荆江河段崩岸机理及多尺度模拟方法

三峡工程运用后,进入荆江河段的水沙条件大幅度改变,导致近期崩岸频繁发生,影响局部河段的河势稳定及河道防洪安全。荆江段河岸组成一般为上层黏性土、下层沙土的二元结构,在近岸水流冲刷及河道水位涨落过程中受多种因素作用而发生崩塌。以往崩岸模拟考虑因素少,且相关参数难以量化确定。将河流动力学与土力学结合,提出了荆江段河岸土体物理特性与抗剪、抗冲及抗拉强度三大力学特性的量化指标,建立了上、下荆江二元结构河岸稳定性的计算方法,揭示了坡脚冲刷、潜水位变化等因素对岸坡稳定性的影响;提出了河岸崩退过程的多尺度模拟方法,将崩岸力学模型与水沙数学模型耦合,不仅能模拟河道内水沙输移及床面冲淤过程,而且还能模拟不同二元结构河岸的崩退过程。将建立的模型应用于荆江河段典型断面、长河段及局部河段的崩岸过程模拟,计算结果与实测值总体符合较好。提出的多尺度模拟方法为荆江崩岸预测提供了理论与技术基础。     

下荆江二元结构河岸崩退过程模拟及影响因素分析

三峡水库蓄水后下荆江河段河床持续冲刷,局部河段崩岸险情时有发生,研究下荆江二元结构河岸的崩退过程,有利于全面掌握该河段的演变规律。以下荆江荆98断面为研究对象,结合实测水文资料及断面地形资料,应用BSTEM模型计算了该断面右侧河岸2007及2010年的崩退过程,同时分析了弯道二次流及岸顶植被对崩岸过程的影响。结果表明:下荆江二元结构河岸的崩岸一般多发生在洪水期和退水期,其中洪水期为崩岸强烈阶段,退水期为崩岸较强阶段;弯道二次流的影响使得河岸坡脚冲刷更为严重,不利于凹岸的稳定性;岸顶植被增强了上部黏性土层的抗剪强度,有利于河岸的稳定性。     

含水率变化对荆江河岸黏性土体力学特性的影响

河岸土体的物理及力学特性是影响崩岸过程的主要因素之一。为研究土体含水率对荆江河岸土体力学特性的影响,于2017年对荆江8个典型崩岸断面进行调查取样,采用实测资料分析、室内土工试验和理论分析相结合的方法,全面地分析了荆江河岸土体组成及力学特性;并结合2016年实测数据定量研究了含水率对荆江河岸黏性土体抗剪强度指标的影响,以及含水率变化对河岸稳定性的影响。结果表明:荆江河岸为上部黏性土、下部非黏性土的二元结构;随含水率的增大,黏聚力先增大后减小,而内摩擦角持续减小;通常黏粒含量越大,其黏聚力峰值越大;含水率与抗剪强度指标存在定量关系;河岸在枯水期稳定性较高,在涨水期较为稳定,在洪水期和退水期稳定性较差。研究结果可供河岸崩岸治理工程技术人员参考。     

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。     

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。     

二元结构河岸崩塌机理试验研究

以室内概化模型试验为技术手段,首次尝试采用不同粒径的新型复合塑料沙(细颗粒层通过加入适当比例的黏合剂)模拟了天然二元结构河岸崩塌过程。试验研究表明:二元结构河岸崩塌过程大体可分为5个崩塌阶段:坡脚冲刷变陡阶段→滩面裂缝形成发育阶段→坡面渐进侵蚀阶段→河岸崩塌阶段→河岸冲刷趋于稳定阶段;在崩塌发生的过程中首先是下层泥沙受冲变陡,其次是上层河岸泥沙在多种因素影响下发生着不同的崩塌形式;在同级流量条件下,水位下降过程中河岸稳定性较水位上涨过程中明显减小。该成果可为研究江河崩岸治理措施和防洪减灾提供理论依据。     

荆江段黏性河岸土体抗拉特性及其应用北大核心CSCD

对于绕轴崩塌为主的荆江二元结构河岸稳定性计算,土体抗拉特性具有重要意义。采取现场挖空方法,开展了间接测定荆江段黏性河岸土体抗拉特性的原型崩塌试验。通过现场测量得到荆江河岸绕轴崩塌时的临界悬空宽度,计算了不同含水率及干密度下土体的抗拉强度;分别计算了荆江和Fukuoka试验河岸土体的临界悬空宽度,并与实测结果进行了对比,计算值与实测值均符合较好。考虑不同河道水位下河岸土体的含水率、抗拉强度、容重等变化过程,对下荆江荆133断面稳定性进行了计算,计算结果与崩岸发生时间的实际统计一致,表明提出的土体抗拉强度及其计算方法的可靠性,为后续河岸崩塌过程的模拟提供了科学的依据。     

荆江段黏性河岸土体抗拉特性及其应用

对于绕轴崩塌为主的荆江二元结构河岸稳定性计算,土体抗拉特性具有重要意义。采取现场挖空方法,开展了间接测定荆江段黏性河岸土体抗拉特性的原型崩塌试验。通过现场测量得到荆江河岸绕轴崩塌时的临界悬空宽度,计算了不同含水率及干密度下土体的抗拉强度;分别计算了荆江和Fukuoka试验河岸土体的临界悬空宽度,并与实测结果进行了对比,计算值与实测值均符合较好。考虑不同河道水位下河岸土体的含水率、抗拉强度、容重等变化过程,对下荆江荆133断面稳定性进行了计算,计算结果与崩岸发生时间的实际统计一致,表明提出的土体抗拉强度及其计算方法的可靠性,为后续河岸崩塌过程的模拟提供了科学的依据。     

河道内水位变化对上荆江河段岸坡稳定性影响分析

三峡水库蓄水后,上荆江河段来沙急剧减少,河床冲刷下切,局部河段崩岸现象时有发生,影响两岸堤防安全。通常认为水流冲积作用是崩岸的主要控制因素,但已有研究表明,河道内水位变化能改变河岸土体的力学特性及受力条件,进而对崩岸过程产生较大影响。本文将一维非稳定渗流计算及黏性土河岸稳定性计算结合,构建了考虑潜水位变化的岸坡稳定性分析模型,用于计算河道内水位变化时岸坡稳定程度的调整过程。以上荆江河段荆34、公2断面为研究对象,采用该模型计算了2009年实测河道水位过程下相应断面的岸坡稳定安全系数Fs。结果表明:涨水期河岸稳定性较高,洪峰期有所降低,退水期更低;荆34、公2断面最小Fs值分别为0.83、1.39,均发生在退水期,表明前者在该时期会发生崩岸,后者较为稳定,这与实测资料相符。此外还计算了不同河道内水位变化速率下Fs值的变化过程,结果表明:岸坡稳定性在涨水速率增加时增大,在退水速率增加时则减小。因此近期上荆江河段崩岸加剧一定程度上与三峡工程运用后退水过程加快有关。     

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。     

若尔盖高原泥炭型弯曲河道崩岸过程模拟

崩岸在河床演变和河型转化中发挥重要作用,促使河岸横向移动和河道蜿蜒。2011—2016年黄河源若尔盖高原的弯曲河流野外调查表明,泥炭型弯曲河流的崩岸是河岸上部泥炭层在自重作用下发生的悬臂式崩岸。针对泥炭型河岸的悬臂式崩岸,采用BSTEM模型分析其岸坡稳定性,并模拟河岸侵蚀和崩塌过程。泥炭层的含水率是河岸稳定的关键因子,泥炭层含水率的增加,既增强河岸崩塌的驱动力,也减弱抵抗河岸崩塌的抗剪力,对河岸稳定不利。河岸二元物质组成的厚度对河岸稳定性有较大影响,其泥炭层厚度的增加,可提高河岸稳定性,但是河岸下部粉沙层厚度的增加,则会降低河岸的稳定性。     

安徽省长江和淮河崩岸原因及控制措施分析

江河崩岸主因为水流冲刷沙质岸坡带来的崩塌,近期大规模的无序采砂也使过去河岸较稳定的河流出现了崩岸。本文分析了安徽省境内长江和淮河崩岸灾害发生的特点,提出了相应的防控措施及建议。     

上荆江典型断面河床纵横向变形过程的概化模拟

针对当前三峡工程运用后坝下游河床的调整特点,将床面冲淤与河岸崩退的计算模块相结合,构建了基于断面尺度的河床纵向及横向变形的概化数学模型。以上荆江荆34断面为研究对象,采用概化模型计算了该断面2006年和2008年水文年的河床纵向与横向变形过程,计算的河床纵向冲刷量、河岸崩退总宽度及崩塌后岸坡形态等结果与实测结果吻合较好。此外还分析了考虑与不考虑床面冲淤2种情况下2006年荆34断面形态调整的计算结果,该断面河床冲刷主要集中在枯水河槽,床面冲刷下切导致河岸高度增大,最大增幅约1.9 m,且考虑河床冲淤后计算的河岸崩退总宽度比不考虑时的计算值偏大20%。表明了近岸床面冲刷下切导致滩槽高差增大,将会加剧崩岸的发生。     

长江南京河段崩岸规律及预警措施

长江南京河段自1998年大水以来崩岸险情发生频次明显增加。河道崩岸的本质原因是深泓逼岸造成岸坡陡于稳定坡度,或岸坡底部被水流掏空导致上部岸坡失稳,使该处岸坡沿接近稳定边坡的滑裂面崩坍,出现崩岸。应从岸坡稳定性和河岸底部水流水沙情况的影响两方面进行研究。在总结崩岸的特征及以往长江河道崩岸研究成果的基础上,进一步研究该河段崩岸发生的宏观规律。在岸坡稳定性判定上,主要研究岸坡坡度和河岸构成;通过多年水下地形监测等资料分析河岸底部水流水沙情况的影响。总结提出南京河段崩岸规律、岸坡失稳坡度、崩岸发生的外部条件及预警方法。     

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。     

江河崩岸的概化模拟试验研究

根据长江中下游崩岸的基本特征,采用典型崩岸河段原体沙,在试验室中建立了概化坡体模型,针对坡体崩塌破坏机理进行模拟试验研究。结果表明,试验坡体的崩塌破坏表现形式、过程及特征与长江坍塌型崩岸基本相似。渗流强度越大,破坏作用越明显。水流冲刷的破坏作用主要是淘蚀坡脚,使坡体坡度趋缓,崩塌破坏范围及程度随之逐步减小,坡体坡脚未受淘蚀的极限稳定坡度为1∶2至1∶3。     

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.     

岸坡崩塌条件下弯道环流与水流剪切力的变化特征

河岸崩塌(又称为崩岸或塌岸)是水动力作用下岸坡失稳的一种主要形式,属于一种典型的水力与重力的复合侵蚀。本文采用黄河上游宁蒙河段的磴口黏性河岸沙为实验用沙,通过实施8组弯道水槽实验模拟塌岸过程与河道冲淤演变过程,重点观测并分析崩塌近岸水位、流速、颗粒粒径及河床冲淤形态等水力-泥沙-河床三方面因子变化特点,揭示黏性岸坡崩塌过程水流剪切力分布特征及其对河道冲淤形态影响机制,结果显示崩塌体头尾部的剪切力突增,形成较大剪切力区,尾部剪切力大于头部剪切力,尾部形成涡流,流速分布混乱,加快崩塌体的分解和崩塌进程。实验进一步揭示了崩塌过程河床形态对水流剪切力的响应关系,为建立崩塌河段泥沙输移模型提供了基础依据,并可供河道整治工程规划设计参考。     

江河崩岸的原因分析及整治措施

崩岸是由土石组成的河岸、湖岸因受水流冲刷,在重力作用下土石失去稳定沿河岸、湖岸的岸坡产生崩落、崩塌和滑坡等现象。本文针对江河崩岸险情,分析岸坡土质的类型及土层的分布、管涌现象、河道地形、水文气象环境的影响及人为因素五种原因发生的机理,从中了解控制该因素发展的关键点,分析各因素导致崩岸的过程。并根据原因及现场的施工条件,河势走向及经济条件等多重因素的综合考虑,选取适合的平顺式或垂直式整治措施,及时并有效地控制改善险情。