山区流域地表及沟床内富集的大量宽级配卵砾石松散堆积物，在地震及其次生灾害作用下，会以崩塌、滑坡、泥石流等形式进入山区河道，进而会改变河流的泥沙补给条件。尤其在坡降发生变化的河道区域，常能发生河道水位陡然抬升的现象。主要原因包括水体内泥沙浓度增加致使水流通量和阻力增加，以及水流条件变化致使局部河床冲淤两方面。

目前，诸多学者针对上述现象的研究主要集中于由水体含沙量增加和水流阻力增加等方面。Abrahams等^[1]在陡坡水槽内研究得到水流中加入泥沙后将产生附加阻力。Song等^[2]建立了由泥沙运动引起的水流阻力与水深变化的计算公式。Gao等^[3]采用无量纲分析得出了推移质运动引起的阻力计算公式。候极等^[4]在考虑了山洪携带泥沙和床面泥沙粒径的差异，建立了水流挟沙后水流阻力与水深的经验表达式。

对于河床淤积与水位壅高关系及变化规律，当前的研究主要从河道的侧向淤积和河床的沿程淤积两个方面考虑。对于前者，目前研究集中在淤积体阻水率变化对水位和流速结构调整方面，代表人物有崔鹏^[5]、郭志学^[6]、张婧^[7]等。在研究泥沙沿程淤积时，Liu等^[8]以波罗电站为例，指出该电站遭遇漫顶洪水的主要原因在于河道交汇区水流的顶托作用导致了水力坡降与输沙能力发生变化和泥沙局部落淤，致使河床与水位抬升。王海周等^[9]研究发现在宽窄相间河段泥沙易落淤，进而形成洪灾泛滥区。Madej等^[10]在水槽中模拟砾石层河道，研究发现强输沙会导致河床会淤积抬升、糙率减小、水力坡降增大。张晨玲等^[11]基于野外调查和室内物理模型实验表明，大量泥沙堆床将造成河床抬高形成明显的壅水现象。李彬等^[12]在变坡水槽内实验发现，当加沙到达某一强度后，泥沙将呈逆行淤积的发展形态且淤积高度逐渐增大。

上述研究大多指出在河道输沙能力发生变化的地方可能导致泥沙淤积，继而使河道水位发生变化，但是没有将淤积体高度对水位的影响规律做深入研究。因而本文将流量、泥沙淤积高度与迎水面坡度、河道坡度均作为影响因子，通过变比降水槽试验来研究泥沙淤积高度与河道水位变化规律。

试验模型整体布置如图1所示，主要由量水堰、上游水池、变坡水槽、可升降淤积体、下游水池与回水循环系统组成。水槽宽度20 cm，深30 cm，在水槽侧墙每隔20 cm设置水深观测刻度标尺。为了简化模型试验，淤积体采用有机玻璃模拟，并具备实时调节高度功能。

图1(Fig. 1)

图1 实验水槽布置 Fig. 1 Experimental setup

模型试验中，观测试验工况如表1所示，其中水槽底坡分别为1%、2%、4%和6%，由于不同底坡条件下，故水位对淤积体高度的响应存在差异。

表1(Tab. 1)

表1 试验基本参数 Tab. 1 Basic parameters of the test

表1 试验基本参数 Tab. 1 Basic parameters of the test 组次 坡度 $ {i_{1}} $ /% 流量 $ Q $ /(L·s–1) 临界水深 $ {h_{\rm k}}$ /cm 1 1 6.95 4.98 2 8.24 5.57 3 9.47 6.12 4 2 4.81 3.89 5 5.30 4.15 6 6.09 4.56 7 4 3.13 2.92 8 3.97 3.43 9 4.80 3.89 10 6 1.71 1.95 11 2.20 2.31 12 2.72 2.66

观测得到水位涨落与淤积高度增减过程中，水位随淤积体高度变化呈不同的变化规律。模型试验中，主要模拟了两个流态转化过程。1）河段输沙能力减弱，部分泥沙在河道内逐渐淤积，在形成淤积体过程中的流态转化规律；2）来流与泥沙补给量均减少，淤积泥沙逐渐被冲刷，在淤积高度降低过程中的流态转化规律。整体而言，在固定流量下，随高度增加，淤积发生范围内的水流流态会由均匀流转化为反坡水跃；而随淤积体高度降低，水流流态会由反坡水跃或局部壅高水流转化为均匀流。发生水位陡增和突降时的水面线对比如图2所示，分别由实心和空心实线表示。

图2(Fig. 2)

图2 水位陡增与骤降时的沿程水位规律 Fig. 2 Water level changes before and after hydraulic jump occurs at four slopes

在淤积高度逐渐增加过程中，当高度较小时，水流沿淤积体均匀流动，呈急流流态；当淤积体高度增大到一定程度时，会在淤积体迎水面处突然形成反坡水跃，继而导致淤积体前水位陡然增加。反之，在淤积体高度降低过程中，淤积体范围水流会逐渐恢复为均匀流流态。

不同试验工况下，淤积体起始断面与最大淤积断面的水面高程变化统计成果如表2所示。

表2(Tab. 2)

表2 水跃前后，淤积体起始断面和最大淤积断面的水位倍比统计表 Tab. 2 Water level multiples at initial section and maximum silting section before and after hydraulic jump

表2 水跃前后，淤积体起始断面和最大淤积断面的水位倍比统计表 Tab. 2 Water level multiples at initial section and maximum silting section before and after hydraulic jump 坡度/% 流量/(L·s–1) 淤积体起始断面 最大淤积断面 1 6.95 3.93 1.69 8.24 4.13 1.65 9.47 3.94 1.67 2 4.81 4.64 1.82 5.30 4.52 1.50 6.09 4.33 1.68 3 3.13 4.93 1.87 3.97 5.53 1.79 4.80 4.95 1.81 6 1.71 4.46 1.81 2.20 5.29 1.95 2.72 5.73 1.96

在淤积体起始断面处，水位突增为前一状态的约3～6倍；在最大淤积断面处，水位突增为前一状态的约1～2倍。泥沙一旦淤积在河床，即使上游来沙甚至来沙终止，水流将床沙带走的过程也相当缓慢。因而，河道中的淤积体若导致反坡水跃的发生，河道将会在高水位状态下持续很长时间，这对于很多工程而言都是灾难性的。

前述观测成果表明，在河道内泥沙淤积高度增加或降低过程中，淤积体局部水位会出现突增或陡降的流态转化。不同试验工况，水位突增或陡降过程中的水位变化规律如图3所示，其中由泥沙淤积增高引起的水位突增过程在A–B–C趋势线，由淤积体高度降低引起的水位陡降过程在C–D–A趋势线。图3中内趋势线说明引起水位突增的淤积体高度（简称：上临界淤积高度 $ {h_{{\rm{s}}1}}$ ）与引起水位陡降的淤积体高度（简称：下临界淤积高度 $ {h_{{\rm{s}}2}}$ ）并非同一高度，上临界淤积高度始终大于下临界淤积高度。

图3(Fig. 3)

图3 成灾区的划分 Fig. 3 Division of disaster areas

在同一坡度下上（下）临界淤积高度，会随流量的增大而增大。统计得到上（下）临界淤积高度随入流边界和河流边界的变化规律如图4所示。在不同坡度下，可能出现成灾区的上（下）临界相对淤积高度范围，见图5。

图4(Fig. 4)

图4 同一坡度下，上（下）临界相对淤积高度的变化规律 Fig. 4 Scope of critical values inpossible disaster areas at the same slope

图5(Fig. 5)

图5 不同坡度下，出现可能成灾区的相对淤积高度范围 Fig. 5 Scope of critical values inpossible disaster areas under different slopes

通过上述分析，作者发现临界淤积体的高度与来流条件、河道坡度、迎水面坡度等因素有关。因而，通过多元线性回归的方法，引入上述3个变量，可得到上临界淤积高度计算表达式（1）和下临界淤积高度表达式（2）。

式中， $ {h_{{\rm{s}}1}}$ 为淤积体上临界高度， $ {h_{{\rm{s}}2}}$ 为淤积体下临界高度， $ h_{\rm{k}}$ 为临界水深， $ i_1$ 为河道坡度， $ i_2$ 为淤积体坡度， $ Fr$ 为来流的弗汝德数。

在涉河建筑物及岸边建筑物的防洪标准大多利用相应的多年洪水位加上超高，并未考虑山洪携带泥沙进入河道产生的逆行淤积，并随之导致的水位激增。通过式（1）、（2）可知，来流变化与临界淤积高度的关系，并可得到该区域发生水位激增的可能性。这将为实际工程提供有利的科学依据，同时为特大山洪防灾减灾提供技术支持。

当强输沙水流进入相对较缓的下游后，河道中将可能形成逆向发展的淤积体。在床面淤积和水跃作用的共同影响下，致使淤积体附近水位骤然增加。在本次实验中，通过在陡坡水槽上布置概化淤积体模型，探求水位激增与淤积体高度之间的规律，得到以下结论：

1）淤积体高度的调整会导致水跃形成和消失，并且对应的临界淤积体高度也不同。淤积高度增加过程中，淤积体上游水位最大增幅可达6倍；淤积体降低过程中，水位恢复呈滞后性。

2）以临界淤积高度为标准，将含有沿程淤积体河段的灾害可能性划分为3类。在图3中，下临界淤积高度以左为安全区，上临界淤积高度以右为成灾区，两线之间为可能成灾区。

3）临界淤积体的高度与来流条件，河道坡度和淤积体迎水面坡度有关。根据实验数据，利用多元线性回归的方法，确定出（上）下临界淤积高度表达式，进而可判断出在含有沿程淤积体的河段发生水位激增的可能性。