CN108520132A - 一种河段阻隔性特征识别及阻隔程度分类的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水利工程技术领域，公开了一种河段阻隔性特征识别及阻隔程度分类方法，阻隔性河段内河相系数小于4的断面连续长度至少为3200m，不同水位下各断面河相系数标准差均小于15；阻隔性河段河岸的上层黏性土临界挂空长度不超过下层砂性土冲退距离，岸坡总体稳定性较高，不会发生单侧或双侧大幅度崩岸。对于非阻隔性向阻隔性转化的过渡性河段，采取整治措施消除破坏阻隔性的原因，可能塑造出阻隔性河段效果；对于阻隔性向非阻隔性转化的过渡性河段，防止不利变化导致阻隔性丧失；对于非阻隔性河段之间的长河段，河道治理宜从上至下进行系统规划整治，保证上、下游河势平顺衔接；对于阻隔性河段，防止人为工程破坏河道天然阻隔性。

Description

一种河段阻隔性特征识别及阻隔程度分类的方法

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，尤其涉及一种河段阻隔性特征识别及阻隔程度分类的方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：长江是我国第一大河，区域地位优越，是我国唯一贯通东、中、西部的水路交通运输大通道。如何对长江中下游干流河段进行全面综合治理，使有利河势得到有效控制，不利河势得到全面改善，形成河势及岸线稳定，泄流通畅，航道、港域、水生态环境优良的河道，是当前长江中下游河道治理中亟需解决的问题。建国以来，已对长江中下游河道危及堤防安全的崩岸段和河势变化剧烈的险段进行了系统治理。在治理河道的同时开展了较为深入的河道演变分析，这些分析成果丰富了对河势调整规律及成因的认识。其中，不少研究学者认识到上游河势调整是下游河道演变的重要原因之一，且这种河势调整的传播影响范围可能包括下游相当长河段，与其它演变影响因素相比，上游河势条件有时可能是更为重要的影响因素。但也有部分学者认为，上游河势调整并不会一直向下游传播，存在部分河段能够阻隔这种传播效应，从而将上游河势调整的影响局限于某一区间内。长江中下游河道具有分汊河道与单一河道交错分布的特点，上游分汊河道河势调整后，是否会通过单一河道继续向下游传播，对长河段河势稳定意义重大。阻隔性河段的存在能够将长河段划分成若干区域，每个区域内部的河势调整不会影响至下游河段，这使得河道整治目标相对单一、治理对策相对简单。因此，通过系统梳理长江中下游长河段长时段的实测演变资料，剖析河势调整的传递及阻隔要素，明确阻隔性河段的定义、特征，对丰富和完善河流地貌动力调整理论、认清河势调整的受阻传导规律具有重要意义；深入辨析不同河段的阻隔性程度的差异，因地制宜地采取不同的整治措施，对河势变化趋势进行合理预测，进而使河势控导工程达到预期效果，对长江中下游河道治理具有十分重要的理论及实践价值。

综上所述，现有技术存在的问题是：在阻隔性与非阻隔性河段的相互转化过程，并非一蹴而就地完成，而是循序渐进地过渡，可见转化过程中应存在中间环节，仅仅分阻隔性与非阻隔性河段两类展开研究，不利于深入对河段阻隔性程度的变化规律及作用机理的理解，也限制了对阻隔性与非阻隔性之间的过渡性河段的河势调控方法的理论研究及实践应用。一些由阻隔性向非阻隔性转化的过渡型河段，若未抓住有利时机对凹岸大幅崩退、凸岸滩体大幅度萎缩等不利转化现象进行及时控制，可能导致河道变得宽浅，原有的阻隔性逐渐丧失，因此应对这种变化及时采取预防性措施；一些由非阻隔性向阻隔性转化的过渡型河段，针对破坏阻隔性的原因，采取恰当整治措施予以消除，如对崩岸剧烈的凹岸岸线及时守护、对河段中上部存在的挑流节点采取削咀等措施、束窄河宽以限制宽广河漫滩的发展、对弯颈过于狭窄的河段实施人工裁弯、对床沙质粒径过细的河段进行河底加糙等等，则可能塑造出阻隔性河段效果，形成优良的具有阻隔性的天然窄深河道，避免人为实施河道整治工程后，对水环境水生态带来破坏和损失。可见，研究从阻隔性河段与非阻隔性之间的过渡型河段的重要性是不言而喻的，但现有成果恰恰缺少这一环节。现有成果对阻隔性河段的平面、断面、纵剖面、河床物质组成等特征进行了系统总结归纳，但忽视对进口节点挑流导致河段阻隔性丧失的作用机理分析；缺少对表征横断面形态特征的河相系数随水位升降的变化规律及沿程变化规律展开分析；缺少采用科学方法来判别河岸是否发生崩塌，进而对主流能否大幅摆动、河势能否剧烈变迁，以及阻隔性能否长期维持等进行辨析。可见，目前对阻隔性河段特征的阐述也不完善，从而影响了对深泓平面摆动的影响因素的全面总结，进而难以科学系统地对不同阻隔性程度的河段进行分类。

解决上述技术问题的难度和意义：

事实上，在河势调整的受阻传导过程中，上游河势调整后，下游河势随之发生动力调整的强度有所差异，将其动力响应程度按“强→弱”进行排列，可分为“增强→不变→衰减→阻断”几种类型。一方面，不同阻隔性程度的河段，影响其深泓摆动的主导性控制要素不同，有些河岸地质条件较差的河段，河岸物质组成特征是主要控制要素，如碾子湾、马鞍山河段；有些进口有节点的河段，节点挑流在多年深泓摆动和河势变迁过程中发挥决定性作用，如阳逻、界牌河段；有些因断面形态过于宽浅，导致深泓摆动空间过于宽广，如周公堤、石头关、武穴河段。上述主导控制要素在河势调整受阻传导过程中的作用机理如何，不同传导状态(不同阻隔性程度)下主导控制要素临界值如何确定，划分各传导状态的综合判别指标如何选取等，是技术问题的难点之一。另一方面，上游河势调整在向下游传播过程中，随着距离的延长和能量的耗散必然，导致对上游河势调整的传播强度逐渐减小直至消弭，耗散主要与距离远近有关；而阻隔性河段对河势调整的削弱或阻断作用是间断性的，衰减程度因河段阻隔程度各异而具有不确定性，因此从河势调整的沿程自然衰减过程中，区分出不同阻隔程度河段的阻隔作用，是技术问题的第二个难点。再者，年内年际间水沙条件各异，从河道全局性的自然演变过程中，分割出阻隔性河段特有的独立演变过程，是技术问题的第三个难点。正是阻隔性河段的存在，导致各河段对调整的响应形式是非连续的，从而使上游河势调整的影响范围和程度存在差异，河道最终的表现形态也千差万别。因此，本次对河段阻隔性程度分类方法的研究，对丰富完善河流地貌的受阻传导理论、全面揭示一定时空尺度下河势调整的受阻传导机理具有重要意义；在大江大河的保护、治理和开发领域具有广泛的应用前景和极大的现实意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种河段阻隔性特征识别及阻隔程度分类方法。

本发明是这样实现的，首先对阻隔性河段的节点分布特征、河相系数变化特征、河岸稳定性特征等进行分析计算和总结完善，完善阻隔性河段特征，并提炼出影响深泓摆动的控制性要素；其次，建立多年实测的某一河段深泓摆动距离与深泓摆动限制指标的经验关系，根据该河段的摆动、约束指标和阻隔性指标等成果，对该河段的阻隔性程度进行划分。

阻隔性河段的节点分布特征是这样研究的：考虑到单侧节点分布于河段中上部时，将破坏本河段平、断面形态的连续性，引起水流动力轴线弯曲半径大小的突变；上游河势调整后，随着入流动力轴线的角度、与节点贴靠程度发生变化，节点挑流强度变化，导致出流动力轴线方向大幅度改变。由于节点挑流作用机理类似于丁坝，借鉴丁坝头部的分离旋涡及其诱导流速计算方法，以及从地形图上量取的节点突出岸线长度与平滩河宽的比值，计算出节点头部最大绕流流速、旋涡诱导流速、节点影响相对河宽、节点挑流能等指标随着流量增加的变化情况，进而分析不同流量级下的节点挑流前后的断面流速分布变化情况，从而阐明阻隔性河段的节点分布特征和作用机理。

阻隔性河段的河相系数变化特征是这样研究的：考虑到同一河段的不同断面的河槽形态之间也存在显著差异，特定断面的河槽形态难以代表整个河段的平均河槽形态特征，而河段阻隔性的发挥需要通过一系列连续的具有约束主流摆动能力的断面来实现。因此阻隔性河段应该断面形态单一且窄深，不同水位下平均河相系数始终小于某一值，从而排除部分断面随着水位上涨而河相系数骤然变大、河道突然扩宽、主流摆动空间突然增大的现象；同时，窄深型断面形态必须能够维持足够长的距离，仅有局部范围内的断面窄深是不够的，主流线尚未有效集中之前即进入下游宽浅断面，从而难以充分归顺上游不同方向的来流。采用数理统计方法，计算河段内部各个断面在不同水位条件下的河相系数标准差，发现长江中游非阻隔性河段的河相系数的标准差存在大于15的断面，且河相系数小于4的断面平均连续长度为2160m，最大连续长度3020m；而阻隔性河段沿程各断面的河相系数的标准差均不存在大于15的断面，且河相系数小于4的断面平均连续长度6780m，最小连续长度为3256m。可见，若形成阻隔性河段以有效约束主流线摆动，需要河相系数小于4的断面连续长度至少达到3200m。

阻隔性河段的河岸稳定性特征是这样研究的：通过对长江中游天然岸坡地质结构进行分类总结，根据其多为二元结构的特点，选用Fukuoka方法判别岸坡稳定性。根据实验成果确定黏性土抗拉强度及砂性土临界切应力，根据估算的近岸流速确定近岸水流切应力，采用Lane临界切应力推求河宽的方法获得砂性土冲刷后退距离，将其与上层黏性土的临界挂空长度相比较，从而判断河岸是否发生崩坍并估算河岸崩退距离。该方法计算的崩岸险段与实测崩岸险段吻合程度较好。阻隔性河段的左岸和右岸下层砂性土的总体崩退距离小于0，不会发生单侧或双侧大幅度崩岸，河岸总体稳定性好。

进一步，根据总结完善的阻隔性河段特征，提炼出深泓摆动的影响因素包括：漫滩临界流量及持续时长、进口深泓摆动相对位移、节点挑流强度、河道宽深比、河漫滩相对宽度、希尔兹数。借鉴钱宁划分河型时采用的游荡指标模式，建立历次深泓摆动距离与深泓摆动限制指标的经验关系，明确摆动指标及约束指标，对长江中下游单一河段的阻隔性程度进行分类：将27个单一河段划分为4个阻隔性河段；5个阻隔性向非阻隔性转化的过渡型河段；10个非阻隔性向阻隔性转化的过渡型河段；8个非阻隔性河段。对于非阻隔性向阻隔性转化的过渡性河段，消除破坏阻隔性的原因，塑造出阻隔性河段效果；对于阻隔性向非阻隔性转化的过渡性河段，维护原有的阻隔性河段特征，防止不利变化导致阻隔性丧失；对于非阻隔性河段之间的长河段，河道治理从上至下进行系统规划整治，上、下游河势平顺衔接；对于阻隔性河段，防止人为工程破坏河道天然阻隔性。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

1、阻隔性河段的节点分布特征效果。节点挑流幅度与节点入流角度有关；节点挑流强度与节点挑流影响范围内的水体动量、节点束窄河宽程度以及物质组成抗冲性有关。借鉴丁坝旋涡诱导流速计算模式，分析节点挑流前后断面流速分布的变化情况。结果表明，不同节点，节点长度相对于河宽越大、抗冲性越强，则最大绕流流速及受旋涡影响的诱导流速越大、节点相对影响宽度越大，挑流强度越大。同一节点，随着流量增加，绕流流速及诱导流速增加，挑流强度增强。

2、阻隔性河段的河相系数变化特征效果。以碾子湾作为非阻隔性河段的河相系数标准差存在大于15的断面的代表河段，以斗湖堤作为阻隔性河段的河相系数标准差均小于15的代表河段。沿程来看斗湖堤河段的河相系数标准差均小于15，仅有进、出口部分断面因河底高程较高，在低水位时出现较大的河相系数标准差，但仍小于15；而碾子湾河段大部分断面的河床高程较高，断面形态宽浅，过渡段中部的#荆99-4断面的河相系数标准差大于15，且#荆98-1的河相系数标准差也较大。

石首、碾子湾、大马洲、铁铺、螺山、石头关、沌口、武桥、阳逻、湖广、巴河、武穴河段的河相系数的标准差存在大于15的断面，且其河相系数均大于4，初步认为具有非阻隔性特征；剩余河段沿程各断面的河相系数的标准差均不存在大于15的断面，且其河相系数均小于4，初步认为具有阻隔性特征。石首、碾子湾、大马洲、铁铺、螺山、石头关、沌口、武桥、阳逻、湖广、巴河、武穴等河段的河相系数小于4的断面平均连续长度为2160m，最大连续长度3020m。而斗湖堤、调关、塔市驿、砖桥、反咀、龙口、汉金关、黄石、搁排矶等河段的河相系数小于4的断面平均连续长度6780m，最小连续长度为3256m。可见，若形成阻隔性河段以有效约束主流线摆动，需要河相系数小于4的断面连续长度至少达到3200m。

3、阻隔性河段的河岸稳定性特征效果。长江中游干流河岸的岸坡粘粒含量与塑性指数、含水量及凝聚力均呈正比例关系。河岸抗冲性综合参数与各断面平滩河宽的反比例关系，说明河岸抗冲性是决定河道宽度的首要因素。对沙市～湖口共27个单一河段的上层黏性土临界挂空长度、下层砂性土冲刷后退距离进行计算。从左岸崩岸情况来看，石首、碾子湾、河口、莱家铺、大马洲、铁铺、七弓岭河段均存在较长岸线非黏性土冲刷后退距离远大于黏性土的临界挂空长度，导致严重崩岸的发生；斗湖堤、调关、砖桥、反咀河段仅有局部岸线发生崩岸，其他部位岸线稳定性较好；塔市驿河段的非黏性土冲退距离始终小于黏性土挂空长度而无崩岸发生。从右岸崩岸情况来看，斗湖堤、石首、碾子湾、大马洲、铁铺、七弓岭河段的非黏性土冲退距离远大于黏性土临界挂空长度的崩岸连续范围较长；河口、调关、莱家铺、反咀河段仅有局部岸线的非黏性土冲退距离大于黏性土挂空长度，其他部位岸线稳定性较好；塔市驿、砖桥河段进口局部岸线的崩退距离较小，岸线整体稳定性较好。阳逻、湖广、巴河、武穴、九江河段均存在较长岸线非黏性土冲刷后退距离远大于黏性土的临界挂空长度，导致严重崩岸的发生；石头关、汉金关、簰洲湾、牯牛沙河段也存在一定范围的连续崩岸，但非黏性土冲退距离仅略大于黏性土挂空长度，因此崩退距离较小；搁排矶崩岸范围很小；龙口、黄石河段则无崩岸发生。从右岸崩岸情况来看，螺山、武桥、巴河、牯牛沙、九江河段的非黏性土冲退距离远大于黏性土临界挂空长度且崩岸连续范围较长；石头关、汉金关、簰洲湾、黄石河段仅有局部岸线的非黏性土冲退距离大于黏性土挂空长度，崩岸持续范围较短或崩退距离较小；阳逻、湖广、搁排矶河段仅进口存在局部崩岸，对岸线整体稳定影响有限；龙口、沌口、武穴无显著崩岸发生。

4、不同河段阻隔性程度的分类效果。对于荆江河段，铁铺、大马洲、碾子湾河段的深泓摆动相对距离最大，其深泓摆动指标高达0.96，而边界约束指标仅为0.60，说明主流摆动效应占主导地位，河道自身边界条件难以有效约束主流摆动，为非阻隔性河段；河口、七弓岭、石首、莱家铺河段的深泓摆动距离次之，摆动指标平均为0.88，约束指标平均为0.77，说明主流摆动效应仍然占主导地位，但边界约束条件有所增强，当上游河势或来流条件发生有利变化，使摆动条件减弱时，在一定程度上可能维持主流位置稳定，因而为非阻隔性向阻隔性转化的过渡型河段；斗湖堤、调关、砖桥、反咀河段的摆动指标平均为0.82，约束指标平均为0.92，边界条件对主流摆动的约束效应进一步增强，但当上游河势或来流条件发生不利变化，使摆动条件增强时，边界条件可能无法维持主流位置稳定，因而为阻隔性向非阻隔转化的过渡型河段；塔市驿河段的摆动指标为0.75，约束指标为0.99，河道边界约束效应已占主导地位，即便摆动条件增强，河道自身边界条件依然能够维持主流稳定，因而为阻隔性河段。

对于城陵矶～汉口河段，螺山、沌口、武桥的平均深泓摆动指标高达0.96，而边界约束指标仅为0.62，为非阻隔性河段；石头关、簰洲湾河段的摆动指标平均为0.91，而约束指标平均为0.83，为非阻隔性河段向阻隔性河段转化的过渡型河段；龙口河段的摆动指标为0.86，约束指标为0.95，为阻隔性河段可能向非阻隔转化的过渡性河段；汉金关河段的摆动指标为0.85，约束指标为0.99，为阻隔性河段。对于汉口～湖口河段，武穴、巴河的深泓摆动指标高达0.99，而边界约束指标仅为0.53，为非阻隔性河段；湖广、牯牛沙、九江、阳逻河段的摆动指标平均为0.92，而约束指标平均为0.76，为非阻隔性河段向阻隔性河段转化的过渡型河段；黄石、搁排矶河段的摆动指标平均为0.87，约束指标平均为0.96，为阻隔性河段。

综上所述，将长江中游27个单一河段按照其阻隔性程度划分为塔市驿、汉金关、黄石、搁排矶等4个阻隔性河段，斗湖堤、调关、砖桥、反咀、龙口等5个阻隔性向非阻隔性转化的过渡型河段；石首、河口、莱家铺、七弓岭、石头关、簰洲湾、阳逻、湖广、牯牛沙、九江等10个非阻隔性向阻隔性转化的过渡型河段；碾子湾、大马洲、铁铺、螺山、沌口、武桥、巴河、武穴等8个非阻隔性河段。在河道治理过程中，一方面应维护河道已有的阻隔性，发挥天然河道阻隔性在稳定河势、维持输沙平衡过程中的作用，防止不利因素破坏河道阻隔性；另一方面，应因势利导将非阻隔性河段向阻隔性河段转化，塑造更多阻隔性效果，从而有利于维持长河段河势稳定。本次分类方法简明扼要、成果实用性强，在其他大江大河的河道治理过程中，也可以借鉴该方法对不同河段的阻隔性程度进行分类，相应的河道整治方法可以直接应用于该阻隔程度的河段的河势控导及治理实践中。

附图说明

图1是本发明实施例提供的河段阻隔性特征识别及阻隔程度分类方法流程图。

图2是本发明实施例提供的河段阻隔性识别方法框架图。

图3是本发明实施提供的典型断面的河床冲刷与水位下降、平滩河宽变化与'0'm线河宽变化、水位流量关系变化的示意图。

图4是本发明实施提供的各河段断面冲深与水位下降值、平滩河宽与'0'm线河宽的关系。

图5是本发明实施提供的各水文站悬移质含沙量与床沙中值粒径的关系。

图6是本发明实施提供的深泓摆动限制指标与历年实测深泓摆动距离的关系。

图7是本发明实施提供的长江中游27个单一河段阻隔性程度划分图。

图8是本发明实施提供的界牌河段新堤水道整治方案布置示意图。

图9是本发明实施提供的武桥水道整治方案布置示意图。

图10是本发明实施提供的巴河～戴家洲水道整治方案布置示意图。

图11是本发明实施提供的典型河段削咀工程布置图。

图12是本发明实施提供的湖广水道护滩带束窄河宽示意图。

图13是本发明实施提供的莱家铺水道护滩带束窄河宽示意图。

图14是本发明实施提供的牯牛沙水道护滩带束窄河宽示意图。

图15是本发明实施提供的赤壁～潘家湾水道丁坝束窄河宽示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供的河段阻隔性特征识别及阻隔程度分类方法包括以下步骤：

S101：基于丁坝头部的分离旋涡及其诱导流速计算方法，分析节点挑流对断流流速分布的影响；基于数理统计方法，分析河相系数沿程变化规律对阻隔性的影响，揭示阻隔性河段的节点分布特征和河相系数特征；

S102：基于Fukuoka方法分析两岸岸坡总体稳定性对阻隔性的影响，揭示阻隔性河段的河岸物质组成特征；

S103：基于阻隔性河段特征，建立各河段历年实测深泓摆动距离与同期深泓摆动限制指标的经验关系，来划分河段阻隔性程度，并提出不同阻隔性程度的河段的河势控制方法。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述.

步骤S101，节点挑流能计算式的建立及河相系数标准差计算式的建立：

1、节点挑流能计算式的建立

节点挑流作用主要体现在两方面，一方面，上游河势或流量级变化导致节点入流角度变化，根据作用力与反作用力的关系，节点出流的主流方向也将发生变化，以此表示节点挑流幅度；另一方面，节点挑流影响范围内的水体动量、节点对河宽的束窄程度以及节点物质组成的抗冲性决定了改变方向的水体所携带的能量，进而决定了节点出流中发生转向的水体的惯性在向下游输移过程中的持续时长及影响距离，以此表示节点挑流强度。取节点迎流面与来流的主流方向的平均夹角作为节点入流角。通过计算确定诱导流速变化率趋近于0的位置，作为节点对断面流速分布的影响范围。对节点挑流机理的研究思路如下：(1)根据节点上游实测流速资料，连接主流线并量取其与节点迎流面平均切线方向的夹角θ，根据作用力与反作用力的关系，近似认为节点挑流角度为2θ；(2)统计节点物质组成的岩性，计算节点抗冲性系数η；(3)节点挑流导致节点头部附近水体产生诱导速度，使节点断面流速分布重新分配，分析水流流态并计算旋涡诱导流速，从而获得挑流作用下的合成流速。(4)判断节点影响范围，此范围内水体均参加了水流流向的偏转，沿水流方向取单位河长的水体作为研究对象，确定节点影响宽度，根据节点所在断面地形计算该影响宽度范围的过水面积，从而获得参与偏转水体的质量；将上述因子带入式1中，则节点挑流引起的偏转水体的变形位能(节点挑流能)可表示为：

式中，W为因节点挑流而贮藏于水流内部的变形位能；P为广义力偶；Δ为广义角位移；F为水流受节点挑流的作用力，分为挑流影响下的水体质量和合成流速、节点抗冲性系数几个部分；R为力偶臂，考虑到节点挑流导致其所在断面的各流线层的水体围绕节点根部发生偏转，其中，节点头部处流线偏转的力偶臂恰为节点在垂直于来流方向上投影长度L_D，因此B-L_D范围内的流线偏转的力偶臂应为流线所在位置到节点根部的距离；v为各点考虑节点挑流影响下的合成流速V_θ1，被节点阻挡的水体旋涡流速可忽略不计；m为节点所在断面B-L_D范围内受节点挑流影响的水体质量，m_i＝ρb_ih_i，b_i为相邻两点之间的间距，h_i为相邻两点之间的平均水深，沿水流方向取单位河长；θ为来流与节点迎流面平均切线的夹角，Δ＝2θ。η为节点抗冲性系数，采用组成节点的山体岩石或护岸块石的抗侵蚀系数来表示。

根据以往对丁坝的试验观测和理论分析成果，参照丁坝坝头水流边界层分离产生竖轴旋涡和它引起的丁坝过水断面主流区诱导流速分布情况，根据流体力学斯托克斯定律，得到丁坝所在断面的距离旋涡中心为r处的旋涡诱导流速为：

式中，U——旋涡诱导流速；D——丁坝头部中心线分离区宽度；r——旋涡中心到节点过水断面某点距离；V_θ1——丁坝过水断面到涡心距离r处的流速。根据丁坝坝头旋涡尺度和强度的试验资料分析成果，坝头中心线分离区宽度可表示为：

坝头绕流最大流速可表示为：

式中：V_θ1max——坝头最大绕流流速；L_D——丁坝阻水长度(以垂直流向计)；B——天然河槽宽度；V——河槽天然断面平均流速。因此，在丁坝以外的B-L_D范围内，各点合成流速V_θ1可表示为：

V_θ1＝V_D+U (式5)

式中：V_D——各点天然流速。由于长江节点突出于岸线长度远小于河道宽度，节点阻水长度L_D范围内流速变化可忽略。

计算得到的在不同流量级下，节点挑流前后的断面流速分布变化情况；以及坝头最大绕流流速、旋涡诱导流速、节点影响相对河宽、节点挑流能等指标随着流量增加的变化情况等。对同一节点而言，越靠近节点头部的流线，受旋涡影响的诱导流速U越大，使挑流前后合成流速的变化越明显；对同一流量下的不同节点而言，节点长度相对于河宽越大，节点抗冲性越强，则最大绕流流速V_θ1max越大，产生的U越大，节点对所在断面的相对影响宽度R_b/B越大，越多的水体参与了流向偏转，即节点挑流强度越大；上游来流主流线与节点迎流面的法向切线的夹角越大，则节点导致出流偏转角度越大，即节点挑流幅度越大；对于不同流量下的同一节点而言，流量级越大，节点相对长度有所减小，但节点所在断面各处的天然流速越大，导致V_θ1max和U越大，节点挑流强度及相对影响宽度R_b/B越大。因此揭示了节点挑流导致主流线发生偏转的作用机理，即中上部存在节点的河段对流量变化及上游河势调整导致的主流平面位置及方向的变化均较为敏感，因此难以长期维持阻隔性特征。

2、河相系数标准差计算式的建立

考虑到同一河段的不同断面的河槽形态之间也存在显著差异，特定断面的河槽形态难以代表整个河段的平均河槽形态特征，而河段阻隔性的发挥需要通过一系列连续的具有约束主流摆动能力的断面来实现。从这一角度而言，阻隔性断面应具有两方面特征：一是，断面形态单一且窄深，不同水位下平均河相系数始终小于某一值，从而排除部分断面随着水位上涨而河相系数骤然变大、河道突然扩宽、主流摆动空间突然增大的现象；二是，窄深型断面形态必须能够维持足够长的距离，仅有局部范围内的断面窄深是不够的，主流线尚未有效集中之前即进入下游宽浅断面，从而难以充分归顺上游不同方向的来流，突然失去约束的主流线更易发生摆动。因此采用数理统计方法分析河段内部沿程各断面河相系数的变化情况对河段阻隔性的影响。根据上文研究成果，阻隔性与非阻隔性河段的河相系数临界值平均约为4，因此以4为数学期望，计算河段内部各个断面在不同水位条件下的河相系数标准差，如式6所示：

某断面的河相系数标准差能够反映该断面在不同水位条件下的离散程度，从而来判断河段内部是否可能存在特殊断面，其河相系数随水位上升而骤然增大、进而可能引起主流剧烈摆动的情况；其次，统计各个河段的平均河相系数小于4的连续长度，从而找出形成阻隔性河段所必须的窄深型断面的最小临界连续长度，进而从这两方面来衡量河段内部沿程各断面的河相系数在不同水位下的波动情况对阻隔性的影响。

非阻隔性河段的河相系数标准差存在大于15的断面，河相系数小于4的断面的最大连续长度3020m。阻隔性河段河相系数标准差均小于15，河相系数小于4的断面最小连续长度为3256m。因此，阻隔性河段的河相系数小于4的断面最小连续长度为3200m左右。

步骤S102，河岸稳定性判别公式的建立：

采用Fukuoka对混合土河岸冲刷及崩塌的计算方法，仅考虑发生绕轴崩塌的情况，主要分两个步骤。首先确定某一时段Δt内，河岸下部非黏性土层冲刷后退距离L：

L＝f(τ,τ_c,γ_bk2,Δt) (式7)

从上式看，非黏性土层的冲刷距离与近岸水流切应力τ、非黏性土的抗冲力τ_c、以及容重γ_bk2等因素有关。然后判断冲刷距离L是否大于黏性土层的临界挂空长度L_c。

假设河岸崩塌时在断裂面上弯曲应力分布。当断裂面上缘的应力达到抗拉强度时，则混合土河岸中挂空部分自重W产生的外力矩与断裂面上产生的抗拉力矩相平衡，此时河岸中凸出部分的长度即为临界的挂空长度。根据悬壁梁的力学平衡原理，可建立如下关系式：

式中H、γ_bk1、T₀分别为黏性土层的高度、容重及抗拉强度；B为黏性土层宽度。

1、黏性土临界挂空长度

化简式8，可得混合土河岸临界挂空长度的表达式：

根据非黏性土层的冲刷距离L以及黏性土层的临界挂空长度L_c的大小，判断黏性土层是否崩塌：当L≥L_c时，河岸上部的黏性土层受拉发生崩塌，即发生绕轴破坏；当L<L_c时，河岸上部的黏性土层稳定，水流可以继续冲刷非黏性土层。

以往大量实验成果表明，黏性土的抗拉强度T₀主要与干密度ρ_d和天然含水率ω有关，本文采用南京大学基于实验成果建立的经验关系来推求抗拉强度T₀：

T₀＝1153ωρ_d-2140.6ω-366.65ρ_d+674.97 (式10)

2、非黏性土最大横向冲刷距离计算方法

以往诸多学者对黏性土河岸的横向冲刷展宽距离进行研究。事实上，非黏性土的横向冲刷距离由近岸水流切应力与河岸土体抵抗冲刷的临界起动切应力决定，采用Lane提出的根据临界切应力方法确定河宽的方法，在一定流量、比降及糙率等条件下，结合曼宁公式，可得：

当河岸下层砂性土的临界起动切应力τ_c小于水流切应力τ时，即τ_c≤τ，根据上式有B_c≥B，说明非黏性土河岸在该水流条件下难以维持较小河宽，将因水流冲刷而发生横向展宽，横向冲刷后退的最大距离为L＝B_c-B。下文重点介绍砂性土临界起动切应力及近岸水流切应力的方法。

采用殷成胜通过进行无散体泥沙颗粒起动受力分析，推导出砂粒临界起动切应力与颗粒平均粒径的关系，来推求砂性土的临界起动切应力：

式中，χ为矫正参变数，位于粗糙区时，χ＝1；根据张瑞瑾整理实测资料得到的成果，C₁＝1.34，由式13可见，τ_c正比于颗粒平均粒径。近岸水流切应力通常用τ＝γ^hJ来表示，但钱宁研究认为该方法不一定适用于非均匀流的弯道水流，应根据纵向流速的垂向分布，利用对数流速分布公式导出近岸水流切应力：

上式中，κ为卡门常数，U_近岸为近岸垂线平均流速，k_s为床面粗糙度，当河床组成为非均匀沙时，k_s≈d₅₀，h为水深。

3、河岸稳定性判别成果

在长江中游27个单一河段中，按2km为间距选取典型断面，以滩顶高程向下30m范围内的岸坡土体作为研究对象。以造床流量作为代表量级，上荆江、下荆江、城陵矶～汉口，汉口～湖口的造床流量分别取22000m³/s、27000m³/s、35500m³/s、40500m³/s；归槽临界流量分别取13000m³/s、11000m³/s、14000m³/s、16000m³/s。结合以往节点挑流研究成果，长江中游节点挑流临界流量在19000～35000m³/s之间。根据河道地形绘制初始主流线，量取主流线与河岸夹角θ，带入上述断面流速分布计算式中进行反复计算，确定近岸流速。再根据式14计算近岸水流切应力、式13计算下层非黏性土的临界起动切应力，根据式9计算上层黏性土的临界挂空长度，衡量各断面上层挂空长度是否超过下层冲刷后退距离，从而判断该断面是否发生崩岸。

结果表明，计算崩岸险段与实测崩岸险段吻合程度较好。长江中游的斗湖堤、调关、塔市驿、砖桥、反咀、龙口、汉金关、黄石、搁排矶共9个河段的两岸总体情况来看，上层黏性土临界挂空长度大于下层砂性土的实际冲刷后退距离，两岸总体崩退距离大于0，不会发生单侧或双侧大幅度崩岸，河岸总体稳定性好。

步骤S103，阻隔性程度划分方法

1、深泓累计摆动距离计算式的建立

首先，流量反映了水流惯性力的作用，流量变化是深泓摆动的主要动因。深泓摆动有渐变和突变两种形式，前者与洪峰期间洪水引起的撇弯取直等流路变化有关，后者与落水时局部流路的淤塞有关。分析认为，漫滩临界流量以上的平均流量Q>_漫滩越大，水流漫滩后冲刷动力越强，有利于新槽的逐渐冲开；漫滩临界流量以下的平均流量Q<_漫滩越小，水流归槽后冲刷动力越弱，有利于旧槽淤塞及新槽的突然冲开，因此采用两个实际深泓测次之间的表征流量过程的影响。另外，流量持续时间长短也影响着深泓摆动，在两个实际深泓测次之间，漫滩临界流量以上的累积天数越长，越有利于发生深泓渐变移位；反之，漫滩临界水位以下的累积天数越短，越可能发生深泓突变移位，因此采用表征流量持续时长的影响。

其次，上游河势调整带来的进口深泓位移是本河段深泓摆动的直接动因，河段内部的深泓摆动距离应与进口深泓位移呈正比，采用表征上游河势调整对进口的扰动。对于进口存在节点的河段，采用4.2.1节研究成果，采用作为流量项的指数，来表征节点挑流作用对下游深泓摆动、河势调整的影响。再次，河道断面地形对垂线平均流速沿河宽方向的分布情况影响很大。滩槽高差可表征水流漫滩的难度，滩槽高差越小，冲刷同样宽度带走的土方量越小，所需时间也越短，河岸抗冲能力越弱，越有利于深泓摆动，因此采用平滩水位下的宽深比的倒数h/B来表征断面地形对深泓摆动的约束作用。另外，河漫滩宽度越大，主流漫滩后摆动空间越为宽广、流路可能越多，因此用平滩水位下河宽与历史最高水位下河宽的比值B/B_max来表征滩地宽度对深泓摆动的作用。最后，河床可动性越大，主流越容易横向侧移，采用希尔兹数表征河床可动性，从而建立深泓摆动限制指标为：

如式15所示，θ的影响因素可以被分为两部分，前者表征流量变化及上游河势调整引起深泓摆动的强度，以a为指数；后者表征河道边界抑制深泓摆动的能力，以b为指数。钱宁认为，一次洪峰过程中深泓摆动累计距离与游荡指标呈正比例关系，本发明通过整理实测深泓摆动资料，统计两个测次之间，各河段进口及内部典型断面的深泓摆动相对距离，与式15计算的深泓摆动限制指标建立反比例关系，从而率定深泓摆动项及边界约束项的指数a和b。考虑到河段阻隔性主要通过河道自身限制主流摆动的能力上体现出来，因此阻隔性指标可以表示为：

根据上述思路，本发明方法框架图如图2所示。

2、阻隔性河段分类指标的提取

(1)来水来沙条件

根据监利、螺山、汉口等站1958～2013年日均流量、含沙量过程(部分资料不全)，统计计算两个相邻的实际深泓测次之间时段的漫滩临界流量以上及以下的平均流量值及持续天数，以及该时段内平均流量及含沙量。

(2)上游河势及节点挑流指标

两个测次之间的河段进口深泓摆动相对距离δ，可在历年深泓摆动套汇图中进行直接量取。考虑到研究时段内山矶、胶泥咀等节点突出于岸线的程度可认为基本不变，因此根据2011年实测1:10000河道地形图量取各节点突出于岸线的实际长度，与平滩河宽相比计算节点挑流系数。

(3)宽深比条件

河道宽度是影响河道演变的关键因素，河宽的略微增加即可能引起主流摆动；尤其当主流、深泓靠岸时，近岸水流内部产生不同尺度的漩涡，它们采用直接攫取或紊动上扬的方式引发近岸土体的崩塌及河道的继续展宽，从而为主流摆动提供了更大的空间。

对于任意两个深泓摆动测次而言，由于难以获得1958-2013年历年实测河道地形资料，但具有实际深泓测次的年份也通常具有该年份的河势图，其中包含与航行基面等高的等深线(‘0m’线)，从而可以量取各河段各典型断面的实际深泓测次年份的‘0m’线宽度。如图3所示，只要河型及河道边界条件不变，考虑到主槽两岸坡比通常比较均匀，在不发生大幅度河岸崩塌情况下，可认为平滩水位河宽与‘0m’线宽度存在正比关系，因此根据1996、1998、2001年实测断面地形资料，建立平滩河宽与0m线河宽的相关关系，如图4左列所示，进而可根据1996、1998、2001年平滩河宽与0m线河宽的相关关系的拟合计算式，计算各实际深泓测次年份的平滩河宽。

如图3所示，任意两个年份之间平滩水位下降值与河道断面地形的平均冲深值存在正比关系，而平滩水位下降值可通过历年水位流量关系变化曲线获得。可根据1996、1998、2001年实测断面地形资料，计算1998较1996年，以及2001年较1998年平滩河床冲刷深度，进而建立相应年份平滩流量下的水位下降幅度与各河段平滩水位下的河床冲刷深度的相关关系，如图4中右列所示。再根据1958-2013年历年水位流量关系式，计算各深泓测次年份较2002年平滩流量下的水位下降值，从而依据上述水位流量关系式求得各实测年份较2002年的平滩冲刷深度，再根据2002年实测平滩河床高程反推出各年平滩高程，进而计算实测年份平滩水位下的宽深比。

(4)河漫滩相对宽度条件

大洪水能够在河宽较大、岸线不受限制的河段重塑出宽广的河漫滩。研究认为，滩槽间水流条件差异、掺混区紊动扩散以及流线弯曲时离心惯性力引起的横向水沙交换都促使滩地迅速淤高，从而构成主流摆动的边界约束条件。长江中下游洪水期河宽受两岸堤防限制，可以堤防间距作为最大河宽，平滩河宽参照宽深比条件成果。

(5)希尔兹数条件

床沙粒径对深泓的横向迁移有重要影响。床沙中值粒径越粗、希尔兹倒数越大，泥沙抵抗运动的摩阻力大于水流作用于泥沙的拖曳力，导致泥沙运动强度减弱，河床因水流变化产生的变形越小，深泓摆动的侧移阻力增大，有利于塑造出稳定、收缩的河道形态；反之，床沙粒径越细，希尔兹倒数越小，深泓摆动的侧移阻力减小，河道将趋于宽浅，河床因水流变化产生的变形越大，而难以形成阻隔性河段。

考虑到汛期流量较大、含沙量也较大，而所挟悬移质颗粒也较细。由于近底水流中的悬移质与床面床沙质处于不断交换状态，汛期床沙质粒径也较细。根据部分实测年份监利、螺山、汉口三站的悬移质含沙量与各典型河段的床沙中值粒径资料，建立相关关系如图5所示，利用上述经验关系，可根据实测深泓年份的平均含沙量近似获得其床沙中值粒径。研究认为河道纵比降与流量呈反比，与含沙量及床沙中值粒径呈正比，考虑各家公式形式差异较大且适用河流不同，本发明采用李保如根据长江资料建立的经验关系，计算实测深泓年份的各河段纵比降：

J＝0.00455·[(S/J)^1/2·D₅₀]^0.59 (式17)

式中，J以万分率计；Q为平滩流量(m³/s)；S为平滩流量时的悬移质含沙量(kg/m³)；D₅₀为床沙质中值粒径(mm)。

3、阻隔性河段分类成果

以长江中游27个单一河段为例，每个河段取2～3个典型断面作为研究对象，根据1958年以来实测深泓平面摆动套汇图，量取相邻两个测次的深泓摆动距离，建立其与深泓摆动限制指标的反比例关系，从而率定式15的指数a、b，计算效果图见“发明内容”章节。

将长江中游27个单一河段按照其阻隔性程度划分为塔市驿、汉金关、黄石、搁排矶等4个阻隔性河段，斗湖堤、调关、砖桥、反咀、龙口等5个阻隔性向非阻隔性转化的过渡型河段；石首、河口、莱家铺、七弓岭、石头关、簰洲湾、阳逻、湖广、牯牛沙、九江等10个非阻隔性向阻隔性转化的过渡型河段；碾子湾、大马洲、铁铺、螺山、沌口、武桥、巴河、武穴等8个非阻隔性河段。

4、阻隔性河段应用

河势调整对世界范围内的河流均产生深远影响。采取何种措施阻止上游河势调整对下游河道演变带来不利影响、维持河势稳定，一直是困扰河流及地貌学者的难题。由于不同河段的主流摆动特征及河势调整规律不同，针对性地采取治理措施，有利于整治工程取得事半功倍的效果，阻隔性程度的划分为河道治理对策提供了新的思路。

4.1非阻隔性河段整治方法

对于上、下游河势存在“对应”关系的非阻隔性河段，河道治理宜从上至下进行系统规划整治，其主要目的是保证上、下游河势平顺衔接，避免因上、下游河势不顺导致工程达不到预期效果，这对航道整治的选槽选汊尤为重要。如石头关河段不具有挑流作武汉大学博士学位论文用增强，导致下游陆溪口河段中港冲刷和直港淤积；反之，将促进直港的冲刷发展。对该河段治理宜先选择上游新堤河段的主槽，再选择陆溪口河段的主槽。若新堤河段选择右汊作为主槽，陆溪口河段应选择直港作为主槽。

界牌一期整治工程分为四个部分：①右岸自鸭栏以下建14座丁坝，以堵塞上边滩与右岸之间的串沟、倒套，稳定上边滩，集中水流靠近左岸。②在新淤洲头部修建鱼嘴，增大新堤夹分流比，控制过渡段下移。③在新淤洲与南门洲之间的横槽进口建锁坝一座，稳定该河段两侧分流格局，减少新堤夹上段水流向右汊横向漫入，适当增加新堤夹下段流量，减缓淤积。④新堤夹下浅区进港航道疏浚工程，改善了新堤夹航道条件。上游新堤夹为主汊，相应地下游陆溪口水道选择中港为主汊，整治工程包括①修建鱼嘴以增大中港分流比；②在洲头心滩与新洲洲体之间修建锁坝，防止中港水流横向漫入直港，保持中港下段水量充沛，同时防止新洲洲头切割及新中港的产生；③中港凹岸守护工程。以上措施顺应了上、下游河道形势的对应规律，有利于保持水流下泄形势的畅通，又避免了下游整治工程因与上游河势条件不适应而发生水毁。

如图8所示，界牌二期整治工程包括：①过渡段低滩守护工程，在新淤洲前沿过渡段低滩上采取鱼嘴和鱼刺护滩形式进行守护，保留左侧沿岸槽口；②对右岸上篾洲附近3000m长的已有护岸进行加固，对左岸下复粮洲一带1000m长的岸线进行守护。③疏浚工程，在将来心滩右槽向左槽转换过程中，右槽淤浅后左槽出口航槽较窄，需对左槽出口过渡槽局部碍航浅区辅以疏浚。显而易见，二期整治工程倾向于发展新堤右汊为主汊，此时下游陆溪口水道应选择直港作为主汊，整治工程包括：①直港进口挖槽，改善直港进口水流条件；②通过修建鱼嘴和洲头顺坝，鱼嘴的头部及洲头顺坝沿新洲脊线方向向上游适当延伸，从而稳定新洲，防止稳定新洲、防止中港岸线过份弯曲。以上整治措施有利于引导上游新堤右汊出流进入陆溪口直港，以保证上、下游河势平顺衔接。

再以武桥～天兴洲水道为例。根据前文分析，由于两个水道之间不存在阻隔性河段，上游河势调整将传递至下游河段，进而影响下游河道演变，因此下游天兴洲水道主汊的选择应与上游武桥水道规划的主流平面位置相互适应。如图9所示，上游武桥水道规划主槽沿荒五里边滩右缘下行，经潜洲左汊，进入长江一桥4#或6#桥孔。推荐整治思路为：采用长顺坝结合鱼骨坝、护滩带低水整治方案，其主要目的是固定原有潜洲，控制枯水流向，遏制汉阳边滩的过度发展，改善长江一桥桥区通航条件。整治工程措施包括：沿潜洲脊线到鲇鱼套口门处布置一道长顺坝，总长度3600m，长顺坝的尾部为左挑型折线，加大长顺坝向左导流作用，遏制汉阳边滩枯水期向江心发展。为了保持潜州高大完整，确保长顺坝稳定，在顺坝左侧中下段布置4道鱼骨坝。

根据上文分析，武桥水道深泓偏左时，天兴洲水道深泓通常位于右汊。河道整治起主流、滩槽不稳，而合适的过渡段位置有利于右汊进口入流条件的改善与稳定。因此，天兴洲水道的整治思路包括：通过工程措施，稳定洲头低滩位置，从而对右汊进口航槽也产生一定的控制作用，防止过渡段低滩下移引起航道条件恶化。整治工程措施为：对天兴洲头部低滩进行守护，在天兴洲洲头前沿低滩布置鱼刺型护滩带，主要包括①Y#1(纵向)、Y#2、Y#3、Y#4和Y#5五条护滩带；②在天兴洲洲头右缘侧低滩设置T#1、T#2两条条形护滩带。再以巴河～戴家洲河段为例，由于两河段之间没有阻隔性河段作用，使得上游巴河水道河势与下游戴家洲水道河势具有一一对应的关系，当上游池湖港心滩通过锁坝与右岸连为整体后，将促进左岸巴河边滩的淤积壮大，与戴家洲洲头心滩连为一体，一有利河势。例如，戴家洲一期整治工程的治理目标为：稳定直港枯水期分流条件，改善直港进口段弯道形态和进口浅区航道条件，近期枯水期利用圆港通航，中、洪水期利用直港通航。如图10所示，具体整治措施为：①鱼骨坝工程：脊坝S1～S8，#1～#7刺坝，对新洲头滩地进行守护，通过刺坝坝田逐渐淤积，形成高大完整新洲头滩地，稳定两汊的分流比，逐渐使直水道内形成较为稳定的滩槽形态；②新洲滩头护滩带工程及新洲滩头右缘护岸工程，用于保护新洲滩头不受横向水流的冲刷，与鱼骨坝结合在一起，保持滩地稳定。戴家洲二期整治工程进一步稳固了直港为主槽的地位，

治理目标为：以直港为枯水期通航主汊，将中高水航线和枯水航线归于直港。具体整治措施为：①潜丁坝工程：在直港凸岸中上段布置3条潜丁坝。采用D型排护底，坝身为全抛石结构；②护岸工程：护岸工程位于戴家洲右缘上段和中段，与右缘下段护岸工程平顺衔接，维持洲体的稳定。

4.2非阻隔性向阻隔性转化的过渡段整治方法

对于上、下游河势“基本对应”的非阻隔性河段，在一定条件下，有可能向阻隔性河段转化，因此，针对破坏阻隔性的原因，采取恰当整治措施予以消除，可能塑造出阻隔性河段效果。如对崩岸剧烈的凹岸岸线及时守护、对河段中上部存在的挑流节点采取削咀等措施、束窄河宽以限制宽广河漫滩的发展、对弯颈过于狭窄的河段实施人工裁弯、对床沙质粒径过细的河段进行河底加糙等等，从而形成单一微弯、岸线平顺的窄深河道，限制水流动力轴线摆动。

挑流节点的存在促使上游河势调整向下游传递，导致河段阻隔性丧失。若考虑采取合理的工程措施消除节点的挑流作用，则上述河段也可能会具有阻隔性，从而有利于其下游河段的长期河势稳定。因此，河势控制工程应力求通过削咀等措施形成平顺即将牧鹅洲水道弯顶处猴子矶凸伸江中的暗礁全部清除，从而彻底改变湖广水道进口节点束窄段恶劣的漩涡水流条件对河势稳定及通航安全的不利影响。

消除节点以改善局部水流条件，削弱上、下游河势调整的传递作用，从而稳定河势以促使阻隔性河段的形成，这种削咀整治措施在其他河段整治过程中也有广泛应用。如图11(2)所示，在监利乌龟夹出口处，由于主流出夹后直接顶冲太和岭矶头，造成矶头崩塌切割，原护坡石崩塌后堆于主流区，形成水下碍航物，在中、洪水期被淹于水中，流态紊乱。窑监水道整治目标就包括：适当清除乌龟夹出口太和岭附近江中的碍航乱石堆。具体整治措施为：分为5个清障区进行清除水下碍航乱石堆，5个清障区均位于太和岭以下的江中，离岸距离在60m～180m之间，平均清障厚度2.8m；弃渣区均选择在清障区临近岸边，沿太和岭一带岸线弃渣抛石，以利于该段岸线稳定。

除削咀外，束窄河宽、稳定岸线也是促使非阻隔性河段向阻隔性河段转化的主要措施。例如，湖广水道在采取进口削咀措施后，考虑到河段中部赵家矶边滩冲刷、过河槽淤积，使主槽趋于不稳定，改变了湖广水道入流条件，将导致东槽洲右缘、碛矶港出口左岸西河铺一带崩岸。因此，如图12湖广～罗湖洲水道整治思路为：实施赵家矶边滩守护工程，抑制边滩冲刷、稳定主流，改善航道条件，同时对关键高滩、岸线进行加固、守护，巩固完善已有工程效果。具体整治措施包括：①赵家矶边滩守护工程，修建6条护滩带；②东槽洲洲头串沟锁坝工程，在东槽洲洲头已建锁坝下游增建1道锁坝，坝体长168m；③护岸加固工程，对左岸汪家铺～挖沟一带及东槽洲右缘3935km的高滩岸线进行加固，对碛矶港下段左岸西河铺一带1922km长的岸线进行守护。

采用护滩带束窄河宽的方法在长江中下游放宽型河段有广泛应用。例如，莱家铺上游侧岸滩冲刷、凹岸侧滩体淤展的特点，左岸中洲子高滩的剧烈崩退，致使河道不断展宽，汛末放宽段已出现江心滩的不利滩槽形态，且边滩尾部倒套上延，过渡段水流更加分散。针对上述演变特点，采取一定工程措施来保持岸线稳定、防止河道进一步展宽，有可能将莱家铺水道塑造成具有阻隔性的窄深型河道。因此，莱家铺水道的整治思路为：整治建筑物守护岸滩，防止河道边界及航道条件向不利方向发展。如图13所示，具体整治措施包括：①桃花洲岸滩守护工程：在莱家铺弯道凸岸侧上段桃花洲边滩修建四道护滩带，采用平顺式护岸对桃花洲一带岸线进行守护；②莱家铺边滩控制工程：莱家铺边滩中下段修建6道护滩带，以防止莱家铺边滩中下段及鹅公凸倒套冲刷发展；③中洲子高滩护岸工程：对左岸下段中洲子高滩采用平顺式护岸进行守护，防止进一步崩岸使河道宽浅；④南河口下护岸加固工程：南河口下一带护岸进行水下抛石加固，增强莱家铺弯道凹岸侧稳定性。

再如牯牛沙水道，近年来牯牛沙边滩受冲后退，滩宽逐渐变窄，枯水河道逐渐放宽，主流右摆，上下深槽逐步交错，通航条件恶化。若要稳定牯牛沙水道河势、引到牯牛沙水道由非阻隔性向阻隔性河段转化，至关重要的是，通过修建整治建筑物，抑制牯牛沙边滩后退，适当集中水流冲刷过渡段浅埂。因此，如图14牯牛沙水道一期工程整治治措施包括：①牯牛沙边滩丁坝工程：3道勾头丁坝和1道丁坝组成；在#1～#3丁坝位置上，建#1～#3三道护滩带；②岸滩护脚加固工程。二期整治工程目标为：适当加高整治建筑物的高程，固滩促淤，约束水流，增强过渡段浅区冲槽能力；适当抑制下深槽槽头的吸溜作用，缩短过渡段长度。具体整治措施包括：①牯牛沙浅区右岸沿整治线布置4道丁坝，前3道为一期工程护滩带位置加高，集中水流冲刷浅埂；②在下深槽倒套内布置2道高程为航行基面下7m的潜坝，减小下深槽吸流作用，增加浅区枯水动力。

4.3阻隔性向非阻隔性转化的过渡段整治方法

对于上、下游河势“基本不对应”的阻隔性河段，应注意维护原有的阻隔性河段特征，防止不利变化导致阻隔性丧失。当上游梯级水库修建等引起水沙条件突变时，可能引起凹岸大幅崩退、凸岸滩体大幅度萎缩等使得河道变得宽浅，原有的阻隔性逐渐丧失，应对这种变化需及时采取预防性措施。如三峡水库蓄水后，长江中下游含沙量锐减，受此影响，斗湖堤、调关、龙口、反咀等河段凸岸边滩明显蚀退，河道展宽，可能向微弯分汊型发展，长期来看，这种变化不利于该河段阻隔性保持，凸岸边滩及时守护显得尤为重要。

如图15所示，龙口水道能够阻止上游陆溪口水道的河势调整传递至下游嘉鱼～燕子窝水道，使嘉鱼～燕子窝水道的治理目标及整治工程布置相对简单，对维持局部河势稳定发挥着举足轻重的作用。为防止龙口水道滩槽形势发生不利转化，已有及在建的护岸工程已对龙口水道凹岸进行了全面守护，下一步应对凸岸侧边滩采取护为非阻隔性河段。

阻隔性河段的下游河段遵循自身演变趋势，不会受上游河势调整的影响。此时下游的嘉鱼～燕子窝河段可针对自身河势演变规律进行整治即可。例如上游嘉鱼左汊深泓居中时，下游燕子窝深泓位于左槽。嘉鱼水道的具体整治措施包括：①护滩带：在复兴洲洲头滩脊线布置一道JR1护滩带，起到控制滩脊，稳定洲头的作用。R2护滩带外边缘加了D型排，防止水流对护滩带边缘的破坏。②护岸：对复兴洲高滩部分的岸线进行守护，有利于高滩岸坡的稳定。③封堵串沟：对复兴洲左边滩与高滩之间的残留串沟头部进行封堵，以防止串沟的继续向上游发展。燕子窝水道的整治措施包括：①燕子窝心滩守护工程：沿着燕子窝心滩头部前端及边缘布置一道弧形YR1护滩带，加强燕子窝心滩的头部及左边缘的守护。在心滩头部滩脊线上布置一道护滩带YR2，阻止滩面上的冲刷，保持该心滩较高大。②右槽守护工程：燕子窝右槽进口布置二道平行的YH3、YH4护底带，其头部与YR1护滩带右侧相连，根部与右岸相连，共同起到限制右槽进口冲刷从而限制整个右槽发展的作用。

再如反咀水道，三峡水库蓄水后，原本弯顶(荆173)典型偏“V”型断面，向“W”型断面转化，凸岸边滩滩高逐渐刷低，凹岸深槽生成低矮心滩，有向弯曲分汊凹岸下游侧采取护滩带控制，有利于控制下游边滩稳定。建议对反咀水道凸岸边滩采取护滩带等形式进行守护，必要时在滩首布置整治建筑物进行导流，确保滩体形态完整，防止河道进一步展宽，引导河道断面恢复单一窄深型，以维持河道阻隔性。

4.4阻隔性河段整治方法

对于上、下游河势调整完全不对应的阻隔性河段而言，维持好阻隔性河段自身特征，将有利于保持长河段河势稳定。塑造单一、微弯、窄深的平断面形态，又不形成人工节点以大幅度改变主流方向，最为可行方法为平顺护岸。护岸对控制河势稳定一直具有重要意义，这点在长江中下游诸多河段中均有体现。对单一弯曲河段的凹岸进行及时守护，有望塑造出阻隔性河段效果，形成窄深河道以约束水流。20世纪80年代下荆江的调关河段、塔市驿河段凹岸及时进行平顺护岸，从而形成单一微弯平面形态，断面相对窄深，河相系数较小，河段也就具有了阻隔性。

黄石水道与搁排矶水道两岸沿程分布有大量山岩，虽然突出山矶具有一定的挑流作用，但由于其对岸也为山岩阶地，在山体与山体之间抗冲性相对薄弱的岸段实施了大量护岸工程，从而有利于保持河道岸线的稳定，有利于河道保持河道单一、窄深的断面形态。无论上游河势如何调整，水沙条件如何变化，这类河段能够维持自身输沙平衡，河道宽度不会大幅拓展、不会发育出宽广低矮的河漫滩、也就不会引发滩槽格局的剧烈调整，进而能够长期约束主流平面位置。塑造具有这类特征的阻隔性河段，将对长江中下游河道整治工程产生事半功倍的效果。

本发明结论

本发明通过细化完善阻隔性河段的节点分布特征、河相系数特征、岸坡稳定性特征，分析了各控制要素的作用机理，总结出影响深泓摆动的主要因素，从而借鉴钱宁的游荡指标模式，建立了实测深泓摆动距离与同期深泓摆动限制指标的反比例关系，对河段阻隔性程度进行分类，将分类成果其应用于长江中下游河道整治实践之中，主要结论如下：

(1)节点挑流幅度与入流角度有关，挑流强度与影响范围内的水体动量、节点束窄河宽程度及抗冲性有关。来流与节点的夹角越大，节点出流方向改变越明显；对不同节点而言，束窄河宽程度越大、抗冲性越强，则最大绕流流速及旋涡诱导流速越大、节点挑流影响宽度越大，挑流强度越大。对于同一节点，随着流量增加，绕流流速及诱导流速增加，挑流强度增大。

(2)数理统计表明，非阻隔性河段的河相系数标准差存在大于15的断面，河相系数小于4的断面的最大连续长度3020m；而阻隔性河段的河相系数标准差均小于15，河相系数小于4的断面的最小连续长度为3256m。阻隔性河段的河相系数小于4的断面连续长度至少为3200m。

(3)基于Fukuoka混合土岸坡稳定计算方法，建立断面流速分布计算式估算近岸水流切应力，根据实验成果确定黏性土抗拉强度，采用Lane临界切应力法计算下层砂性土冲刷后退距离，与上层黏性土的临界挂空长度相比表明，计算崩岸险段与实测崩岸险段吻合程度较好。两岸总体情况来看，阻隔性河段的上层黏性土临界挂空长度大于下层砂性土实际冲刷后退距离，不会发生单侧或双侧大幅度崩岸，稳定性较好。

(4)深泓摆动的影响因素包括：漫滩临界流量以下较以上的平均流量比及持续时长比、河段进口深泓摆动位移、节点挑流强度、河道宽深比、河漫滩相对宽度、希尔兹数等。通过建立实测深泓摆动距离与同期深泓摆动限制指标的反比例关系，将长江中游27个单一河段的阻隔性程度划分为4个阻隔性河段；5个阻隔性向非阻隔性转化的过渡型河段；10个非阻隔性向阻隔性转化的过渡型河段；8个非阻隔性河段。

(5)对于非阻隔性向阻隔性转化的河段，针对破坏阻隔性的原因，采取恰当整治措施予以消除，可能塑造出阻隔性河段效果。对于阻隔性向非阻隔性转化的河段，应注意维护原有的阻隔性河段特征，防止不利变化导致阻隔性丧失。对于两个非阻隔性河段之间的长河段，河道治理宜从上至下进行系统规划整治，保证上、下游河势平顺衔接。对于阻隔性河段可采用平顺护岸加强守护，同时应注意防止建桥、采砂等人为工程破坏河段阻隔性。

(6)由于阻隔性河段依靠自身的特殊属性来维持主流平面位置稳定，从一定程度上避免了采取人为河势控制工程对河道天然动力条件及水生态平衡的破坏，这对维持水环境水生态安全及河流绿色健康生命均具有重要的指导意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种河段阻隔性特征识别及阻隔程度分类方法，其特征识别在于，基于丁坝头部的分离旋涡及其诱导流速计算方法，分析节点挑流对断流流速分布的影响，识别出阻隔性河段的节点分布特征；基于数理统计方法，分析同一水位下河相系数的沿程变化规律以及同一断面河相系数随水位升降的变化规律，识别出阻隔性河段的横断面形态特征；基于Fukuoka方法计算河道两岸的上层黏性土临界挂空长度与下层砂性土冲退距离的对比关系，识别出阻隔性河段的河岸物质组成特征。

2.如权利要求1所述的河段阻隔性特征识别及阻隔程度分类方法，其特征在于，节点多分布于河段的尾部而非中上部；河相系数小于4的断面连续长度至少为3200m，不同水位下各断面河相系数标准差均小于15；进而总结出漫滩临界流量及持续时长、进口深泓摆动相对位移、节点挑流强度、河道宽深比、河漫滩相对宽度、希尔兹数指标影响深泓摆动，建立历次深泓摆动距离与深泓摆动限制指标的经验关系，对长江中下游河道的27个单一河段的阻隔性程度进行分类，共划分为4个阻隔性河段；5个阻隔性向非阻隔性转化的过渡型河段；10个非阻隔性向阻隔性转化的过渡型河段；8个非阻隔性河段。

3.如权利要求2所述的河段阻隔性特征识别及阻隔程度分类方法，其特征在于，对于非阻隔性向阻隔性转化的过渡性河段，消除破坏阻隔性的原因，塑造出阻隔性河段效果；对于阻隔性向非阻隔性转化的过渡性河段，维护原有的阻隔性河段特征，防止不利变化导致阻隔性丧失；对于非阻隔性河段之间的长河段，河道治理从上至下进行系统规划整治，上、下游河势平顺衔接；对于阻隔性河段，防止人为工程破坏河道天然阻隔性。