山区变比降河道卵砾石溯源淤积的数值模拟

山区河床组成多为宽级配卵砾石颗粒、沿程河床比降陡缓相接,受泥沙补给及水流过程影响,不同河段冲淤变化复杂多变,溯源淤积引发山洪现象频繁发生。为探究泥沙补给条件的变化对于山区河流河床冲淤变形以及水位变化的影响,作者以变坡陡比降河道为研究对象,通过计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元(discrete element method,DEM)耦合的方法对不同来水来沙条件下典型山区河道中卵砾石的溯源淤积过程进行了数值模拟,并将计算结果与室内水槽试验结果进行了比对。计算结果表明:强输沙水流由陡比降河道进入缓比降河道后,泥沙一旦在下游发生淤积,便会迅速向上游传播,进而导致河床大范围淤积抬高。溯源淤积的起始位置,发展速度以及淤积床面的厚度与上游泥沙补给强度、水流速度、颗粒粒径等因素有关,来流流量越小、泥沙补给强度越大,溯源淤积的起始位置越靠近河道上游,淤积发展速度越快,淤积床面厚度越小。泥沙淤积会导致淤积段沿程水位显著升高,在淤积锋面处,水位变动最为剧烈,水位增加明显,随着溯源淤积的继续发展,该位置处的水位会稍加回落并且趋于稳定。由此可见,山区河流泥沙补给条件的改变对于河床变形以及水沙灾害具有重大的影响,为揭示山洪泥沙灾害的致灾机理提供了理论基础。     

山区河流宽窄相间河段山洪水沙输移2维数值试验

山区河流山洪过程常挟带大量泥沙,并引发河床剧烈变形,尤其是宽窄相间河段河床急剧调整、水位陡涨极易增加展宽河段的洪水淹没风险,深入研究山洪演进的水沙输移及河床变形对于防洪减灾具有重要意义。本文采用二维水沙动力学数值试验探究了上游来沙变化条件下宽窄相间河段水沙输移及河床变形过程。结果表明：当上游来沙充足时,洪水携带泥沙在展宽段淤积、缩窄段冲刷,河床在泥沙输移过程中整体上抬;而当上游没有来沙时,河床整体呈现下切趋势。究其原因,主要在于河道饱和输沙导致河床整体淤抬,而河床淤抬导致上游水位陡涨增加水面比降,床面切应力变大,从而提高河道输沙率,而宽窄河段床面起伏则增大床面形态阻力,促使上游水位上涨;泥沙来量较少时,河床冲刷为主,水位下降、水面比降趋于变缓。     

不同来水来沙条件下山区河流的河床响应试验研究

山区河流受季节性水文条件及产沙过程的影响,水沙条件变化频繁。尤其是暴雨山洪频繁挟带大量泥沙进入河道,从而引起河床急剧调整。本文以龙溪河典型河段为研究对象,通过调查天然河道的地形、床沙组成及来水来沙特性,开展了系列水沙模型试验,突出分析了来水来沙条件变化的河床响应。试验包括不同流量下清水冲刷和恒定流量下改变泥沙补给条件两种对比方案。以泥沙起动条件的沙莫夫公式判定方法,分析比较了不同工况条件下的断面泥沙起动流速和水流运动平均流速的关系,揭示了不同断面间泥沙冲淤特性及河床变形特点。在此基础上,探讨了河道沿程水位变化及致灾范围,对比分析表明,龙溪河在清水来流条件下,即使通过最大流量300m3/s,洪水位也未超过龙池镇堤防高程,即清水来流条件一般不会影响龙池镇的防洪安全。若大量泥沙下泄至主河道,龙池镇段由于河床比降变缓与河道展宽等床面形态的变化,水流平均流速显著降低,携沙能力减小,引起大量泥沙淤积,致使水位陡增,甚至出现漫滩现象,存在显著的防洪安全隐患。随着泥沙补给量的不断增加,河床不同区域输沙动力的调整制约了泥沙的输移距离,从而引起局部区域河床的淤堵,并导致洪水位的增加,甚至产生漫滩洪水并诱发洪水灾害。研究表明,山区河流泥沙补给对河床响应及水沙灾害具有重大的影响,来水来沙变化下的水沙运动致灾机理急需深入研究。     

山区多沙河流漂石河段洲滩发育特征试验研究

山区多沙河流漂石河段受水沙条件影响，洲滩发育丰富，改变了漂石河段的水沙运动规律及洲滩演变特征。基于野外调查与室内物理模型试验，探讨了漂石对多沙河段水动力特征及洲滩发育过程的影响。通过都江堰市岷江支流白沙河与龙溪河的野外调查，分析了典型漂石河段床沙组成及漂石河床形态特征。由于山区河流暴雨洪水及挟带的泥沙及河道地形多变等因素，大量上游来沙在漂石河段落淤，河床内洲滩的大量发育。通过系列室内物理模型试验，分析不同泥沙补给条件下漂石河床的洲滩形成过程及河床形态变化与水位响应过程。研究结果表明：暴雨山洪产生丰富的泥沙补给，导致白沙河与龙溪河的粗颗粒平均粒径粗大，存在大量漂石，形成漂石河段。漂石河段水力要素多变，河床形态剧烈调整。当上游泥沙补给时，受漂石周围水流变化影响，漂石河床局部以横向带状溯源淤积为主，下游段两侧淤积突出，极易形成漂石洲滩，从而增大局部河床比降，减缓河道下切。上游来沙不均匀过程显著改变了漂石河床局部水位及泥沙淤积规模。因此，通过野外调查与室内物理模型试验，揭示了水沙条件下的漂石河床形态变化特征，山区河流上游来沙与漂石共同影响洲滩发育过程，表明漂石对山区多沙河流的水沙运动产生突出影响。     

不同水沙条件下弯道河床冲淤与漫滩洪水特性研究

我国西南山区山洪灾害频发,严重威胁山区社会发展和人民生命财产安全。由于地形限制,山区常见弯曲河道,而弯曲段时常发生山洪灾害。以往弯曲河道水沙运动及河床演变的研究成果难以有效识别弯曲河道漫滩洪水下凹岸易灾区域范围。基于四川省芦山县王家村弯曲河道漫滩洪水灾害的现场观测,本文设计了弯曲水槽模型,测量了不同水沙条件下弯道水面超高、河床地形、凹岸水位和滩槽纵向流速,探讨了漫滩洪水的致灾机制,识别了漫滩洪水下弯曲河道易灾区范围。结果表明,上游流量是弯道漫滩洪水致灾的关键因素,而上游泥沙补给是次要因素。弯道水面超高随泥沙补给增加而增大,经对比计算,兰运长等的率定参数能较好预测河床冲淤稳定的弯道水面超高。水流不漫滩时,泥沙补给仅造成弯道凸岸轻微淤积,对弯道凹岸水位提升的影响很小。洪水漫滩后,上游流量增大造成凹岸水位和滩地流速显著增加。随着泥沙补给不断增大,弯曲主河道河床整体淤积,但淤积对水位和滩地流速的影响较小。30-60°断面区域是90°弯曲河道的易灾区范围,这是因为该区域内的滩地流速大于主河道流速和上游来流流速,滩地最大流速出现在弯道50°断面,其值可达上游来流流速的1.3倍。从水动力学角度分析,洪水漫滩时,滩地流速显著增大是王家村弯曲河段弯顶附近滩地成灾的原因。     

泥沙补给变化下山区河流河床适应性调整与突变响应

针对泥沙运动力学经典理论体系与天然山区河流推移质运动存在显著差异的若干基本问题,开展山区流域沙量补给条件变化下,山区河流河床调整与突变响应机理研究。揭示了泥沙补给条件对非均匀卵石起动、输移的影响特征和卵石沙量补给与山区河流沙波形成、碍航机理;探索了泥沙补给变化下陡坡河道水沙运动奇异特征和宽窄相间漫滩复式航槽河床突变响应现象。采用水沙错峰、水沙分离等集结降阶技术手段调控洪峰时段成灾河段卵石沙量补给条件,是山洪泥沙灾害致灾风险降阶防控的核心。     

水库下游清水冲刷影响下的河道调整规律研究

水库修建后,改变了河道来水来沙条件,建成初期,由于泥沙被拦截在库内,下泄水流基本为清水,一般会对下游河道造成一定程度的冲刷调整.采用平面2维水沙数学模型研究了大渡河某水电工程修建后,对下游河道的清水冲刷影响,分析了水位、流速、河床冲淤等参数在常遇洪水作用下的变化.研究表明,清水下泄可以带来下游河道断面形态的调整,河床总体冲刷下切,流速分布趋于均匀,水位明显降低.     

山区宽窄相间河段输水能力变化规律

输水能力变化直接影响该河段行洪安全,当输水能力不足时,洪水风险陡增。影响河道输水能力的因素众多,如床沙粒径引起河床粗糙度变化,植被等障碍物产生拖曳阻力等,边界变化影响河段输水能力机理和规律则研究较少。受到地形地貌影响,山区河段河宽变化较为常见,本文采用平面二维水流数值模拟试验,研究了窄段-宽段河宽比(窄宽比)和下游回水变化条件下山区宽窄相间河段水流运动变化规律。结果表明,宽窄相间河段整体表现为宽段壅水、窄段跌水,当缩窄段弗劳德数Fr>1,河段由急流转变为缓流,在窄段下游附近形成淹没式水跃;下游出口低水位时,随窄宽比减小,跌水-壅水-水跃分区效应越为显著,展宽段水头损失急剧增大,由此降低了宽窄相间河段的输水能力;随出口水位的增加,跌水-壅水效应减弱、水跃消失,展宽段水头损失变小,河宽变化影响降低,可显著提高宽窄相间河段输水效应。出口水位变化对展宽/缩窄水头损失峰值比随着河道窄宽比的降低而增大,最大损失比峰值高达6倍;在窄宽比情况下,出口水位变化对展宽/缩窄水头损失比的影响较大,均表现为先增加后减小,且出现损失比峰值的水位随着窄宽比增大而降低。本研究从机制上厘清了宽窄相间河段水位及流速沿程分布和水头损失特征,可为山区河流水沙灾害防治提供科学依据。     

边滩漂石河流水沙输移及河床响应数值分析

山区流域地表松散破碎，在地震、暴雨等动力条件影响下大量松散碎屑物质进入沟床，使得山区河流的泥沙补给条件发生突变。由于不同河段输沙能力差异明显，泥沙易在局部河段淤堵，河床剧烈调整，水位显著抬升，这给山区河流的水沙灾害防治造成巨大威胁。基于岷江支流白沙河与龙溪河局部河段的野外调查发现，在干支交汇段沿程边滩漂石结构突出，河道主槽冲刷强，边滩淤堵少。在此基础上，为了分析山区河道中边滩交错漂石结构对水沙运动及河床变形的影响，采用CFD-DEM（计算流体力学CFD，离散单元法DEM）耦合模型，针对不同边滩交错漂石结构下的输沙及河床响应过程开展模拟研究，重点分析了流量、沟道来沙量以及边滩漂石结构对河道下游调沙减灾效果的影响。计算结果表明，山区河道中的边滩交错漂石能够有效改变泥沙颗粒运动轨迹，使得绝大部分颗粒从河道中央向下游输移，进而减少颗粒在河道两岸淤积。此外，边滩交错漂石可以调节山区河流下游河段的来沙过程，控制来沙强度和来沙量，减少泥沙在保护河段落淤进而有效降低河道的沿程水位。随着边滩漂石布设间距的减小、流量的降低以及沟道内来沙质量的增大，边滩漂石对松散堆积体的固沙效果越好，对下游河道的削峰调沙及保护河段的防灾减灾作用越明显。     

河宽渐变水流运动对河床冲淤特性影响的数值分析

天然河道受水沙条件、堤防工程等因素的影响,其平面形态常呈现河道拓宽与缩窄的特征。本文以宽窄渐变河段的洪水过程与典型断面冲淤变化特性为基础,利用数值模型探讨了河宽渐变对水流运动特性的影响,并进一步分析了局部区域冲淤的水动力机理。分析结果表明：不同的洪水过程峰量大小及历时特征,将显著影响其涨退水强度;不对称的河道拓宽与缩窄,将改变断面流速峰值的分布;河床断面的冲淤特性取决于洪水过程的流速变化与床沙起动流速的大小。     

山区河流水位流量关系曲线研究

受洪水涨落的水位流量关系呈现明显的绳套曲线,目前的研究大都基于平原河流,由于山区河流比降大、河床组成物质较粗,水流特性受到多方面因素的影响,故有些假设与实际河流情况不符,导致水位流量推求不太精确。因此本文考虑山区河流与平面河流的河床形态、泥沙粒径等方面的差异,引入了河道级别和泥沙粒径以区别山区河流与平原河流,结合简化后的圣维南方程组重新推导水位流量关系。通过山区河流和平原河流水文站的实测资料验证表明：该方法能较好地拟合相应河流横断面实测水位流量;在进行配线时,只需根据变化情况对参数做一些简单更正,具有实用性好、精度高以及适应性强等特点。     

A Physical Modeling Case Study on Sediment Disasters of Waterpower Stations in Mountain Rivers

A physical modeling case study on flood and sediment disaster of waterpower stations in mountain rivers was conducted.Field observations and laboratory experiments show that the reasons induced disasters of Boluo Waterpower Station are those main characteristics of mountain rivers in South-Western China.High speed flows with velocities between 10 to 20 m/s are provided with strong sediment canting capacity in flood season.Steep banks with thick loose surfaces are rich in sediment supply by landslides and debris flows.Con- centrated rainstorm of 79.5mm in 6 hours formed suddenly a flood with a return period of 50 years in“July 28 flood-sediment disaster”.Artificially,the location of the workshop is too low,and occupies part of cross area for flood travel.Physical modeling studies provide suggestions to protect the hydropower station.Crest of flood control dykes must be increased 3 m to meet the requirement of floods with 50 years return period;Constructing flood and sediment retarding areas along Wahei River;Steep banks with thick loose surface need to be protect- ed to control landslides and debris flow;Finally sediment guiding dykes are suggested in front of the tail-water channel.     

山区河流水灾害问题及应对（特约稿）

全球重大自然灾害正深刻影响着人类的生存和发展,如何更有效地应对各类自然灾害尤为重要。2008年“5·12”汶川大地震后,“地球人都要有灾害意识,地球人都要有灾害教育”已深入人心,中国人的灾害意识和防灾技术水平均得到了较大幅度的提升。由于独特的区域地质构造、地形地貌和水文气象等条件,中国西部地区一直是水灾害频发的区域,防灾减灾工作已成为影响区域社会经济及国家整体发展的重要方面。作为国家布局在西部的高水平研究型综合大学,四川大学传承和创新了都江堰的治水智慧,在应对高坝泄洪与防洪安全、高坝工程结构安全、山洪泥沙灾害与滑坡防治、流域生态环境保护等山区水灾害方面进行了积极探索,取得了一系列重要成果。主要有：1）开发细观实验与模拟技术,揭示了高坝水力学复杂水流现象的细观机理,建立了更加可靠的判别准则和计算方法,形成系统的细观水力学体系,并创新地提出了多级泄洪原理与技术;2）原创性地提出了地质力学模型破坏模拟与综合法试验新技术,揭示了高坝工程整体结构安全响应机制,建立了能够准确反映受复杂地质环境及超标洪水等因素影响下高坝-坝基-库水整体结构安全评价体系;3）揭示了山洪与泥沙共同作用下“小水大灾”机制,提出了特大山洪泥沙灾害“降阶防控”技术,将山洪泥沙灾害致灾不确定性降到可防控范围;4）引入应用三维激光扫描仪等新设备与技术实现了滑坡变形监测从“点、线、面”拓展到三维空间整体,提升了水动力型滑坡的灾害监测预警水平以及灾害应急响应能力;5）针对滑坡-堰塞坝物质组成和结构特性变异性大的问题,提出了滑坡-堰塞湖分类应急处置与综合治理技术;6）针对西南地区地理、生态与环境特点,提出了生态需水配置和过鱼、梯级水库水温预测成套方法和低温水控制、高坝泄水总溶解气体（TDG）过饱和的预测与调控等一整套维护水生生物生境的关键技术,将生态环境保护研究从工程局部及单一水环境领域,拓展到山区流域整体系统并形成多学科领域交叉的综合科学技术体系。最后,针对中国西部山区河流水灾害的特点以及国家防灾减灾救灾的总体需求,提出了变化环境下的水灾害形成与演化、耦合致灾机理与临界判据、水灾害动力灾变机制与演化过程、突变河流的生境-生物相互作用机制、灾变河流的生态演变机制和新平衡态、水灾害监测预警和风险评估、基础大数据库与云平台、水灾害流域协同管理与灾后重建等一系列山区水灾害领域的重大前沿科学技术问题,有助于促进下一步防灾减灾相关学科领域研究工作的发展。     

河流砾-砂过渡带位置变化的控制因素及其指示意义

河流自山区流至下游盆地过程中,当所搬运的碎屑物在磨损和分选作用下逐步变细至中粗卵砾尺度时,河床沉积在一段相对短的距离内从砾石迅速转变为砂,这一粒度陡变的河段被称为砾-砂过渡带(Gravel-sand Transition,GST)。河流砾-砂过渡带现象具有时间和空间的普遍性。砾-砂过渡带被埋藏在地层中成为砾岩-砂岩过渡带,沉积盆地充填碎屑中的砾岩-砂岩过渡带的位置变化所反映的砾-砂过渡带时空演化历史对区域构造与气候变化有明确的指示意义。基于已有文献,对地质演化时间尺度下砾-砂过渡带的位置变化控制因素及其地质指示意义进行梳理和展望。对世界范围沉积盆地内砾-砂过渡带时空演化历史的重建表明,盆地沉降速率、沉积物供给量与供给沉积物初始粒度分布是控制砾-砂过渡带在盆地内相对位置的主要因素,且不同盆山关系下砾-砂过渡带空间变化具有不同的地质意义。盆山相对位置固定背景下,盆地沉积序列内砾-砂过渡带在垂直造山带方向上的水平迁移反映山脉隆升等构造活动或气候变化引起的盆地沉降速率、沉积物供给量变化; 盆山相对汇聚背景下,前陆盆地内砾-砂过渡带向前陆方向的持续迁移反映盆地基底与造山带之间的汇聚过程,砾-砂过渡带迁移速率是约束地壳缩短速率的有效指标。     

来沙条件变化对河床形态及推移质运动的影响

摘要：针对山区河流的来沙条件的不确定性导致的河流形态变化的问题,根据J . G. Venditti的系列来沙条件变化水槽试验成果,引入无量纲参数河床结构强度Sp,充分考虑推移质泥沙运动特性,探讨了来沙条件变化对卵石河床形态、推移质输沙率和河床级配的影响。结果表明:在已经粗化的河床上加入细沙会对河床形态、推移质输沙率和河床级配产生影响。加入细沙会造成河床重新出现冲淤变化,底坡变大,冲刷变严重,最终降低河床结构强度Sp;加沙会增大推移质输沙率,其中中值粒径为3mm的细沙运动表现为行进推移质,而中值粒径为8mm的粗沙运动表现为结构推移质;加入细沙后会细化河床,且加入的粒径越小,细化效果越明显,加入中值粒径为3mm的细沙后推移质的中值粒径先减小后增大,与加入中值粒径为8mm的粗沙后推移质的中值粒径先增大后减小相反。