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。     

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。     

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。     

水力冲刷过程中塌岸淤床交互影响试验

在弯道水槽中展开系列试验,研究水力冲刷过程中非粘性岸坡冲刷崩塌与河床冲淤交互作用过程及其影响因素,进一步分析塌岸淤床泥沙贡献率。试验成果表明,水流冲刷过程中岸坡破坏是水流淘刷岸坡坡脚、岸坡崩塌及崩塌体淤积坡脚并在河床上输移掺混的交互作用反复循环过程。塌岸淤床模式及掺混程度与近岸流速、主流贴岸程度、水位及河床边界条件等关系密切。近岸流速越大、水位越高,岸坡总冲刷坍塌量、河床总淤积量以及河床累计淤积率也越大,稳定后的岸坡越趋平缓;河床可动程度越大,岸坡总冲刷坍塌量及其在河床上的总淤积量也越大,但河床累计淤积率却越小;水位越高,在弯道段等横向输沙强度较大的地方,岸坡冲刷崩塌体与河床发生掺混的程度也越大。     

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。     

下荆江二元结构河岸土体特性及崩岸机理

三峡水库蓄水后下荆江河段河床冲刷下切, 局部河段崩岸险情频繁发生。为研究下荆江二元结构河岸的土体特性及崩岸机理,结合近期该河段崩岸情况,现场查勘了6个崩岸点,并对河岸土体进行了室内土工试验。试验结果表明下荆江河岸土体的垂向组成具有典型的二元结构特征:下部非粘性土（沙土）层较厚,上部粘性土（低液限粘土）层较薄且松散。以河岸崩塌过程分析为基础,提出了二元结构河岸发生绕轴崩塌时上部土层稳定性的计算方法。结合近岸水动力条件计算及土工试验结果,定量分析了二元结构河岸的崩塌机理及其影响因素:① 下部沙土层的起动流速比近岸流速小得多,故该土层容易受水流冲刷;②上部粘性土层崩塌前抗冲强度很大,但多为低液限粘土且相对松散,崩塌后堆积在岸边容易分解并被水流带走;③ 河岸稳定安全系数在一个水文年内呈周期性变化,落水期安全系数最小,故容易引发崩岸,该计算结果与近期崩岸实际统计结果一致。     

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。     

明渠弯道水流平均运动规律试验研究

利用高频粒子图像测速PIV(Particle Image Velocimetry)系统对明渠弯道水流进行了测量,在两种不同试验方式的配合下,不仅提供了大量高精度的平面二维流场数据,还成功重构了弯道水流的三维平均流速场,为深入研究弯道水流复杂的时均流动结构提供了试验依据。试验结果表明,由于弯道曲率不连续,水流主流区在弯道入口位于凸岸附近,随后在离心力的作用下逐渐转移至凹岸,并一直维持至弯道出口;凹岸顶托及环流运动导致不同横向位置处的纵向流速剖面近床面区域速度梯度及最大流速的位置沿程发生改变;弯道曲率越大,最大水深平均纵向流速转移至靠近凹岸一侧的位置离弯道入口越远;受上游直段二次流的影响,环流运动在弯道入口断面呈三涡结构,随后快速衰减为双涡结构;弯道主环流的强度沿程先增加后减小,涡核位置沿程往复摆动。     

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。     

30°分水角明渠水流紊动特性试验研究

灌区分水口多为直角,附近普遍存在冲刷、淤积及结构破坏现象。天然河流分、汇流多为锐角,为探索非直角分水口区域明渠水流紊动特性,以30°分水角明渠为研究对象,采用声学多普勒点式流速仪测量各断面上的三维瞬时流速,分析典型断面上的时均流速、环流强度、紊动强度、紊动能和床面剪切应力分布规律。试验结果显示：分水口处水流横向流速沿渠宽方向变化较大,易形成环流,导致局部冲淤现象明显;靠近口门侧水流紊动强度变化剧烈且分布无规律,最大值出现在口门上唇断面;分水口处下层水体紊动能明显大于上层水体,紊动能较大值多集中在口门附近;口门断面下唇附近床面剪切应力较大,易出现冲刷侵蚀,破坏渠道稳定;与直角分水口相比,分水角为30°时,泥沙颗粒不易进入侧渠道,水流对渠底及边壁侵蚀速率较低。研究结果可为灌区渠系设计及运行提供参考。     

Flow and sediment dynamics in a low sinuosity, braided river: Calamus River, Nebraska Sandhills

The interaction between channel geometry, flow, sediment transport and deposition associated with a midstream island was studied in a braided to meandering reach of the Calamus River, Nebraska Sandhills. Hydraulic and sediment transport measurements were made over a large discharge range using equipment operated from catwalk bridges. The relatively low sinuosity channel on the right-hand side of the island carries over 70% of the water discharge at high flow stages and 50–60% at low flow stages. As a result, mean velocity, depth, bed shear stress and sediment transport rate tend to be greater here than in the more strongly curved left-hand channel. The loci of maximum flow velocity, depth and bed shear stress are near the centre of the channel upstream of the island, but then split and move towards the outer banks of both channels downstream. Variations in these loci depend on the flow stage. Topographically induced across-stream flows are generally stronger than the weak, curvature-induced secondary circulations. Water surface topography is controlled mainly by centrifugal accelerations and local changes in downstream flow velocity. The averaged water surface slope of the study reach varies very little with discharge, having values between 0·00075 and 0·00090. As bed shear stress generally varies in a similar way to mean velocity, friction coefficients vary little, normally being in the range 0·07–0·13. These values are similar to those in straight channels with sandy dune-covered beds. Bedload is moved mainly as dunes at all flow stages. Grain size is mainly medium sand with coarse sand moved in thalwegs adjacent to the cut banks, and with fine sand at the downstream end of the island. These patterns of flow velocity, depth, water surface topography, bed shear stress, bedload transport rate and mean grain size can be accurately predicted using theoretical models of flow, bed topography and sediment transport rate in single river bends, applied separately to the left and right channels. During high flow stages deposition occurs persistently near the downstream end of the island, and cut banks are eroded. Otherwise, erosion and deposition occurs only locally within the channel as discharge varies. Abandonment and filling of a strongly curved channel segment may occur by migration of an upstream bar into the channel entrance at a high flow stage.     

基岩弯曲河段洪水水流结构的试验研究

低坡度基岩弯曲河流在地质构造控制区域广泛存在（床面坡度小于5‰）,洪水对基岩弯曲河流的河床淤积与侵蚀具有较大影响,但以往研究对基岩弯曲河流的洪水动力结构认识不足。通过几何概化基岩弯曲河段,考虑Froude相似与边壁粗糙,建立基岩弯曲河道概化模型,分析洪水下的弯道水面线分布、时均流场与湍流结构特性。结果表明:在洪水流量下,弯顶上游出现最小水面横比降、凸岸水流分离、凹岸双环流发育、流速下潜且二次环流强度达到最大,在弯顶下游水面横比降达到最大并出现环流分裂;床面切应力分布于凸岸水流分离以及弯顶上游中心区域,横向动量输移集中于弯顶上游。试验结果为基岩弯曲河道中的床面侵蚀与沿程淤积提供了水动力方面的解释。