凹岸崩塌体对急弯河道水力特性的影响

二元结构河岸下部非黏性土层持续冲刷侵蚀, 上部黏性土体崩塌并堆积于凹岸坡脚, 改变弯道水流结构并影响河岸二次侵蚀过程。为探究崩塌体对急弯河道水力特性的影响, 以荆江石首河段为背景, 建立弯道三维水流数学模型, 模拟不同崩塌体尺寸下的弯道水流结构, 并对比分析壁面剪切力的变化规律。结果表明: ①崩塌体堆积于凹岸坡脚驱离水流动力轴线, 减小凹岸次环流强度并改变环流方向。②崩塌体对弯道不同区域壁面剪切力的影响不同, 其中, 床面及凸岸坡面的平均壁面剪切力增大; 凹岸坡面平均壁面剪切力在崩塌体头部及上游区域减小, 在崩塌体尾部区域增大。③崩塌体越大, 剪切力变化幅度越大, 剪切力相对变化幅度为崩塌体截面积变化幅度的2%~10%。研究成果可为河道整治及岸线规划利用提供技术支撑。     

荆江段河岸粘性土体抗冲特性试验

粘性土体具有较强的抗冲能力,其抗冲性强弱决定了河岸的侵蚀速率。为了估算河岸的侵蚀速率,确定粘性土体的起动条件、侵蚀系数及两者之间的数量关系非常重要,为此开展了荆江段河岸粘性土体起动条件与冲刷特性的水槽试验研究。根据试验结果获得了粘性土体的起动流速与土体液限/自然含水率之间关系以及起动切应力与干密度、起动切应力与液性指数之间的定量表达式,综合反映了粘性土起动条件与其物理性质指标之间的关系;结合冲刷特性试验结果,还获得了土体侵蚀系数随起动切应力的变化规律,并与已有其他试验结果进行了比较。结果表明:荆江河岸粘性土侵蚀系数均比相同条件下其他公式计算值偏大,这与该试验土体中粘粒含量相对较低、土体结构受到扰动等因素有关;根据试验结果,拟合得到了荆江河岸粘性土侵蚀系数与起动切应力之间定量关系式,其相关系数R2=0.90,故该关系式能为荆江段崩岸过程的计算提供参考依据。     

流滑型崩岸河岸侧蚀模式初探

流滑型崩岸是冲积河流河岸常见的一种崩塌形式,其发展速度快、破坏力强;该类崩岸主要取决于水流的直接冲刷,河岸崩退过程中水面与岸顶高差较小.依据此类崩岸的特征,基于水流冲刷分析,在基础层面上初步探讨并建立了流滑型崩岸的河岸侧蚀模式.结合水槽试验与土工离心模拟试验,对该模式进行了分析研究,初步率定了模式中的河岸侧蚀系数,计算...     

弯道凹岸不同部位崩塌体对近岸水流结构影响的试验研究

二元结构河岸失稳后,上部河岸发生崩塌并堆积在近岸,从而改变近岸水流结构并影响河岸二次侵蚀过程。为了探索弯道凹岸不同部位的崩塌体对近岸水流结构的影响,以长江中游石首河段为背景,开展概化模型试验,采用多普勒流速仪（ADV）精细测量崩塌体附近三维水流流速,并对比分析有无崩塌体时水流及壁面剪切力的变化规律。结果表明:位于顶冲点上游的崩塌体,使纵向流速最大区域远离凹岸,从而使崩塌体与河岸坡脚之间区域内的平均壁面剪切力减小;而位于顶冲点下游的崩塌体,使纵向流速最大区域靠近凹岸,从而使崩塌体与河岸坡脚之间区域内的平均壁面剪切力增大。研究成果丰富了对二元结构河岸侵蚀过程的认识,有利于河岸侵蚀模型的发展与完善。     

水流冲刷过程中的边坡临界滑动场及河岸崩塌问题研究

针对河岸崩塌问题分析和研究,在考虑江河水位升降引起坡外水压力变化及坡内非稳定渗流基础上,同时考虑水流冲刷引起的河床冲深及河岸后退,提出了水流冲刷过程中的边坡临界滑动场和适用于天然江河崩岸的数值模拟,并对水流冲刷过程中的崩岸问题进行了分析。通过对两类不同土质岸坡的崩岸数值模拟,分析了水流冲刷引起的河床冲深及河岸后退过程中坡体的稳定性变化,探讨了不同土质岸坡的崩岸类型及崩塌模式。结果表明,坡度较陡的黏性岸坡崩塌时趋近于平面破坏且通过坡脚;坡度较缓的粉土岸坡崩塌时沿曲面破坏,且在水位骤降过程中易发生局部崩塌。     

长江荆江河道演变与崩岸关系分析

荆江位于长江中游的上段,因其流经荆州而得名.新中国成立后.护岸工程的实施,增强了荆江河岸抗冲能力.抑制了近岸河床的横向发展,但局部河势出现了一定程度的调整,有的河段河势变化剧烈,荆江河道崩岸仍然十分频繁.本文分析总结了荆江近期河道演变的特点;分析研究了河道演变过程中主流线的变化、河道冲刷对崩岸模式的影响.从而得出:主流线的变化、河道的冲刷变化可能诱发崩岸产生,崩岸如果得不到有效控制将会影响河势的发展.     

三峡工程运用后荆江段崩岸过程及特点

为研究近期荆江段崩岸过程及特点,利用实测水下地形图及固定断面资料,分析了三峡工程运用前后该河段平面及断面的形态变化过程。平面形态对比结果表明:2002-2013年荆江段多年平均崩退速率约为15.0 m/a,崩岸总长达42.3 km,左岸占59.2%;下荆江岸线崩长约为上荆江的2.2倍,且石首、调关及荆江门等河湾凸岸一侧受低含沙水流长期冲刷不断崩退,其岸线崩长约占下荆江崩岸总长的35.5%。断面形态对比结果显示:2002-2015年荆江段约有21%断面存在明显的崩岸现象,且近74%的崩岸断面位于下荆江。故近期荆江段崩岸分布规律主要表现为左岸多于右岸,下荆江多于上荆江,且下荆江部分河湾凸岸崩退显著。定量分析了河岸土体组成与分布、来水来沙条件等因素对崩岸过程的影响,发现来水来沙条件的影响占主导地位。建立了上、下荆江典型断面平滩河宽与前期水沙条件之间的经验关系,除工程守护良好的断面外,相关系数均高于0.85,提出的经验公式可较好反映水沙条件变化对平滩河宽调整的影响。     

水流冲刷过程中河岸崩塌问题研究

采用土工数值分析方法,对水流冲刷过程中的河岸崩塌问题进行了分析。分析了水流冲刷引起的河岸后退距离及后退过程中坡内的渗流情况与坡体的稳定性;探讨了水流冲刷过程中岸坡崩塌的发生机理;指出了坡内的渗流作用与坡前水流的冲刷作用是岸坡发生崩塌的主要动力因素,而岸坡土体的物质组成和分布、岸坡坡度等则是岸坡发生崩塌的主要内在因素;并提出了相应的工程防护措施。     

分层岸滩侧蚀坍塌过程及其水动力响应模拟

非均质岸滩广泛分布于冲积河流中,其侧蚀过程沿垂向具有分层特点。基于全三维水沙模型及河岸侧蚀坍塌力学模式,提出动态网格跟踪技术,构建了非均质岸滩侧蚀沿垂向差异的三维动力学模拟方法。以连续弯道概化水槽为例,模拟分析了非均质河岸侧蚀过程中三维水流结构的响应特征。研究结果表明:坡脚冲刷后,底部主流向凹岸偏移,在已有弯道环流的基础上,于坡脚处出现一反向次生流;上部粘性土层坍塌后,崩塌土体堆积于坡脚处,上部主流明显左偏,下部次生流消失;随着坡脚堆积体的冲刷搬运,下部主流进一步向凹岸偏移;如此循环,主流不断向凹岸偏移,致使岸坡持续崩退、河道摆动。     

崩塌体水力输移与塌岸淤床交互影响试验

以二元结构河岸崩塌模式为研究背景,在弯道水槽中展开系列试验,研究凹岸坡脚处成型崩塌体在水力作用下输移过程及其对岸坡稳定性与河床冲淤的交互影响。试验成果表明,崩塌体经水力分解破碎呈块状、片状或颗粒状起动,部分随水流带至凸岸或下游,堆积在坡脚附近的崩塌体残留量随水力作用大小及土体特性不同而变化。崩塌体临水面周围尤其上下游端水流紊动强烈易形成较大剪切力区,临坡面上下游端附近剪切力较无崩塌体时减小;崩塌体体积越大,对剪切力区特征的改变也越明显。崩塌体的存在虽不能制止附近岸坡的再次崩塌,但可能抑制崩岸发展及附近河床淤积的程度,崩塌体的粘性或体积越大,这种抑制作用越显著;相同崩塌体抑制附近河床淤积的程度较抑制岸坡崩塌的程度大。     

不同近岸河床组成情况下岸坡崩塌试验

在弯道水槽中开展6组试验,分别用非黏性土及黏性土填筑河床,研究相同水力作用下近岸河床组成对黏性岸坡崩塌的影响规律。研究发现,在试验给定的岸坡及河床组成情况下,非黏性河床凹冲凸淤且总体表现为淤积,近岸河床及凹岸岸坡冲刷强度大,凸岸附近床面上泥沙掺混较明显;黏性河床及凹岸岸坡均被冲刷,河床主流区冲刷强度比近岸河床及凹岸岸坡大。相较于黏性河床,非黏性河床近凹岸处较易冲刷,水流结构重新调整,凹岸坡脚处水流流速及紊动能可增至2倍左右,环流强度可增至11倍,加速了岸坡崩塌及崩塌体的分解输移;非黏性河床近凹岸坡脚处变形以及凹岸岸坡崩塌量均相对较大,岸坡崩塌强度为河床淤积强度的2~4倍,崩塌物质可充分补给河床的泥沙来源;经水力冲刷后非黏性河床组成情况下形成的河道滩槽高差相对较小,河道横断面相对宽浅。     

岸滩侧蚀对航道条件影响的三维数值模拟——以长江中游太平口水道为例

长江中游河道岸滩侧蚀现象普遍,易对航道稳定形成不利影响,深入研究岸滩侧蚀冲刷机理及其航道响应过程具有重要意义。建立了考虑相邻土体影响的黏性岸滩侧蚀坍塌力学模式,以长江中游太平口水道为例,基于局部网格可动技术,构建了岸滩侧蚀及其河床冲淤变化的三维水沙动力学模型;在模型验证相似的基础上,分析了清水冲刷条件下腊林洲边滩侧蚀对太平口水道航道格局的影响。研究结果表明:模型可较好地模拟由岸滩侧蚀所引发的河势演变过程;上游来沙减少后,太平口水道河床以及未守护低滩部位将进一步产生冲刷;腊林洲边滩稳定与否,对太平口水道“南槽-北汊”航道格局的稳定具有重要作用。     

黄河上游沙漠宽谷河段塌岸引起河道横向变化特征

通过黄河上游沙漠宽谷河段现场考察及实测资料分析,依据河岸物质来源及组成将黄河上游崩塌河岸划分为粘性河岸及非粘性风沙堆积河岸两大类,前者可分为平面崩塌、弧形滑动崩塌和复合式崩塌3种类型,后者表现出非粘性河岸的表层滑移及平面崩塌两种形式。进一步以磴口、乌海河段为例,分析粘性河岸和风沙堆积河岸的塌岸特征,并结合近10年的遥感影像解译分析河岸线崩退变化规律,揭示塌岸引起河道横向变化特征。结果表明粘性河段的塌岸后退距离大于风沙堆积河段,局部河段短期出现凹退凸淤的动态岸线变化特点,但全河段长期仍然处于总体淤积的态势。     

Review of River Bank Erosion Research

Riverbank erosion is a critical style of lateral channel change. It threatens the arable land, ecological environment, as well as the people’s lives and properties along the river. Through review on the research process of riverbank erosion globally, four aspects were classified and described: ①Riverbank erosion processes and mechanisms. The occurence and development of riverbank erosion is quite complicated, composed by multiple processes, which are hard to separate with each other. Therefore, the scholars have proposed a lot of theories to describe the processes. Among the theories, “Riverbank Stability Theory” has been widely recognized and developed. ②Factors of riverbank erosion. The key factors that affect riverbank erosion include hydrology conditions of the river, soil properties, geomorphology, vegetation of the river bank and meteorology. However, it should be noted that the importance of different factors in the collapse process is not equivalent and effects of the same factor on different rivers are various. ③Riverbank erosion estimation. With the tremendous improvement of quantification recently, time interval of erosion measurement is shortening continuously, while spatial scale is larger and larger. At the same time, resolution is becoming increasingly high. Erosion pin was commonly used in early studies because of its easy use and low cost, whereas remote sensing and digital photogrammetry have more advantages in modern measurement. ④Modeling of riverbank erosion. At present, the models are mainly based on the fundamental theories of hydraulics and soil mechanics, to study river bank stability. According to the review of the four aspects above, problems of recent researches and prospects of possible development in the future were discussed. The researchers should pay much attention to temporal spatial distribution of riverbank erosion first before further research. The study would be greatly helpful to the researchers for the specific river reach when choosing the proper theories as well as technologies for measurement and quantification, study the riverbank erosion through both macroscopic and microscopic views, and predict the erosion for management purpose.     

均质土岸坡崩塌与河床冲淤交互过程试验

在弯道水槽中展开系列试验,研究水力冲刷过程中均质土岸坡冲刷崩塌输移与河床冲淤过程及其影响因素。该过程及变化特征可描述为:水下坡面侵蚀及坡脚淘刷导致岸坡失稳崩塌;暂时堆积在凹岸坡脚处的崩塌体加剧附近水流紊动程度利于其输运与分解;分解后较粗的颗粒随弯道螺旋流以推移质形式被输移至下游凸岸落淤,较细的颗粒大部分都随水流以悬移质形式被携带至下游出口;水流结构随岸坡及河床变形而调整;如此循环往复。试验成果进一步表明:冲刷状态下,试验材料黏性越小、近岸流速越大、作用时间越长,岸坡冲刷崩塌量及河床冲刷量都越大;同条件下岸坡冲刷崩塌总量大于河床冲刷总量,且河床相对冲刷率随岸坡冲刷崩塌量的增大而减小,数值范围为0.40~0.92。     

中国北方季节性冰冻河流岸滩崩塌数值模拟——以松花江为例

季节性冰冻河流（季冻区河流）受水动力-冻胀/冻融耦合作用,岸滩崩塌机理复杂,且对河道演变具有重要影响。通过建立水动力-冻胀/冻融耦合作用岸滩崩塌力学模式,以中国东北地区松花江干流大顶子山航电枢纽下游近坝段为例,开展季冻区河流岸滩崩塌及河道演变的三维数值模拟分析。研究结果表明:岸滩坡脚侧蚀主要由水力冲刷所控制,冻胀作用使岸滩开裂深度增加,冻融过程则会使岸坡土体力学强度降低,影响岸滩稳定;岸滩崩塌对季冻区天然河流演变具有显著影响,考虑岸滩崩塌的模拟结果与天然实测结果基本吻合,可较好地模拟河床冲淤、岸滩崩塌所引起的河道演变过程。研究成果可为季冻区河流岸滩崩塌及河道演变的深入研究提供技术支撑。