分布产生影响，断面最大流速位置从弯道进口沿凸岸内壁运动，至弯道1/3处开始向凹岸摆动。弯曲河道横向环流对弯道纵向流速分布存在影响，在以往研究中对此考虑较少。弯曲河道纵向流速分布公式的验证多采用室内水槽试验，河道断面多为矩形，天然河道断面形态复杂且不断变化，由此推导出的弯曲河道纵向流速分布公式在计算天然弯曲河道纵向流速分布时存在一定误差。在未来研究中可采用类似天然弯道的断面水槽试验，通过非线性模型考虑横向环流的影响，运用更多的天然实测资料进行检验，特别是随着河道治理及大型水利工程兴建后新的水沙条件下的实测资料检验，以此来提高其推导公式的科学性。
1.3弯道环流
在弯曲河道中，流体经过弯道时存在横向环流(图1)。横向环流指河道中“上层流体”流向凹岸，“下层流体”流向凸岸的运动特性。弯曲河道的横向环流和纵向流速相互结合引起流体的螺旋运动。
国内外学者对弯曲河道的环流运动开展了大量研究工作，如波达夫公式[11]、Engelund公式[12]、Odgaard公式[13]、张耀先公式[14]。哈岸英等[15]基于罗素夫斯基试验数据对以往研究成果进行了验证，研究发现，在近壁区，罗索夫斯基公式计算结果与实际相比相差较大，计算精度难以满足要求;Engelund公式在推导过程中考虑边界条件与实际相差较大，致使公式与实际情况相比存在较大差异;Odgaard公式根据经验，采用“环流可近似为线性分布”的假设，在实际计算中，适用范围较小;张耀先公式考虑了近壁区对数型公式的限制，但在粗糙床面，环流分布所受影响难以反映。随着水沙条件改变，不少学者对已有公式进行了改进:如宋志尧[16]通过分析罗索夫斯基公式，假定近床处流速为零且河床底部不可滑动，认为水面横比降为变量，推导出弯曲河道环流公式，该公式在实际应用中在水流表层及底部计算结果存在误差;1975年，N.I.MAKAVEYVEV[17]研究发现，在天然大尺度宽浅河流中，横向环流作用较小，即在宽浅型河道中纵向水流的作用大于横向环流;马淼等[18]通过采用U型弯道，考虑在小宽深比条件下研究了弯道环流强度分布，并结合当前研究得出，弯道最大环流强度出现在弯道弯曲度1/3处;E.C.D.JAMIESON等[19]利用室内梯形断面135°弯道水槽模型，研究了在弯道不同位置布置不同丁坝类型的倒钩对弯道水流结构的影响，研究表明，倒钩的类型影响弯曲河道的环流结构及二次流产生的位置，与传统弯道相比，倒钩可以改变水流结构，改变水流对河岸冲刷及泥沙落淤的位置;M.VAGHEFI等[20]利用矩形断面180°弯道水槽模型，分析了弯道最大流速分布特性，结果表明，最大流速出现在5%及95%h(水深)两个位置，且近床及近水面最大流速沿弯道凸岸分布至弯道出口，向凹岸摆动，该模型忽略了水槽断面对水流结构的影响。通过以往学者对于不同尺度弯曲河道的研究，笔者发现:弯道环流对泥沙运动影响的作用强度存在差异;在变化环境下，水体含沙量大幅度减少，弯道环流对泥沙运动的作用认识尚不清晰。
2弯曲河道泥沙运动特性研究进展
2.1悬移质泥沙运动
弯曲河道悬移质运动是影响河床演变的重要因素。在弯曲河道中存在横向输沙，由悬移质运动造成的泥沙横向输移受悬移质含沙量及横向流速的分布特性影响。悬移质泥沙通过弯道时受到横向环流的影响。在河道底部，悬移质泥沙由凹岸向凸岸运动，弯曲河道凸岸不断淤积，凹岸不断冲刷，出现“凹冲凸淤”的演变特性。李志威等[21]认为，上下部横向泥沙输移的分界点为横向流速为零的位置，并结合悬移质含沙量公式及环流流速公式推导出弯曲河道横向泥沙输移公式，该公式反映了横向输沙的不平衡性及上部泥沙输移小于下部泥沙输移的特性;范小黎等[22]基于黄河宁蒙河段原型观测资料，分析了弯曲河道悬移质输沙率及输沙率公式的系数在天然弯曲河道中的影响因素，该研究为分析弯曲河道泥沙输移提供了数据支撑;卢金友等[23]研究发现，在河工模型中，弯曲河道悬移质运动特性的影响因素主要为模型变率、弯道曲率半径及宽深比，该研究提高了河工模型的精确性，丰富了河工模型模拟技术。天然弯道的水沙条件是不断变化的，但总体输沙条件相对平衡。基于此类输沙相对平衡条件下的输沙公式难以适应非平衡输沙条件，研究者们还需进一步探索水沙和边界条件变化下的弯曲河道挟沙力和横向输沙率公式的适应条件。
2.2推移质泥沙运动
研究推移质泥沙运动时，采用的研究方法多为运动现象描述、运动机制分析、泥沙颗粒受力分析及原型和实验室观测，进一步推导出推移质泥沙的起动和输移公式并进行验证。1984年，G.PARK[24]在分析以往学者研究推移质输沙率公式的基础上，考虑弯曲河道横向环流和水面横比降的作用，建立了推移质泥沙横向输移的通用方程，并认为当推移质泥沙横向输沙率为零时，横向力出现平衡;王洪杨等[25]基于下荆江河段原型观测资料分析，发现弯曲河道推移质泥沙的横向输移存在两种方式，分别为异岸输移和同岸输移，且输移分布呈带状;G.H.MATHES[26]、J.FRIEDKIN[27]在研究弯曲河道推移质泥沙横向输移的两种方式中，发现同岸输移所占比例远大于异岸输移;李志威等[28]系统总结了弯曲河道推移质运动的同岸输移大于异岸输移、成带性、形成横向底坡及床沙横向分选4个典型规律并归纳了以往学者推导的推移质横向输沙强度公式，研究了推移质泥沙横向输移强度的影响因素;姚仕明等[29]从力学角度出发，考虑弯曲河道横向环流的作用，推导出弯曲河道推移质泥沙的起动流速公式，并发现泥沙起动粒径和泥沙输移速率在相同条件下，凹岸大于顺直河段;毛佩郁等[30]结合工程实测资料，发现在其它因素相同时，弯曲河道冲深大于顺直河道冲深，这也表明泥沙颗粒在弯道段更易起动;韩其为等[31]对弯道边壁泥沙起动做了较深入的分析，建立了较清晰的物理图形，考虑了5种力，并较全面地分析了各种力的作用，推导出了最一般条件下包括粗、细泥沙在河床上不同位置的起动流速公式;X.K.WANG等[32]利用中心角为180°的矩形断面U型水槽，在槽底铺设中值粒径为1.60mm的材料模拟泥沙，对小宽深比(B/H)下弯道泥沙运动特性进行分析，结果表明，在刚性平面河床上凹岸水位始终高于凸岸水位，在铺设材料的河床，这种现象减弱，弯道二次流在弯道上端呈增加趋势，在弯道60°达到最大值，随后呈减少趋势发展，在弯道165°达到最小值，槽底材料在60°和165°位置的凸岸落淤最多，凹岸冲刷最多，该研究表明，弯曲河道二次流对推移质运动产生影响，在二次流强度出现峰值的位置，泥沙颗粒在弯道的起动和沉降受影响最大;M.VAGHEFI等[33]通过SSIIM数学模型，模拟了不同曲率下，在弯道凹岸设置T型丁坝工况下的泥沙运动特性，通过控制弯道半径R与河道宽度B的值控制曲率变化，随R/B增大，河道底沙在丁坝上游起动，随之在丁坝下游凸岸落淤，泥沙起动量与落淤量与R/B的大小有关，该研究为弯曲河道设置丁坝后的泥沙运动特性提供了参考，但该模型采用的是90°单一规则弯道，与自然条件下弯曲河道存在差异。
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由于缺乏充足的天然实测资料，且泥沙起动难以观测，以往学者对于推移质泥沙输移公式及泥沙起动公式的推导多以理论分析和经验为主，在实际应用中适用性和概括性不强，对于弯曲河道泥沙颗粒起动至今尚未得到一致性的认识。以往学者对于推移质输沙的研究多为通过小尺度河流及室内实验室研究，对于来沙减少条件下的大尺度河流的推移质输沙研究相对较少。三峡建库后，坝下游来沙条件发生显著变化，推移质输沙对河床演变影响增大。三峡水库蓄水运用后，下游河段水沙关系发生变化，对于弯曲河段推移质泥沙输移及预报的研究较少，是未来学者应该考虑的一个研究方向。
3连续弯道水沙运动特性研究进展
3.1连续弯道水流运动特性
在以往的弯道水流研究中，多以采用一个弯道进行研究，天然河道一般由多个弯道和过渡段组成，且相邻弯道之间存在影响。因此，选择连续弯道进行研究更能掌握天然弯曲河流的水沙及演变特性。芮德繁[34]通过利用κ-ε模型结合VOF和Eulerian两相流模型对连续弯道环流进行了数值模拟，发现水流在两个相邻弯道运动时，后弯道环流运动强度较前弯道弱，且方向相反，随水流沿弯道运动，前弯道环流受后弯道环流托举作用，后弯道底部环流逐渐增强至出口处与前弯段相当;H.SUGIYAMA等[35]采用ASM模拟了复合弯曲河道中的湍流结构，并与激光多普勒流速仪测量的结果进行了对比分析，结果表明，ASM模拟复合弯曲河流的湍流流动精确度较高;H.JING等[36]通过利用RSM模拟复合弯曲河流中的湍流结构，并对比分析不同工况条件下床面切应力和弯道环流的变化特性，发现模拟结果能够精确反映实际变化特性，RSM能够预测复杂的复合弯曲河流中的湍流运动;吴华莉等[37]采用正弦派生曲线生成的连续弯道进行模型试验研究，发现纵向时均流速在不同区域分布特性不同且沿程和沿河宽不断变化，凸岸处与凹岸处相比较大，最大流速点的位置在过渡段和弯道段不同。在边界条件一致时，弯道横向环流强度与来流量和水深密切相关:如胡旭跃等[38]通过数值分析探讨了不同长度的过渡段对连接连续弯曲河道后弯水流的影响，研究发现过渡段对前弯产生的剩余环流强度有消减作用，一定范围内，过渡段越长，消减作用越明显，当过渡段超过某一定值时，前弯的剩余环流强度基本不会对后弯环流强度造成影响。在连续弯道中，确定弯道和中心角后，找出过渡段临界值对航道整治具有重要实用价值:如D.TERMIN等[39]通过采用正弦派生曲线生成的3个110°连续矩形断面水槽，研究了不同宽深比(B/H)下，弯道断面横向环流的运动特性，研究结果表明，随B/H增大，最大螺旋强度向凹岸移动;吕岁菊等[40]通过SIMPLEC算法模拟了黄河沙坡头河段的三维水流流场，分析了天然连续弯道中的纵向、横向流速分布;余明辉等[41]基于前人研究，通过实测资料分析，修正了大型水利工程修建后，下游弯曲河道水流动力轴线弯曲半径计算公式;覃莲超等[42]在张植堂等[43]研究基础上修正了弯曲河段水流动力轴线弯曲半径的数学表达式，并建立了适合荆江河段的水流动力轴线弯曲半径公式。以往大多试验采取水槽、定床及数学模拟进行研究，对试验结果的真实性影响较大，下一步可采用动床与原型观测相结合的方法来提高试验结果的科学性。连续弯道由于曲率和弯角有限，横向环流发展不充分，以往研究对此注意得较少。
3.2连续弯道泥沙运动特性
以往研究单一弯道时略去了上下游河道形态的影响，对于反应天然河道水沙特性的真实状况具有一定的局限性。天然弯曲河道大多是由一系列的河湾组成，任一单独河湾的水沙特性不仅与本身的形态和河床边界有关，同时还受上下游弯道的影响。由于连续弯道泥沙运动的复杂性，研究成果较少。在当前的研究中发现，连续弯道在横向环流作用下存在泥沙横向输移，输移方式为异岸输移和同岸输移;连续弯道推移质泥沙输移分布呈带状，根据泥沙颗粒粒径的不同可分为3条沙带，颗粒较大沙带位于凸岸处，颗粒较细沙带位于弯道中心线附近偏凹岸处，颗粒最细沙带靠近凸岸边缘;主输沙带输沙量较大但占河宽比例较小且在弯道不同区域存在差异，主输沙带从弯道进口凸岸位置开始运动至弯道弯顶位置稍下方斜穿到下一弯道凸岸重新开始分选。景何仿等[44]基于黄河沙坡头连续弯曲河道原型观测资料分析，发现在弯曲河道一定区域内，弯曲河道水流挟沙力受流速影响较大，一般呈正相关关系发展，为以后研究天然连续弯曲河道水沙运动提供了基础;刘鹏飞等[45]基于2005年下荆江连续弯曲河道地形资料开展推移质泥沙输移概化模型试验，试验结果表明，推移质泥沙运动特性与弯道类型相关，不同弯道，推移质泥沙运动轨迹不同，连续弯曲河道过渡段的长度和弯道曲率半径的大小决定推移质泥沙的输移方式;周建银[46]通过模型试验对细颗粒泥沙在连续弯道中输移方式及连续弯道河床演变的分析方法开展了研究，对边界约束和絮凝的作用进行了分析，进一步提高了对天然连续弯道的水沙运动及河床演变的模拟技术及精确性。天然弯曲河道泥沙运动极其复杂，目前由于缺乏比较好的仪器设备监测泥沙在河道中的运动状态，目前的试验研究多停留在对实验现象的描述，根据经验对试验结果进行判断，很少得出统一的规律。因此，对于大尺度的天然连续弯道的泥沙运动需要加强研究。
4结语与展望
通过系统梳理以往学者对弯道水沙运动的研究，发现以往学者在弯曲河道水沙运动的基本问题研究有了长足发展，例如弯道水面横比降、纵向流速、弯道环流和泥沙运动特性等。但是鉴于泥沙问题本身的复杂性，以往关于弯曲河道水沙特性的研究仍存在一些不足:如对连续弯道水沙运动的研究及试验成果的验证多采用水槽、定床及数值模拟试验，动床及大尺度河流原型观测数据较少，影响试验结果的科学性;对弯曲河道细颗粒泥沙黏性问题认识尚不一致;弯道泥沙起动流速公式多为半经验半理论性质;缺乏详细可靠的实验资料(实验室及天然资料)给予充分验证;在连续弯道中推移质和悬移质的运动规律尚不明确;目前的水沙数学模型难以很好地模拟弯曲河道水沙运动的三维性，实体模型中还不能做到充分的相似，实验方法还不够完善。为了更加全面的认识弯曲河道水沙运动特性并较好解决存在的问题，未来应加强以下几个方面的研究:加强大尺度天然弯曲河道的原型观测与分析;系统开展来沙减少条件下弯曲河道水沙运动特性研究;考虑河道底部的横向与纵向变形对水沙运动特性的影响研究;改进弯曲河道河流模拟方法与技术。——论文作者：姚仕明1，赵占超2，渠庚1，庄灵光3
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