山区河流阶梯-深潭的发育及其稳定河床的作用

山区河流的河床经常呈现阶梯-深潭地貌。本文对阶梯-深潭的发育机理进行了实验研究，发现阶梯-深潭系统的发育是冲积河道适应水流条件在垂向进行自动调整的结果。对河床床面结构随水流强度改变而变化的研究证明阶梯-深潭增大水流阻力，使不同粒径的床沙承受不同的剪切力，因而对稳定河床有着显著的作用。文章还根据对水流剪切力和泥沙起动拖曳力的对比验证了这种稳定性。     

单个阶梯-深潭破坏的力学模型

阶梯-深潭系统是山区河流广泛分布的重要河床结构,其破坏机理对于认识山区河流稳定性及河床演变具有重要意义。针对单个阶梯-深潭,以关键石块为研究对象,综合考虑上游来水条件、下游冲刷和泥沙环境,建立单个阶梯稳定性的理论模型。基于理论模型,分析弱输沙条件下阶梯破坏的临界条件和失稳机制。结果表明:(1)河道比降、关键石块粒径、来流流量、下游冲刷和互锁作用是弱输沙条件下影响单个阶梯-深潭稳定性的关键因素。(2)来流恒定时阶梯下游冲刷降低阶梯稳定性。阶梯失稳临界流量随冲刷增强而减小,因此水流破坏作用表现为阶梯下游坡脚冲刷降低失稳临界流量,同时来流增加超过临界流量导致破坏。(3)互锁作用可有效提升阶梯稳定性,并在阶梯坡脚冲刷程度较大时明显提升失稳临界流量,这是阶梯在一般洪水中维持稳定的方式。     

阶梯-深潭系统消能研究综述

针对山区河流中自然形成的阶梯-深潭系统消能研究相对滞后的现状,归纳总结阶梯-深潭系统及台阶式溢洪道已有消能研究成果,从总流能量守恒方程出发,分析阶梯-深潭系统消能机理及消能率影响因素。认为台阶式溢洪道与阶梯-深潭系统的消能方式具有相似性和可比性。研究表明,在不同流量情况下,阶梯-深潭系统消能方式有显著区别,消能率存在较大差异;阶梯-深潭系统消能率的影响因素有坡降、糙率、粒径、阶梯高度和上游来流量,其中阶梯高度、坡降、糙率和粒径与消能率成正比,上游来流量与消能率成反比。认为阶梯-深潭系统消能的进一步研究需要结合大量野外调查数据,研究阶梯-深潭系统的几何特征,测量阶梯-深潭系统流场,进而得到水流能量的传递和耗散规律。     

阶梯-深潭系统消能机理的实验研究

阶梯-深潭系统能稳定河床、控制下切以及减小山洪泥石流灾害,其原因在于能高效消耗水流能量。通过野外实验,研究了不同流量下消能率变化规律,分析了水流沿阶梯-深潭能量转化过程,探讨了阶梯-深潭中能量的消耗机理。实验工况下(单宽流量5~210 L/s)阶梯-深潭具有很高的消能率(64%~91%),按部位其消能可分为阶梯消能和深潭消能,推导得到的消能率计算公式计算值和实测数据符合较好。在不同流量下阶梯消能方式因水流形态的改变有所不同,深潭消能可分为3个区域:水跃主流区、主流区两侧的两个大尺度漩涡区和主流区与周围区域交界的区域,它们的消能方式各有不同。当流量较小时,阶梯-深潭系统消能主要由阶梯段完成。流量增加后,阶梯段消能所占比例减小,深潭消能作用增强。     

消能结构防治泥石流研究——以文家沟为例

阶梯-深潭系统作为一种新的消能结构在2009年用于文家沟滑坡体上新生沟谷的泥石流治理研究。阶梯-深潭系统在阶梯和水跃段耗散了水流大量的能量,使得水流中的能量减小到不足以触发泥石流,理论分析表明阶梯-深潭系统可以耗散水流三分之二的能量,即同样状况下触发泥石流的临界流量需增加三倍。阶梯-深潭系统使得水流阻力最大化,避免河床和岸坡遭受侵蚀。2009年的几次暴雨没有在文家沟引发泥石流。然而,2010年在沟内修筑了20道拦挡坝来代替阶梯-深潭系统,经过2010年8月暴雨后,20座拦挡坝全部被破坏。沟谷再次下切了50m。沟谷下切和侧蚀导致大量松散堆积物进入沟道形成泥石流,约450万m3冲出沟口,造成大量的房屋被埋以及14人死亡。比较两种防治方法可以看出,以消能为目的的阶梯-深潭系统对防治泥石流是成功的。拦挡坝在稳定的情况下可以减少边坡的垮塌,而阶梯-深潭系统还能够通过耗散水流能量稳定沟道,因此采用拦挡坝和阶梯-深潭系统相结合的方式来稳定滑坡体上的新生沟谷,并控制泥石流可能效果会更明显。     

阶梯-深潭结构潭底压力特征研究

以山区河流天然的阶梯-深潭结构为研究对象,采用k-ε双方程紊流数值模拟方法,研究了不同流量下的阶梯-深潭结构潭底压力特征与河床结构安全相关的性质。4个数模工况实验数据均表明阶梯-深潭结构深潭底压力分布较为均匀,在潭底的压力分布呈现类似圆圈状闭合曲线状形式,保证了潭区压力分布的均匀性和合理性,同时也促进了能量高效均匀耗散。此外,阶梯-深潭结构主动调整潭区结构以及水深分布,形成水垫促进压差分布趋于平稳,阻止了因大流量工况下能量积聚、压力集中对河床结构造成直接被冲毁情形的发生,有利于河床结构的稳定和安全。     

人工阶梯-深潭结构对河床冲刷的试验研究

人工阶梯-深潭结构是小型河流生态修复的最新方法,文章通过水槽试验探讨了阶梯坎高度及流量对下游河床冲刷强度的影响关系,以指导工程实践。结果表明,阶梯坎高于10cm时,阶梯坎高度对冲刷强度的影响并不显著,低于10cm时可能呈负相关关系;流量大小对冲刷强度影响较大,且冲刷长度比冲刷深度变化更为明显。     

人工阶梯 深潭改善下切河流水生栖息地及生态的作用

本文通过野外试验研究了人工阶梯深潭对下切河流水生栖息地及生态的作用，试验河段位于西南山区的吊嘎河上150m侵蚀下切严重的河段，布置15级人工阶梯，对水流 (水深、流速、水面宽、流量)、河床底质、河床微地貌和水生底栖动物物种及数量变化进行了5个月监测。试     

人工阶梯-深潭改善下切河流水生栖息地及生态的作用

本文通过野外试验研究了人工阶梯-深潭对下切河流水生栖息地及生态的作用,试验河段位于西南山区的吊嘎河上150m侵蚀下切严重的河段,布置15级人工阶梯,对水流(水深、流速、水面宽、流量)、河床底质、河床微地貌和水生底栖动物物种及数量变化进行了5个月监测.试验结果表明,人工阶梯-深潭能有效控制河床冲刷下切,维持较为稳定的河床环境,塑造多样性的水生栖息地.采用大型底栖无脊椎动物评价河流生态显示,人工阶梯-深潭布置后,随水生栖息地多样性上升,单位面积水生生物密度、物种丰度及生物群落多样性指数均呈上升趋势,河流生态得到改善.     

西南山区河流河床结构及消能减灾机制

青藏高原的持续抬升导致青藏高原周边河流下切。河流下切造成河床河岸失稳,崩塌滑坡及泥石流等灾害频发。通过十余年野外调查和试验研究发现,崩塌滑坡泥石流堰塞河流形成的自然坝实际上是河流下切的负反馈的结果。自然坝稳定后控制河流下切,保持河流稳定并且改善生态。这样的功能主要来自于自然坝上发育的河床消能结构。本文总结了河床结构和自然坝消能减灾的机理,归纳以阶梯-深潭为代表的河床结构消能率的量化计算方法,并提出下切河流综合管理中能量概算的理念及基本思路。本文还介绍人工阶梯-深潭系统防治泥石流灾害的成功实践,强调人工模拟自然坝消能结构应用在防灾减灾领域的可行性及有效性。最后,以消能理念为基础,提出西南下切河流开发和管理中应建立"串糖葫芦"式中型坝群库坝体系,以实现水电开发、消能减灾和改善生态的综合目标。     

潼关高程抬升成因相关分析

三门峡水库建库后，库区冲淤变化是潼关高程变化的内在动力和条件，水库运用方式和潼关上游来水条件的改变是库区冲淤变化的潜在原因；潼关上游来沙条件是造成潼关高程上升的唯一根源，但它与潼关高程之间的关系并不密切，它是介于水库运用方式和来水量之间对潼关高程起调节平衡作用的淤积体供应源；水库运用方式对潼关高程产生影响的实质是，通过抬高水流侵蚀基准面，降低水流比降和水流冲刷力，使潼关高程在年内得不到有效的冲刷而使潼关高程保持持续上升状态；潼Dian段河床变化是潼关高程变化的直观的、外在原因，它的作用就是根据库区冲淤变化，通过自身的调整，使其上游河床得到调整；潼Dian段的累计淤积量及Dian（土夺）高程对潼关高程具有重要的影响，但不是影响潼关高程升降的独立影响因素。     

"长治"工程对三峡入库泥沙特性变化影响研究

阐述了三峡水库以上流域的水土流失状况和影响入库沙量的主要因素。以长江干流及支流主要控制站的径流泥沙资料为基础，分析了自1989年实施“长治”工程以来入库水沙特性的变化，并对“长治”工程的效益进行了初步评价，得到寸滩、宜昌站径流泥沙来量减少、主要测站来沙量分配发生变化，主要是嘉陵江来水及来沙量减少的基本认识。同时探讨了减少三峡水库入库沙量的对策措施。     

取水工程附近河床冲淤规律数值模拟研究

取水口处的泥沙淤积问题关系到取水工程能否安全运行,从水流、河势角度论证了取水口布置的合理性,并减少取水对航道及防洪影响的必要性。以长江九江湖口水道某电厂取水口为例,采用平面二维水沙数学模型研究了取水口附近局部流态、河床冲淤、取水工程处悬沙含量等的变化规律,并对附近河床近期变化进行了预测。计算条件采用丰、中、枯典型年和典型系列年水沙条件,系列年考虑三峡工程和上游水库调度的影响。通过分析计算结果,选择了较优取水口方案,并推荐了适宜的取水口标高。研究结果表明,同一河段取水工程处河床冲淤规律受来水来沙条件和取水工程位置处的局部地形的共同影响。     

渭河下游河道淤积发展及其萎缩的原因浅析

在实测资料的基础上，引入河道萎缩的量化指标．通过建立渭河下游泥沙累积淤积量、河道萎缩量化指标与潼关高程和渭河来水来沙条件的关系发现，潼关高程的抬升是渭河下游淤积发展及河道萎缩的主要原因之一，渭河来水来沙条件变化也是一个不容忽视的重要影响因素。     

基于BP神经网络的丁坝坝头冲刷坑变化趋势预测

丁坝坝头冲刷坑的深度及位置变化影响坝基稳定,是丁坝安全评估的重要参数,且是一个复杂的非线性系统问题。以长江张南水道为研究对象,基于2008—2016年实测资料,分析来水来沙及其变化过程、冲刷坑位置和深度的变化,研究确定影响冲刷坑深度及位置变化的因子是河床边界条件(水深、河宽)、坝体属性(丁坝长度、挑角)及来水来沙因素(年径流量、年输沙量、不同级别来水来沙持续的天数),建立了基于BP神经网络的冲刷坑深度及位置变化趋势预测模型。计算结果表明,BP神经网络模型得到的冲刷坑深度和位置预测值与实测值较吻合,误差在(1.8~6.5)%,研究结果可为丁坝安全评估提供依据。     

非均质河床双排桥墩局部冲刷数值模拟研究

精确模拟山区河流非均匀沙质河床桥墩的局部冲刷对桥梁设计和安全运行具有重要的意义。以黑石渡大桥河床床沙特征为背景,采用Flow3D软件开展非均匀沙质河床上双排圆柱形桥墩冲刷三维数值模拟研究。为考虑河床非均匀泥沙的悬移质运动、泥沙挟带、推移质输运等过程,在数值模拟过程中,根据非均匀沙质河床的颗粒分布曲线,对所筛取的各个级配范围内的颗粒采用其对应的中值粒径来表征。模拟得到了双柱排桥墩局部流场结构、河床的冲淤变化和上下游桥墩周围冲刷坑形态。研究表明:受桥墩阻水作用影响,墩前壅水、墩后跌水现象明显。墩周冲刷坑基本贯通整个墩周区域,受上游墩保护作用影响,下游墩冲刷坑的发育深度和规模小于上游墩。将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析,二者吻合较好。研究成果可为深入开展非均匀沙质河床桥墩局部冲刷研究提供参考。     

节点对长江下游马当河段汊道演变影响的研究

节点广泛存在于分汊河段,对汊道的影响至关重要,研究节点对汊道演变的影响,对指导河道治理具有重要意义。长江下游马当河段为典型的微弯分汊河型,先后有骨牌洲、棉外洲、瓜子号洲等将河段多级分汊,依次有小孤山、彭郎矶、马当嘴、马当矶等山体形成控制节点。建立了马当河段二维水沙数学模型,在验证的基础上,从水流及河床冲淤变化的角度,结合河床演变,探索各个汊道分流比调整后对上下游河段的影响,分析了节点在汊道演变中的控制作用。研究结果表明:经过小孤山-彭郎矶节点的控制,马当河段进口边界条件较为稳定,上游河势发生较大变化时,马当河段河势变化微小;经过马当矶-马当嘴节点的控制,棉外洲左右槽分流比变化为23.3%~58.1%时,对节点下游主流和河床冲淤的影响主要集中在2~2.5 km以内,影响范围有限。通过采用数学模型和河床演变分析相结合的方法,探索汊道之间演变的相互影响,分析节点的控制作用,为河道治理提供指导意见。     

黄河下游水沙复杂变化与河床调整的关系

冲积河流具有自动调整的功能，针对不同的来水来沙和边界条件，河流会作出相应的调整。1986年以来黄河下游水沙呈现有效造床洪水峰值减小且出现频率下降，枯水历时大幅度增加和小流量对河道的造床作用加强等特点。本文通过分析黄河水沙变化特性，探讨了河床沉积与形态调整的变化。研究表明，黄河下游河道的冲淤特性与不同时期年均来沙系数具有较好的相关关系，当年均来沙系数小于0.015时，下游河道处于不淤的临界状态。通过小浪底水库调控水沙过程，保证一定规模的造床流量，对于塑造黄河下游合理的滩槽结构是非常重要的。