Page 98 - 2023年第54卷第12期

场测量、试验及数值建模分析认为，季节性冻融过程可显著降低临界剪切应力，增加河岸可蚀性。除
河岸外，寒区河流会形成水内冰、锚冰等，改变了河流水力、热力、几何边界条件，对泥沙输移会产
生影响。Ｔｕｒｃｏｔｔｅ等 ［１６］ 指出，当冬季气温降至约 ０℃时，河流水体会过冷，水冷却与相关运动黏度的
变化会直接 影 响 泥 沙 输 移 能 力，水 体 冷 却 会 产 生 大 量 水 内 冰，水 内 冰 会 在 床 面 聚 集 并 不 断 增 长。
Ｋｅｍｐｅｍａ等 ［１７］ 对 Ｌａｒａｍｉｅ河考察发现，由水内冰形成的锚冰能够包裹河床表层颗粒，受热时释放或融
化，以独特的冻融形式影响河床表面泥沙。现阶段，对高纬度河流的冻融过程研究以河岸崩塌及河冰
运动为主，尽管有学者解释冰川河流推移质运动绳套特征时会提出冻融影响的观点 ［１８ － １９］ ，但鲜少有研
究关注并量化确定冻融物理过程对推移质输沙特性及河床稳定性的影响。
鉴于此，本研究在水槽内运用均匀沙及非均匀沙模拟冲刷河床，以无冻融影响的室温（ ２０℃）恒定流
推移质输沙为基准实验。使用内嵌分体式可移动沙槽对测试沙床开展分段冷冻及融化，并按顺序合并
构成完整测试沙床，然后在相同室温环境（ ２０℃）及实验条件下开展恒定流推移质输沙目标实验，综
合比较基准实验（无冻融影响）与目标实验（有冻融影响）中推移质输沙率及输沙级配组成的差异；基
于差异分析来揭示冻融作用对推移质输沙及组成的影响。研究结果有助于认识寒区河流泥沙运动及河
床稳定状况，有利于保障寒区水利工程安全运行与河道管理，有益于分析及预测变化环境下寒区河流
发展与演变趋势。

２ 材料与方法

２．１ 研究方案 实验目的是确定及量化河床表层冻融对推移质运动特征的影响。为此，分别开展无冻
融过程的常温推移质输沙基准实验及有冻融影响的常温推移质输沙目标实验。除均匀沙外，还考虑了
非均匀沙，根据是否存在冻融影响及河床泥沙粒径组成情况，实验分为 ４个系列，分别为 ＦＴＦ － Ｕ、
ＦＴＩ － Ｕ、ＦＴＦ － Ｎ及 ＦＴＩ － Ｎ。实验系列 ＦＴＦ － Ｕ为无冻融影响的常温均匀沙基准实验，主要开展常温恒定
流驱动下的均匀推移质运动测试。实验系列 ＦＴＩ － Ｕ是有冻融影响的均匀沙输沙实验，鉴于水槽长度远
大于冻融恒温箱尺寸，设计并运用内嵌分体式可移动沙槽对测试沙床实施多段分割，并以分段形式先
后执行冷冻、融化及回归水槽原位的操作，待分段冻融测试完成且在水槽归位、沙槽两侧固定于水槽
边壁且按顺序构成完整测试沙床后，保证坡度、流量等实验条件与实验系列 ＦＴＦ － Ｕ相同的前提下，开
始常温恒定流均匀推移质运动目标实验，实验系列 ＦＴＦ － Ｕ与 ＦＴＩ － Ｕ沙床均由粒径相等的均匀沙构成；
系列 ＦＴＦ － Ｎ为无冻融影响的常温非均匀输沙基准实验；系列 ＦＴＩ － Ｎ为有冻融影响的非均匀推移质输
沙目标实验，其与系列 ＦＴＦ － Ｎ测试用沙完全相同。要说明的是，对任何实验系列，特别是无冻融过程
的 ＦＴＦ － Ｕ及 ＦＴＦ － Ｎ系列，均使用内嵌分体式可移动沙槽，以保证基准实验与目标实验中的常温输沙
测试条件一致。
２．２ 实验设备 主体实验设备为矩形变坡水槽，全长 ２０ｍ，宽 ０．５ｍ，高 ０．５ｍ。如图 １所示，实验
沙床布设在水槽下游，由前端定床粗沙过渡区、中间动床输沙测试区及末端粗沙定床尾流区三段组
成，其长度分别为 １．５、２．８、１．２ｍ；前端定床粗沙过渡区可抑制河床冲刷，促进水流在垂向及水平方
向充分紊动；中间动床输沙测试区铺设有均匀沙与非均匀沙，在测试区下游出口处安装有敞口接沙
篮，接沙篮的长宽深分别为 ０．４、０．５、０．２ｍ，由于接沙篮容积有限，需在接沙篮未淤满泥沙前及时终
止实验。实际上，本研究中的任何一组测试终止时接沙篮淤积均未达到其体积的 ５０％。末端粗沙定床
尾流区也可抑制冲刷，防止泥沙颗粒从水槽系统随水流进入水管及水泵等，影响系统正常工作。用标定
块设定铺沙磨平器的铺床高度，实验过渡区、测试区及尾流区三段的铺沙高度均为 ７．０ｃｍ。
关键实验设备是具备低温冷冻及高温融化功能的恒温箱，其内箱高宽深为 １．０ｍ× １．０ｍ× ０．８ｍ，
控温范围为－ ６０～１５０℃，控 温 精 度 为 ±０．０２℃，控 温 分 辨 率 为 ０．０１℃，内 箱 温 度 分 布 均 匀 度 为
±２．０℃。恒温箱设备的温度控制有定值模式，可按一定的时间或比例达到温度的设定值，降温速率为
１．０℃?ｍｉｎ，升温速率为 ３．０℃?ｍｉｎ。
水槽远大于恒温箱尺寸，且水槽不可移动，无法直接使用恒温箱来调控水槽沙床温度；另外，水

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