基于红柳根系影响的塔里木河岸坡冲刷试验

为探明荒漠植物根系对塔里木河河岸崩岸的影响,取塔里木河河岸原状土体,以当地优势灌木红柳为代表植物,通过无植被、有植被条件下岸坡冲刷概化水槽试验,观察根系影响下河岸的崩塌过程、崩塌类型及近岸流场分布情况,分析植物根系对河岸的保护作用。结果表明:无植被条件下河岸崩岸类型以倒崩为主,下部淘刷使上部土层的悬空宽度达到临界值后,上部土层的重力矩大于自身的抵抗力矩,发生旋转崩塌;有植被条件下崩岸类型多为平面滑动破坏,表现为河岸顶部出现纵向裂隙,随裂隙竖向延伸,崩塌土块沿滑裂面滑落水中;植被的护挡对其周围流场的影响显著,使近岸主流方向的平均流速由大于横向和垂向平均流速一个数量级逐渐变为同一数量级;根系的固土效应为18%～65%,河岸悬空度与根表面积密度、根长密度成指数递增关系,根表面积密度能较好地反映根系的固土能力。     

红柳根系对塔里木河岸坡土体起动规律影响研究

为了研究红柳根系对塔里木河岸坡土体起动的影响规律,对不同植被根系体积密度及不同的根系分布方式下的根-土复合体进行起动特性试验,并分析植被根系影响下起动切应力变化规律,得到了根系影响下河岸土体起动切应力与植被根系体积密度及土体干密度的定量关系式。试验结果表明:不同根系放置形式土体抗水流冲刷的由大到小分别为相交放置,竖直放置,倾斜放置。当有红柳根系覆盖河岸土体时,土体的起动切应力得到了明显提高。     

塔里木河干流岸坡植被对河岸侵蚀影响机理初步分析

从塔里木河现状入手,就塔里木河干流在河岸侵蚀、河岸崩塌、水土流失等问题,初步探讨了植被对河岸的防护作用。通过对国内外相关领域研究现状及发展动态的分析,突出荒漠河岸植被带研究的必要性;从而提出了针对荒漠植被对河岸侵蚀影响的正确研究方向及有效的研究方法。就植被根系与土体的相互作用,及植被对河岸侵蚀速率的影响两方面进行岸坡植被对河岸影响机理的初步分析。为进一步研究干旱区荒漠植被固土护堤作用机理提供技术支持和理论保证,这对于促进防治塔里木河水土流失和建设良好生态环境以及推动基础研究和交叉学科发展均具有重要的现实和理论意义。     

黄河源草甸型弯曲河流的悬臂式崩岸机制

弯曲河流的滨河草甸对抑制河岸崩塌和维持河湾蜿蜒具有重要作用。2011—2014年,在黄河源区兰木错曲的弯曲河段对河岸植被根系、崩塌块几何尺寸、根土复合体物理和力学特性等开展野外调查,并通过原位拉拔试验测定河岸崩塌面植被根系抗拉强度,进而分析草甸型弯曲河道的崩岸机制。草甸型弯曲河流的滨河植被根系网络具有较强缠绕和固结土体作用,河岸根系的力学特性是抑制凹岸崩岸的关键因子。近岸水流淘刷作用集中于根系作用范围以下的砂卵石层,当砂卵石层被淘刷至上部悬空,在自重作用下达到临界状况,河岸沿纵深方向出现贯穿性裂缝,最后崩塌块垮塌贴住河岸。崩块的破坏形式以悬臂式张拉破坏为主。崩塌块的植被根系长度与崩塌块厚度呈明显对数函数关系,其体积也随根系长度增大而增加。分析草甸型弯曲河流的新崩岸模式,建立了近岸根土复合体崩岸的临界力矩平衡方程,并简化得到崩塌块的临界宽度表达式。崩塌块体的临界宽度是崩塌块根系长度和根系产生的抗拉强度增量的函数,临界宽度的计算值与实测值较为符合。     

冲积河流塌岸淤床交互作用过程与机理的试验研究

河岸崩塌是河道横向变形的重要表现形式,崩塌体作为陡增的泥沙源反作用于河床演变,进一步影响岸坡的二次崩塌。在弯道水槽中展开系列试验,研究水力作用下非黏性及黏性均质岸坡冲刷崩塌力学机理、塌岸淤床交互作用过程及其影响因素。试验表明,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,并在河床上分解、输移掺混中交互作用的反复循环过程。岸坡崩塌、崩塌体与河床发生掺混最剧烈处位于弯道出口水流顶冲点附近,非黏性岸坡崩塌更容易发生在水面附近较浅的地方,而黏性岸坡崩塌更倾向于在坡脚附近较深的地方发生。近岸流速及河床可动程度越大,岸坡总冲刷坍塌量也越大,对于非黏性土其岸坡崩塌体在河床上的总淤积量也越大。研究成果初步揭示了塌岸与河床冲淤的交互作用模式,为进一步深入的研究奠定了基础。     

植物根系对河道滩坡抗冲性影响的试验

为研究植物根系对边滩坡面固土抗冲性的影响,选择麦冬草、芦苇和蒿草3种天然植物进行抗冲性物理试验,测量植物种植密度、根系面积比率和冲刷量。试验结果表明,根系发达、根系面积比率大的植物对滩坡的固土护岸作用大且范围广,防护效果好,并给出了根系纵深分布一般公式以及稳定坡面的地形函数。     

冲积河流典型结构岸滩落崩临界淘刷宽度的研究

岸滩落崩是最重要的崩塌形式之一,为了探讨落崩发生的过程和临界条件,通过分析单一、二元、沙质壤土夹层三种典型结构岸滩发生落崩的本质,利用水沙运动理论、岸滩稳定理论和水槽淘刷试验,深入研究了落崩发生机理与崩塌过程,建立了简单岸坡剪切崩塌和旋转崩塌临界淘刷宽度公式,并为水槽模型沙岸滩淘刷试验资料所验证。岸脚淘刷致使岸滩上部块体处于临空状态,当淘刷宽度大于临界淘刷宽度后,落崩将会发生;落崩临界淘刷宽度主要取决于岸滩土壤特性、淘刷位置、边坡形态及河岸裂隙深度等,与河岸高度和强度系数成正比,与岸坡裂隙深度和岸坡坡度成反比。     

河岸淘刷及其对河岸崩塌的影响

通过研究河岸岸脚淘刷机理与岸滩稳定性，把岸脚淘刷与岸滩崩塌有机地连接在一起。在分析岸滩泥沙起动特点和顺直河段剪切力分布的基础上，指出在同样的水流条件下，河岸泥沙比河底泥沙更容易起动和冲刷，顺直河道的河岸冲刷主要发生在岸边的中下部或岸脚的地方。借用水流泥沙运动理论、水流动力理论和水流涡流理论就弯曲河道的淘刷机理进行了分析探讨，指出在主流和副流的共同作用下，弯道进口处的凸岸、弯道及其出口处的凹岸都属于高剪切力区。河岸淘刷严重，其中凹岸岸脚处的剪切力最大、淘刷最严重。河岸的侧向冲刷，特别是岸（堤）脚的冲刷，导致岸滩泥沙块体的滑力（矩）增加。阻滑力（矩）减小，相应的稳定系数减小，当冲刷到一定程度，岸滩崩塌。     

河岸临界崩塌高度的研究

从河床冲刷下切与河岸应力的变化关系出发,分析了陡坡和垂直岸滩的崩塌挫落机制。在河床冲刷下切或者岸滩淘刷的过程中,黏性岸滩会出现纵向裂隙,促使河流岸滩崩塌。通过河岸崩塌体的稳定分析,导出折线河岸初次崩塌及二次崩塌的临界崩塌高度公式。河岸崩塌高度主要取决于河岸边界、水流因子、渗流强度、河道冲淤和岸坡土质等方面的因素。当河岸高度大于临界崩塌高度时,河岸发生崩塌。利用天然河岸崩塌高度的研究成果与模型沙崩塌高度的试验资料检验岸滩崩塌高度公式的合理性,证实了计算结果与实际基本相符。     

荒漠植被根系增强土体抗剪强度性能研究

为研究塔里木河干流上游岸坡荒漠植被根系对土体抗剪强度的增强作用,在初步分析流域植被覆盖现状基础上,对上游6个典型河岸进行了现场勘查,对骆驼刺(Alhagi sparsifolia.)、红柳(Tamarix ramosissima.)和芦苇(Phragmites australias.)三种典型植被覆盖的根-土复合体和无植被覆盖原状土体分别进行了12组和11组的对比取样,并进行了室内土工试验。试验结果表明:根-土复合体与原状素土相比平均黏聚力由8.04 kPa增加到16.86 kPa,增加了110%,平均内摩擦角由32.59°增加到33.76°,增加了3.6%。结合摩擦加筋原理,建立了植被根系增加土体抗剪强度的力学计算模型,通过模型计算了骆驼刺、红柳和芦苇三种植被不同根体积密度对应的根-土复合体抗剪强度,并与实测结果进行对比。结果表明:16组实测值中只有一组数据小于其相应的理论值范围(2.472.6 kPa),其余实测值全部大于理论计算最小值,充分说明建立的力学计算模型完全可以用于上述三种典型荒漠植被根系影响下的土体抗剪强度计算,为定量评价荒漠植被根系的固土能力提供一定的参考。     

基于BSTEM的长江中游河道岸坡稳定性分析

以长江中游荆江出口熊家洲至城陵矶段典型断面为例,利用河岸稳定性与坡脚侵蚀模型(BSTEM)计算了2个典型断面在不同自然条件下的岸坡形态、水位条件、坡脚横向冲刷距离、植被类型及有护岸工程条件下河岸稳定的安全系数,分析了这些因素对河道岸坡稳定性的影响。结论表明:水位变化对河岸稳定性有重要影响,高、低水位岸坡稳定性与河岸组成密切相关,退水速率较快时,安全系数大幅度减小,易引起崩岸的发生;不同岸坡形态下河岸安全系数也不同,均随着坡脚横向冲刷距离的增大而减小;坡面实施护岸工程与植被覆盖会增加岸坡的稳定性。     

基于 BSTEM 的长江中游河道岸坡稳定性分析简

 以长江中游荆江出口熊家洲至城陵矶段典型断面为例,利用河岸稳定性与坡脚侵蚀模型(BSTEM)计算了2个典型断面在不同自然条件下的岸坡形态、水位条件、坡脚横向冲刷距离、植被类型及有护岸工程条件下河岸稳定的安全系数,分析了这些因素对河道岸坡稳定性的影响。结论表明:水位变化对河岸稳定性有重要影响,高、低水位岸坡稳定性与河岸组成密切相关,退水速率较快时,安全系数大幅度减小,易引起崩岸的发生;不同岸坡形态下河岸安全系数也不同,均随着坡脚横向冲刷距离的增大而减小;坡面实施护岸工程与植被覆盖会增加岸坡的稳定性。     

三峡工程蓄水运用以来荆江河段河岸稳定性初步研究

根据实测资料分析了三峡工程蓄水运用以来荆江河段水沙输移变化,河道冲淤变化以及典型险工段近岸坡度变化等,并在此基础上对其河岸稳定性进行了初步研究,结果表明,三峡水库蓄水运用以来,坝下游河段来沙量大幅度减少,荆江河段普遍发生冲刷,部分地段近岸河床的水下岸坡冲刷变陡,河岸稳定出现了不同程度的隐患,局部河段甚至发生了崩岸险情,已影响防洪安全与河势稳定等;建议加强荆江险工段的监测,对已发生的崩岸险情进行及时治理,对以往护岸工程的薄弱地段或可能发生崩岸险情的地段需及时加固守护;建议加强三峡工程运用后荆江河道演变与治理方面的研究.     

植被对河道水流及岸滩形态演变影响研究进展

植被作为河流系统重要的阻力因素,在河道形态演变方面发挥着至关重要的作用。植被地表结构改变了河道水流阻力、河床切应力、流速分布及水流紊动特性,植被根系增强了岸滩土体强度和稳定性。从植被地表茎干结构对水流特性影响和植被地下根系加筋作用对岸滩稳固影响两个方面的研究进行了回顾和综述,并指出今后在植被水流研究方面,可进一步考虑植被枝、叶对水流特性的影响,加强对柔性植被变形、摆动引起的动边界问题的研究,以及全面考虑河道形态边界条件的影响,特别是含植被的分汊河道水流特性还需深入研究;在植被根系固土护岸方面,可同时考虑岸滩土体非均质性、河道水流对岸滩的侵蚀冲刷作用及水体渗流对岸滩土体力学特性的影响;在植被河道形态演变预测方面,可以综合考虑含植被河道的水动力学及土力学问题,以及两者间的互馈响应机制。     

水下崩岸段吨袋垫坡与膜袋自密实混凝土护坡施工技术应用与效果分析

河道的回水地带常年受河道水流迎流顶冲影响,岸坡冲刷严重易崩塌,影响岸坡安全。以涡河县义门镇涡河左堤崩岸段应急加固工程为例,采用吨袋垫坡+膜袋自密实混凝土护坡技术对崩岸段进行加固处理有效解决了水下护岸边坡因水流冲刷引起的变形与坍塌问题,效果良好,可为类似工程施工提供参考。     

长江深水航道整治工程生态护岸陆生植被恢复研究

为探究长江深水航道整治工程生态护岸的植被恢复效果,选取立体网状栅格护岸和格状石笼压载植生垫新型生态护岸及传统抛石护岸工程,运用数量生态学研究方法开展工程区陆生植物群落恢复及分布格局调查。研究结果表明:研究区共有植物19种,以草本植物为主,隶属于12科19属;生态护岸工程区植物种类数量高于传统抛石护岸;沿着河岸带横向梯度,立体网状栅格护岸的生物多样性增大,抛石护岸生物多样性变化较大,格状石笼压载植生垫护岸具有较高的生物多样性;生态护岸工程区植物群落的生物量高于传统抛石护岸区,且生物量和沉积物NH⁺₄-N含量显著正相关(p＜0.01);CCA分析表明沉积物中TC和NH⁺₄-N含量对植物群落及物种分布影响较大。综合来看,格状石笼压载植生垫护岸植被恢复效果最好,立体网状栅格护岸次之,传统抛石护岸相对较差;研究区生态护岸的植被恢复还处于动态演替过程,其生态效应有待于长期深入研究。     

河流水冰沙耦合模型研究Ⅱ：验证与应用

北方河流冬季河冰运动会带来凌汛灾害威胁,研究流凌运动对水流、泥沙和河道的影响具有重要工程意义。本文在平面二维河冰动力学模型基础上,建立二维水冰沙耦合数值模型。基于三角形的非结构网格,采用具有迎风特性的Petrov-Galerkin型有限元法计算非恒定水流过程、非恒定非均匀沙输运和河床冲淤变化,利用无网格的SPH法计算河冰运动,基于河冰对岸滩的刮擦切应力计算岸坡侵蚀,再利用双泥沙休止角法分析不同含水层岸坡的稳定坡面。该模型创新性地耦合水沙理论和河冰理论,能模拟北方河流全季节及河冰全过程的水位流量波动、河冰运动、泥沙输移、河床冲淤及岸滩崩塌过程。通过实验条件下溃坝引起的岸坡崩塌侵蚀验证了模型的准确性和可靠性,研究结果显示该模型能再现水流、河冰、泥沙、河床及河岸间的复杂耦合作用,揭示河冰刮擦对岸滩侵蚀破坏的促进机理,可进一步支撑冬季河道防凌减灾和岸滩水土保持研究。     

植物气生根在富营养水治理中的应用——以夹竹桃为例

根据植物气生根能吸收水体中氮、磷养分的特性,首次提出了利用气生根处理富营养水的新方法。以夹竹桃为研究对象,在人工模拟的滨水环境(模拟植物种植于堤岸壁或堤岸上,部分枝叶处于水淹状态的情形)中诱导气生根的生长。结果表明:仅需满足夹竹桃的基本生存条件(土壤、阳光、水和温度),77%的夹竹桃能够适应水淹环境并长出较密集的气生根(平均生根率为38%);夹竹桃对水体TP,TN,NH₃-N,NO₂-N,NO₃-N和浊度NTU的实际去除率分别为27.3%,29.1%,17.1%,20.5%,1.6%和0.7%;同时,栽种在岸堤壁或岸堤上的夹竹桃还具有一定水土保持的作用和景观绿化效果。因此,该方法是一种集富营养水净化、水土保持和景观绿化为一体的新型治理富营养水方法。     

冲积河流岸滩崩退模式与崩退速率

为研究冲积河流的侧向演变过程并开展模拟预测,采用河道冲刷及河岸稳定性等理论探讨岸滩的崩退模式和崩退速率。根据河岸崩塌机理及崩体塌落到水中后冲刷形式的不同,提出3种岸滩崩退模式,分别为挫崩滑塌冲刷崩退模式、挫崩倒塌冲刷崩退模式和落崩冲刷崩退模式。结合河岸的侧向淘刷、河床的纵向冲刷以及河岸崩塌的临界状态,推导了3种岸滩崩退模式的崩退速率计算公式,并利用长江和黄河的水文、河岸资料进行检验。结果表明:长江和黄河的河岸岸滩崩退速率估算值与实际崩退速率基本相符,所建立的岸滩崩退模式和崩退速率计算公式是合理的。