沖積河道沖刷過程中橫向展寬的初步模擬

論文類別:工學論文 > 水利工程論文
論文作者: 夏軍強1, 欣2
上傳時間:2006/2/22 9:06:00

摘要:本文首先描述了沖積河道橫向展寬現象,分析了河岸橫向沖刷、崩塌的機理及展寬原因。然後建立细沙河流一維非均勻懸移質泥沙數學模型,同時結合河道橫向展寬模式,預測沖積河道沖刷過程中,粘性土组成的河岸的橫向展寬過程。此外,還分析了不同來水來沙條件及河岸土體特性對河道橫向展寬和河床沖刷的影響,指出了影響沖積河道橫向展寬的主要因素。

關鍵词:沖積河道 河槽橫向展寬 粘性河岸

1 引言

  在沖積河道中,河床(包括河岸、灘地和主槽)總是處在不斷變化發展之中,其縱向變形和橫向變形的程度取決於床沙質來量和水流挾沙力之間,以及河岸抗沖性能和水流冲刷能力之間的對比關系。在河流上修建工程後,河床變形將更加明顯。

  如水庫在蓄水攔沙期間或非汛期,下泄水流的含沙量很小,下遊河道往往發生长距離的沖刷。河道在縱向沖刷下切的同時,通常伴有橫向展寬現象。據統計,三门峽水庫蓄水運用期間,黃河下遊由於受長時間的清水沖刷,造成灘地大量崩塌,其中最嚴重的是花園口至高村河段,約有200km2的灘地崩塌,灘地的大量崩塌使二灘之間的河槽寬度增加,如花園口至東壩頭的二滩寬度由2563m增加到3633m[1]。此外當水庫淤滿後,为恢復庫容,通常降低壩前水位,采用泄空沖刷的运行方式來排出庫區內淤沙。在泄空排沙過程中,庫區內的主槽不斷沖刷下切,灘槽高差不斷加大,導致失穩崩塌,引起河槽寬度增加。由於岸灘的橫向沖刷、崩塌,不僅嚴重影響岸邊土地的規劃利用、居民的正常生活,而且還危及堤防的安全穩定。因此,模擬河道縱向沖刷過程時,同時模擬沖積河道的橫向展宽過程,對水庫和護岸工程的規劃設計相當重要。但是現有的很多泥沙數學模型,很少模擬河道的橫向變形。

  本文首先分析了沖積河道橫向展寬的機理。在建立細沙河流的一維恒定非均匀泥沙數學模型的基础上,引入Osman and Thorne[2,3]提出的粘性河岸的橫向展寬模式,模拟沖積河道在沖刷過程中的橫向展寬过程。根據一概化河段的模擬結果,預測不同水沙條件下的庫區河道橫断面的變化過程,同時分析不同的河岸土體特性對橫向展寬和冲刷過程的影響。

2 橫向展寬機理

2.1 橫向展寬的主要原因

  一般来講,沖積河道的橫向展寬過程是河岸土體和近岸水流相互作用的結果,即河岸土體的抗沖性和近岸水流的沖刷侵蝕力之間相互作用的結果。除了河岸上植被生長情況、河道內水位變化、滲流、管湧等因素影響河道橫向展寬外,但主要是以下兩種情況,是導致河道橫向展寬的主要原因:(1)通过水流直接橫向沖刷導致展寬。當近岸水流切應力大於土体抗沖的切應力時,岸坡上的泥沙顆粒(或團粒)將被水流帶走,從而導致河道展寬。(2)通過河岸崩塌導致展寬。对粘性土組成的河岸而言,主要以這種方式展寬,即床面沖刷導致岸高增加,或者水流淘刷河岸坡腳,使岸坡變陡,都會降低穩定性,當土体內部的滑動力大於其抗滑力時,河岸部分土體發生失穩、崩塌導致河寬增加。對於非粘性土組成的岸灘而言,當岸坡坡度超過天然情況下泥沙的水下休止角時,邊坡失去穩定,發生滑動。

2.2 影響橫向展寬的主要因素

  影響沖積河道橫向展寬的主要因素有:作用於近岸土體上的水流切應力、近岸土体的幾何、物理化學特性(包括抗冲的臨界切應力、河岸高度等)。

  對作用於近岸上的水流切應力τ而言,在某一特定的過水斷面下,通常為斷面平均水流切應力的0.750.77倍,但是由於河床冲深,過水斷面形態改變。因此上述關系式就不可能存在,因此如果不能較好的估計河岸切應力的分布,可用斷面的平均水流切应力代替。

  對於無粘性土組成的河岸而言,土體以顆粒的狀態被冲走,通常河岸土體抗沖的臨界切應力τc可用泥沙顆粒在斜坡上的起動拖曳力表示。對於粘性土組成的河岸而言,確定τc要比無粘性組成的河岸复雜得多。粘性土的起動不同於較粗的散體泥沙,一般呈團粒、塊狀沖起或一塊一塊的剝落,即粘性土以團粒形式起動,破壞時呈塊狀。因此粘性土抗沖的臨界切應力應為細颗粒泥沙成團起動的切应力,而不是單個細泥沙顆粒的起動切應力[4]

3 一維泥沙數學模型的建立

3.1 基本方程

  水流連續方程

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

(1-1)

  水流運動方程

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

(1-2)

  懸移質不平衡输移方程

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

(1-3)

  河床變形方程

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

(1-4)

式中 Q為流量;AB為过水面積和河寬;Zh為斷面平均水位、水深;Ask為第k粒徑組泥沙的冲淤變形面積;Sk,S*k為斷面懸移質分组含沙量和分組水流挾沙力;ωk為第k粒徑組泥沙沈速;ρ′為泥沙幹密度,g為重力加速度;αk為第k粒径組泥沙恢復飽和系數,n为糙率;xt為距離及時間。

  為簡化計算,采用非耦合解法,即先用二分法解水流方程(1-1)(1-2),求出有關水力要素後,再求解(1-3)式,得各斷面含沙量。最後用(1-4)式計算河床沖淤面積。

3.2 有關參數的處理

3.2.1 水流挾沙力計算

  本文采用在黃河上應用較廣、考虑因素較全面的張紅武挾沙力公式[5]。該公式通過對二維水流單位水體的能量平衡方程式沿垂線積分,经分析整理得出包括全部懸移質泥沙在內的水流挾沙力公式,即

S*=K[(0.0022+SV)u3/κγsmmghωmln(h/6D50)]m

(2)

上式單位均為kg m s制。γs、γm为泥沙和渾水容重;κ為Karman常數,与含沙量有關;SV為體積比含沙量;ωm為非均勻沙的代表沈速;D50為床沙的中值粒徑,Km为參數,一般分別取2.50.62。上式不僅適用於一般挾沙水流,而且更適用高含沙紊流,充分考慮含沙量對挾沙能力的影响。經其他人分別開展的驗證結果表明,該式計算精度明顯優於其它公式。

3.2.2 挾沙力級配計算

  懸移質分組挾沙力級配是數學模型計算中的關鍵問題,然而由於天然河道中水沙條件的復雜性,至今仍未得到較好的解決。本文在計算中采用李義天提出的方法[6],這種做法是在輸沙平衡時,認為第k粒径組泥沙在單位時間內沈降在床面上的總沙量等於沖起的總沙量,然後根據垂線平均含沙量和河底含沙量之間的關系,確定懸沙級配和床沙級配的關系。其特點是同時考慮了水流條件和床沙組成對挾沙力級配的影響。

3.2.3 床沙級配計算

  為模擬冲刷過程中的床沙粗化現象,本模型將床沙分為兩大層,最上層的床沙活動層及其該层以下的分層記憶層。床沙活動層的厚度為Hm,相應的級配為ΔPbk。分層記憶层可根據實際情況共分n層,各層的厚度及相應的級配分別為ΔHn、ΔPnk。在計算中,當各粒徑組泥沙发生淤積時,則記憶層數相應增加,即為n+1層,且該層的級配為t時刻的床沙活動層級配ΔPtbk。當各粒徑組泥沙均发生沖刷時,根據沖刷量的大小,記憶層數相應減少若干層,且級配作相應的調整。

  已知某斷面的各粒徑組的沖淤厚度ΔHsk,及總的沖淤厚度ΔHs,則床沙級配的調整計算,通常可分為以下2種情況計算:

  (1)總的沖淤厚度ΔHs>0的情況,則床沙活動層的級配可用下式計算

ΔPbkt+Δt=ΔHsk+ΔPtbk(Htm-ΔHs)/Hmt+Δt

(3-1)

式中 ΔPtbk、ΔPbkt+Δt分別為第t時刻、t+Δt時刻的床沙活動層的級配。HtmHmt+Δt分別為第t時刻、t+Δt时刻的床沙活動層的厚度。

  (2)總的沖淤厚度ΔHs<0的情況,則床沙活動層的級配可用下式計算

ΔPbkt+Δt=ΔHsk+ΔPtbkHtm+ΔHs.ΔPremk/Hmt+Δt

(3-2)

式中 ΔPtbk、ΔPbkt+ΔtHtmHmt+Δt同前面。ΔPremk為若幹個記憶層内的床沙平均級配。

  對於床沙活動層厚度Hm,既與水流條件有關,又與床沙組成条件有關。隨著河床变形和來水來沙條件的影響,床沙活動層的厚度和組成是不断變化的。由於問題的復雜性,目前要從數學上嚴格定義和表達床沙活動層厚度的公式,還比較困難。盡管已有許多學者對這一問題,進行了研究,給出了一些計算方法[7]。但這個問題不能考慮過細,一方面缺乏床沙級配沿垂向變化的實測資料;另一方面考慮過細,不一定就能提高精度。故本文采用前人常用的處理方法,取一固定的床沙活動層厚度2m

3.2.4 恢復飽和系数的取值

  恢復飽和系數α,反映了懸移質不平衡输沙時,含沙量向水流挟沙力靠近的恢復速度。對於α的取值,既與來水來沙條件有關,也與河床斷面形態有關,是一个十分復雜的參數,它在河床變形計算中起著很大的作用。但對如何具體取值,目前還沒有統一的規定。盡管不少研究者[8]認為α的取值应大於1,即認為α為近底含沙量與垂線平均含沙量的比值。當前,許多模型所使用的恢复飽和系數的取值都是經驗性的,如韓其為[9]等人通過實測資料率定計算,南方河流的α在淤積時為0.25,沖刷時為1.0。象黃河這樣的細沙多沙河流,由於泥沙的有效沈速比較小,在相同的條件下,淤积時含沙量的沿程衰減過程或沖刷时的含沙量沿程增加過程,要更慢一些。因此黃河上的α應該比南方河流小。

  如對不同的粒徑組采用相同的α值,則河床沖淤強度與泥沙粒徑或沈速成正比,当河床處於沖刷狀態時,泥沙粒徑越粗,河床沖刷量越大;泥沙粒徑越細,河床沖刷量越小。結果使河床發生細化現象,这顯然與實際情況不符。為此本文在计算中采用韋直林[10]在黃河下遊泥沙數學模型中用的計算方法,即對不同的粒徑組泥沙采用不同的α值

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

(4)

式中 ωk為第k粒徑組的泥沙沈速,單位為m/s

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4 河道橫向展寬的计算模式

  為預測沖積河道演變過程中的河寬變化,過去常用的方法多為沖淤平衡方法[11],包括許多經驗公式、理論和假設。如通過分析、整理和統計天然河流實測資料得出的河床寬深關系式,如張紅武的河相關系式[5];如各种極值假說,常見的有水流功率最小[12]、水流能耗率最小[13]、輸沙率最大[14]等。由於這些方法都是用來預測河道由沖淤不平衡狀態到沖淤平衡状態時河寬調整的大小,無法确定河道處於沖淤不平衡情況下的河寬變化。因此本文采用文獻[2,3]提出的橫向展寬計算模式,該模式為水動力學 土力學的分析方法,即采用水動力學模型計算河床沖深,用土力學方法分析河岸是否會發生崩塌,主要用於預測粘性土體組成的河岸的橫向展寬過程。具體計算過程如下。

4.1 横向沖刷距離

  在Δtsec)時間內,粘性河岸被水流橫向沖刷後退的距離為

ΔB=Δt/60×2.1854×10-2×(τ-τc)/γse-1.3τc

(5)

式中 γs河岸土體的容重(KN/m3);ΔB為Δt时間內河岸因水流側向沖刷而後退的距離(m);τ為作用在河岸上的水流切應力(N/m2);τc為河岸土體的起動切應力(N/m2)

4.2 河岸穩定性分析

  當河床沖深ΔZ,河槽沖寬ΔB後,相應的河岸高度增加,岸坡變陡,河岸穩定性降低,因此本文根據土力學中的邊坡稳定性關系,用來計算河岸初次崩塌時臨界條件下的河岸高度、破壞面和水平面的夾角β等參數。在河岸穩定性分析中采用如下假定:如河岸土體由粘性沙組成且垂向分布均勻;河岸土體崩塌時的破壞面為斜面,且通過坡脚;在穩定性分析中不考慮其他因素的影響,盡管有些因素在特定情況下對河岸崩塌很重要;此外本文僅考慮河岸坡度大於60度的陡坡稳定情況。

4.2.1 河岸初次崩塌

1為河岸發生初次崩塌時的河岸形態,在已知初始河岸高度H0,初始河岸坡度i0的情况下,根據水動力學模型計算得到的床面沖刷深度ΔZ,由式(5)計算橫向沖刷寬度ΔB,確定沖刷後的河岸高度H1以及轉折點以上的河岸高度H2,即可計算相對河岸高度的實測值(H1/H2)m。當河岸發生初次崩塌時,破壞面與水平面的夾角為β,即β=0.5×{tg-1[(H1/H2)m(1.0-k2).tg(i0)+Φ}(6)式中 k為河岸上部拉伸裂縫的深度Ht與河岸高度H1之比,一般取0.5Φ為河岸土體的內摩擦角。由(6)式求出β後,便可采用土力學中的邊坡穩定性分析,計算將要發生崩塌時相對河岸高度的分析解(H1/H2)c,即

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

1 河岸初次崩塌示意圖
Sketch of initial bank failure

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

(7)

式中 λ1=(1-k2)(sinβcosβ-cos2βtgΦ),λ2=2(1-k)C/(γsH2),λ3=(sinβcosβtgΦ-sin2β)/tg(i0),其中C为河岸土體的凝聚力。

 判斷河岸是否發生初次崩塌:若(H1/H2)m<(H1/H2)c,则河岸邊坡穩定,H1不是河岸發生崩塌的臨界高度,則進入下一個時段的水沙計算;若(H1/H2)m(H1/H2)c,則河岸邊坡不穩定,H1是河岸發生崩塌的臨界高度,且同時利用河岸幾何形态關系,計算河岸崩塌土體的宽度及單位河長的崩塌体積;若(H1/H2)m>(H1/H2)c,則河岸边坡已發生崩塌,在這種情況下計算得到河床沖刷深度ΔZ,橫向冲刷寬度ΔB值偏大,此時可通過減小計算時段步長來調整。

4.2.2 河岸二次崩塌

 若河岸已發生初次崩塌,則假定以後的河岸崩塌方式為平行後退,即以后邊坡崩塌時的破壞角度恒為β,見圖2。可用上述類似的方法,確定(H1/H2)m,在以後的河岸穩定性分析中,可用下式計算(H1/H2)c,即

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

(8)

式中 ω1=sinβcosβ-cos2βtgΦ,ω2=2(1-k)C/(γsH2)

在已知(H1/H2)m(H1/H2)c的情况下,則河岸的邊坡穩定性分析,可采用類似河岸發生初始崩塌時的方法進行判斷。

  此外,本文在計算中還采用以下假定:認為直接從河岸沖刷下來的和河岸崩塌後產生的泥沙都均勻的鋪在床面上。也就是認為河床的實際沖刷量等于由懸移質不平衡輸沙引起的沖刷量減去河岸的泥沙沖刷量(包括河岸土體崩塌的部分)

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5 算例及結果分析

  由於目前缺少沖积河道橫向展寬的實測資料,故本文采用一概化的模擬河段,研究冲積河道河槽展寬對沖刷過程的影响,同時在考慮河岸可沖刷的情況下,分析了不同的來水來沙條件及河岸土体特性對河道展寬和河床沖刷過程的影響。

5.1 河道概況

假定有一概化的順直河段,長100km,河床初始縱比降為=0.0002,床沙中值粒徑为0.038mm,河道初始糙率為0.02。河道斷面形態為梯形,初始河岸坡度为60°,初始河岸高度為8.0m,河槽寬度為400m。在河段出口段修建有一大壩。由於泥沙大量淤積在庫區內,決定降低壩前水位,產生溯源沖刷,以便排出庫內淤沙。在排沙过程中,壩前水位保持不變為105.0m,上遊來流量為2000.0m3/s,且水中基本不挾帶泥沙,即含沙量基本為0。粘性河岸的土體特性:容重γs18KN/m3、內摩擦角Φ為14°、凝聚力C20KN/m2、河岸土體的起動切應力τc3.0 N/m2。在計算中,把模擬河段劃分為100小段,計算時段恒為2天。假定計算初始時刻的全河段的床沙級配相同。

5.2 計算结果分析

  為研究沖積河道橫向展寬對沖刷过程的影響,本文同時計算了河岸不可沖刷和河岸可沖刷兩種情況。從左岸的坡腳位置變化圖(圖3)中可以看出:剛開始時,河道橫向冲刷相當迅速,尤其在庫尾流速較大的河段;而在壩前段,由於水深大,流速小,因而對河岸的沖刷相當弱。隨著時間增加,這種沖刷趨勢逐漸減缓。原因在於河槽的橫向沖刷速率取決於水流作用在河岸上的切應力τ,当河道在沖刷過程中橫向展寬後,過水面積增大,使τ相對減小,最後導致橫向沖刷速率減小。

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

3 左岸坡腳位置變化
Left bank toe location variation in degradation

1 不同河岸類型的河床沖刷過程

Degradation processes of different bank types


河岸類型

沖刷天數

河床沖深(m)

河槽寬度(m)

Vbed(m3/m)

Vbank(m3/m)

VToT(m3/m)

Vbed/VToT(%)

Vbank/VToT(%)


(I)

30

1.06

400.0

424.0

0.0

424.0

100.0

0.0

(II)

0.80

407.7

322.9

114.1

437.0

73.9

26.1


(I)

60

2.11

400.0

844.0

0.0

844.0

100.0

0.0

(II)

1.66

414.9

679.1

199.4

878.5

77.3

22.7


(I)

90

3.15

400.0

1260.0

0.0

1260.0

100.0

0.0

(II)

2.50

421.9

1029.2

290.3

1319.5

78.0

22.0


(I)

120

4.16

400.0

1664.0

0.0

1664.0

100.0

0.0

(II)

3.30

428.6

1370.5

385.8

1756.3

78.0

22.0


河岸類型(I):河岸穩定且不可沖刷;河岸類型(II):河岸可沖刷
Vbed
:從河床上沖起的泥沙體積;Vbank:從河岸上沖走及崩塌的體積;VToT:總的沖刷體積

  圖4表示進口斷面的斷面形態隨時間的變化過程,從圖中可知,由於粘性河岸高度相对較高,坡度較陡,故河岸在橫向沖刷及河床縱向下切後,又会在重力作用下發生崩塌,河岸上部分土體由於拉伸裂縫的形成,保持直立狀態,河岸下部分沿一斜面滑動,這是因為當河岸發生在初次崩塌後,在隨後的失穩破壞中,河岸以平行後退的方式崩塌。此外,從表1中还可以看出,在4個月中,當河岸不可沖刷時,河床總共冲深4.16m,而當河岸可沖刷時,河床仅沖深3.30m,兩者相差近1.0m。從沖刷量來看,在4個月中,從河岸冲刷下的泥沙數量為385.8m3/m,为整個斷面沖刷量的22%;從河床上沖起的泥沙量為1370.5m3/m,低於河岸不可沖刷的情況。

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

4 河岸可沖刷時斷面(CS=1)形態變化
Configuration variation of cross section No.1

5 床沙平均粒徑沿程變化
Variation of mean size of bed
material in degradation

  從上述分析来看,在沖積河道可橫向展寬的情況下,由兩個重要原因可以減緩河道沖刷:一是河槽寬度增大,導致過水面積增大,流速較小,水流挾沙力減小,从而減少對床面的沖刷。二是從河岸沖刷和崩塌下來的泥沙數量部分滿足了懸移質水流挾沙力的要求,因而可減少從床面冲起的泥沙數量。此外,还有河床沖刷過程中產生的床沙粗化現象,可引起河道阻力增加,也可減緩對河道的冲刷。如圖5表示床沙平均粒径的沿程變化情況。在水庫泄空沖刷過程中,經過120天後,床沙有明顯粗化現象,尤其在河床沖深較多的庫尾段。

5.3 不同来水來沙條件對河道沖刷和橫向展寬的影響

  眾說周知,沖积河道的河床演變與上遊的来水來沙條件密不可分。上遊來水來沙條件的變化,尤其在河岸可沖刷且不穩定的情況下,必然會對下遊河床變形產生影響。

  圖6(a)6(b)分別表示不同來水條件下的河槽展寬距離和河床沖刷深度在120天後的变化情況。當來流流量從2000m3/s增加到3000m3/s時,河道在庫尾段展寬距離增加10m多,而壩前段展寬距離增加相對較少。而從河床沖刷深度的沿程變化情況來看,在庫尾段冲刷深度增加較少,但在壩前段,河床沖深增加较多。這是因為當流量增加的過程中,在庫尾段河岸沖刷量增加較多,部分滿足了水流挾沙力的要求,故河床沖深較少;而在壩前段,由於河岸沖刷量增加較少,但流速增加多,即水流挾沙力有較大的增加,所以河床沖刷深度有較大的增加。

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

6(a)不同来水條件的河槽展寬距離
Variation of widenning distance of different
inflow conditions

6(b)不同來水條件的河床冲刷深度
Variation of scouring depth of different
inflow conditions

  圖7(a)7(b)分別表示不同來沙條件下的河槽展宽距離和河床沖刷深度在120天後的变化情況。從圖中可知,來流含沙量從0kg/m3變化到2kg/m3,沿程各斷面的河槽展寬距離基本未變,而河床沖刷深度則有較大的減少,尤其在库尾段。在壩前段,由於流速较小,從上遊沖刷下来的含沙量較大,水流挾沙力基本達到飽和,故河床沖刷深度很小,有个別斷面出現了淤積情況。因此当上遊來沙條件有較小的變化時,對下遊河道横向展寬影響較小,而對河床縱向沖刷影響較大,這是因為上遊來沙條件變化對下遊河道的水流挾沙力的影響最顯著,對其它条件影響較小。從圖6和圖7比較來看,來水條件比來沙條件的變化對河道横向展寬的影響更顯著。

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

7(a)不同來水条件的河槽展寬距離
Variation of widenning distance of different
inflow conditions

7(b)不同來水條件的河床沖刷深度
Variation of scouring depth of different
inflow conditions

5.4 不同類型的河岸土體對河道沖刷和橫向展寬的影響

  从前面的分析可知,對粘性土組成的河岸而言,不同特性的河岸土體對河道的沖刷過程有明顯的影响。一般可用以下參數表示粘性河岸的土體特性:τc、γsC和Φ。這些參數取值不同,對河岸沖刷量、河槽展宽距離和河床沖刷深度的計算结果都有不同程度的影響。

  從圖8(a)8(b)來看,當河岸土體的抗沖性能減弱時,即τc3.0N/m2減小到2.5N/m2後,河槽展寬距離在庫尾段有明顯增加,而在壩前段由於水深大,水流作用在河岸上的切應力小,因而两者增加較少。從河床的沖刷深度來看,河岸抗沖能力减弱,容易受水流橫向沖刷,失穩崩塌的泥沙數量增多,因而部分可以弥補從床面沖起的泥沙,故河床沖刷深度反而減小。

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

8(a)不同河岸抗沖性的河槽展寬距离
Variation of widenning distance for different scour resistance of bank soil

8(b)不同河岸抗沖性的河床沖刷深度
Variation of scouring depth for different scour resistance of bank soil

  河岸土體的內摩擦角越大,表示河岸土體的抗剪強度大,穩定性越好,河岸越不易發生失穩崩塌。從圖9(a)9(b)來看,當Φ從14°增加到20°後,河槽展寬距離基本不變,而河岸沖刷深度有一定程度的增加,這是由於從河岸冲刷或崩塌下來的泥沙數量減少的緣故。通過對其它參數的對比分析計算表明,如河岸土體的γsC,在一定範圍內变化時,對河岸的沖刷量、河道展宽距離及河床的沖刷深度都沒有明显的影響。

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

9(a)不同河岸土體的河槽展寬距離
Variation of widenning distance for different
bank soil friction angle

9(b)不同河岸土體的河床沖刷深度
Variation of scouring depth for different bank
soil friction angle

6 結語

  本文把一維泥沙數學模型同河道的橫向展寬模式結合,模擬沖積河道沖刷过程中的橫向展寬過程,由于影響粘性河岸沖刷、失穩崩塌的因素比較复雜,在采用若幹假定的基礎上,得到以下結論。

  1.在河岸可沖刷的條件下,沖积河道的橫向展寬可以大大減缓對河床的縱向下切速率。

  2.不同的来水來沙條件,對河道展宽和河床的沖刷下切影响不同。來水條件對河道的展寬影响較大,而來沙條件對河床沖刷下切的影響較大。

  3.不同土體特性的粘性河岸對河道橫向展寬和河床縱向沖刷的影響不同,尤其是河岸抗沖的臨界切應力對兩者的影響最大,其它參數如河岸土體容重、內摩擦角及凝聚力等對兩者的影響较小。盡管這些參數之間互相聯系,但由於τc对計算結果影響大,因而必須正確的確定參數τc

4.本文假定河道斷面形態為梯形,因而河岸穩定性分析比较簡單。而對於天然河道的實际斷面形態,不但穩定性分析复雜,而且解決從河岸沖刷下來的泥沙在橫向如何分布問題,以及轉化為床沙和懸移質的比例問题,都是相當困難的,這些問題都有待於進一步的解決。

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參 考 文 獻

[1] 赵業安等。黃河下遊河道演變基本規律。河南:黃河出版社,1998年。

[2] Osman and Thorne, Riverbank stability analysis I: Theory, ASCE, Journal of Hydraulic Engineering, Vol.114, No.2,1988.

[3] Thorne and Osman, Riverbank stability analysis II: Application, ASCE, Journal of Hydraulic Engineering,Vol.114,No.2, 1988.

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