河流弯道演变与转化试验研究：设备和测量精度介绍

6.1　试验简介

6.1.1　试验设备

试验在武汉大学工程泥沙试验室水槽厅举行。试验采用了两个水槽，可变坡玻璃水槽和不可变坡混凝土水槽，长度分别为4 m和30m。

大部分试验组次在长4 m、宽1.2 m、深0.4 m的可变坡玻璃水槽（水槽甲）中进行（如图6-1），水槽变坡范围为0%～2%，比降用水准仪控制。水泵、蓄水池和供水管道组成水流循环系统，流量采用精度为0.5%的电磁流量计进行测控。该水槽最大的优点是操作简便，易于模拟不同因素变化时的河流发育，能有针对性地完成单变量多组次试验，使得探索河流演变随各因素变化的规律成为可能。自2001年开始，我们开展了大量的试验组次，取得了丰富的试验成果。但由于水槽较短，为避免进出口的影响，试验小河的流量受到了一定的限制，此外，由于形成小河较小，可量测的指标也相对较少。

图6-1　水槽甲试验设备

水槽乙长30m，宽3 m，深0.5 m，底坡固定为0.1%。试验中主要通过不同的铺沙厚度来塑造变化的河谷比降。大流量时采用水泵循环系统，最大流量可达200m³／h，由电磁流量计测控；小流量时采用多个小型增氧泵抽水循环，用体积法测控。试验水槽如图6-2。

图6-2　水槽乙实物图

大、小水槽入口处均有水库，保证水流平稳进入河槽。出口侵蚀基准点由木质模板控制，尾部设有闸门，也可调节出口水流速度。

6.1.2　试验沙

根据不同试验的要求，我们采用了7种试验沙，其中天然沙3种、煤粉1种、塑料沙3种。表6-1为试验沙简介，其中分选系数：

在7种试验沙中，塑料沙和无烟煤煤粉，分选系数近乎为1.0。三种天然沙级配较不均匀，分选系数在3.5以上，试验沙级配如图6-3。

表6-1　试验沙简况

除采用了非黏性沙之外，由于黏土泥沙二元结构的河床组成在天然河流中广泛存在，并被许多研究者认为是形成弯曲河型的一个重要原因^［5］，如在现有众多形成真正意义上的曲流的试验中，唐日长^［6］、尹学良^［7］和Schumm^［3］等都是在二元结构中塑造的。因此，我们也进行了二元结构河流的造床试验。其中的黏土为均匀黄土。

试验开始后，模型小河在试验沙组成的河谷平面中自由造床。由于不同的试验条件存在不同程度的床沙粗化状况，试验中根据实际情况对河床组成的级配进行了重新测定。(www.xing528.com)

6.1.3　试验步骤及测量

试验水槽铺有选定的试验沙，根据试验条件的不同塑造初始河道。河道进出口有不可冲节点控制，并决定河道的河谷比降。除特别组次外，初始河槽被塑造成断面为三角形的直河槽。试验开始后，水流自首部进入河槽，自由造床。

大部分试验组次为清水造床。部分组次根据不同的试验要求在入口处人工加沙。

图6-3　试验泥沙颗粒级配分析曲线

为方便研究和比较，我们把试验水槽分为12个断面，断面间隔为20cm。断面上每一测点的位置可由有刻度的测桥测得，误差1mm；高程由水准仪校对的测针测量，误差0.1mm。河道除断面地形图外，还定时测量特征点位置，绘制平面形态图。

此外，因为温度对水的黏性系数有影响，试验时采用温度计测量水温。

具体试验步骤如下：

（1）前期准备（确定模型沙，调比降，按模板制好模型）；

（2）测起始断面形态；

（3）接通流量计电源，开阀门，开水泵，调整流量到预定值；

（4）测水温；

（5）隔特定时间测一次河床位置；

（6）测水面高程，关阀门，关水泵，断开流量计电源；

（7）测最终断面形态；

（8）清理试验仪器，整理分析试验记录。