三峡工程运用后上荆江枯水河槽调整及其对航道的影响

三峡工程运用后,上荆江河段河床冲刷较为剧烈,枯水（5000 m3/s流量下）河槽形态相应发生调整,对航运产生了较大影响。本文通过一维水动力学模型确定了各固定断面的枯水河槽形态参数。由于不同断面的河槽形态沿程存在显著差异,故采用基于对数转换的几何平均与断面间距加权平均相结合的河段平均方法,计算了2002-2015年上荆江河段尺度的枯水河槽形态参数。计算结果表明：受大范围护岸及护滩工程的影响,研究时段内上荆江枯水河槽宽度仅有小幅度增加,而相应的水深和面积增加约0.68 m及870 m2,增幅分别达12%及15%,航道条件总体上有所改善;枯水河槽宽深比呈持续减小趋势,由2002年的5.73减小至2015年的5.17,故近期上荆江枯水河槽形态趋于窄深;但在火箭洲、沙市及公安弯道等局部河段,江心洲或凸岸边滩的剧烈冲刷导致河槽展宽,宽深比明显增加,引起局部水深不足、航槽不稳定等现象。此外通过分析河槽形态调整对前期水沙条件的滞后响应,建立了河段尺度的枯水河槽形态参数与前6年平均的汛期水流冲刷强度之间的经验关系。结果表明：受人类活动干扰,上荆江河段尺度的枯水河槽宽度与前期水沙条件的相关程度较低,故建立的枯水河槽宽度公式不能反映水沙条件变化对河宽调整的影响;而上荆江河段尺度的枯水河槽水深、面积、宽深比与前6年平均的汛期水流冲刷强度的相关程度分别为0.92、0.95及0.85,故这三个参数均可较好地对由于三峡工程运用引起的水沙条件改变做出快速响应。     

三峡工程运用后荆江河段平滩河槽形态调整特点

为确定三峡水库蓄水后荆江河段平滩河槽形态调整特点,提出基于河段尺度的平滩河槽形态参数的计算方法,计算上、下荆江段2002—2013年汛后河段平均的平滩河槽形态参数.结果表明:三峡工程运用后,坝下游河床冲刷加剧,个别河段河势变化剧烈,但总体河势仍基本稳定;尽管局部河段的崩岸现象较为突出,但河段平滩宽度总体变化不大,上、下荆江平均河宽分别为1 388及1 305m,而河段平滩水深平均增加1.6及1.0m,故荆江河段的平滩面积在持续增加.最后建立河段尺度的平滩河槽形态参数与前期5a平均的汛期水流冲刷强度之间的计算关系,用于预测该河段平滩河槽形态随水沙条件的变化趋势.     

黄河下游游荡段持续淤积及冲刷时平滩河槽形态调整规律

自1986年以来,由于上游来水来沙量不同程度的减少及小浪底水库的运用,进入黄河下游的水沙条件发生了较大变化.下游河道分别经历了持续淤积和持续冲刷的过程,其平滩河槽形态调整较为显著,尤其在游荡段.利用1986-2012年汛后实测淤积断面资料,统计了各年游荡段汛后28个断面的平滩河槽形态参数(平滩河宽、水深及面积等).然后,采用基于对数转换的几何平均结合断面间距加权平均的方法,计算了基于河段尺度的游荡段平滩河槽形态,并分析了这些参数的变化规律.计算结果表明:河段平滩河槽形态的调整与汛期及非汛期水沙条件都密切相关,且能与前期4年平均的汛期及非汛期的流量及来沙系数建立经验函数关系.该关系式可反映出流量、来沙系数对平滩河槽形态各参数的不同影响,并有较高的相关系数.     

断面法计算宜昌至枝城河段河道冲淤量的合理间距

在实测1∶10 000水下地形资料的基础上运用不同断面间距(200、400、800、1 600和3 200m)计算了三峡水库蓄水后坝下游宜昌至枝城河段的河道冲淤量,分析了宜枝河段常测固定断面布设的合理性.研究结果表明,该研究河段布置的51个常测固定断面基本能控制地形变化,有较好的断面代表性,可不进行断面加密;河槽槽蓄量采用锥体法和梯形法计算差异很小,两种方法均能满足要求;槽蓄量计算若要达到一定的精度,在弯道、汊道、河道急剧放宽和束窄的河段断面间距不宜过大.通过比较宜枝河段不同断面间距全河段河槽冲淤量(包括枯水、平滩和洪水河槽),认为对宜枝河段而言,断面间距不大于2倍河宽即能满足精度要求.     

黄河下游河槽横断面宽深比变化规律及河型判别研究

黄河从上世纪70年代，特别80年代中期以来，河槽萎缩严重，平滩河宽和宽深比减小。研究结果表明下游河槽的变化主要受来水来沙和上游水库运用方式的影响较大，用河型判别指标。预估了小浪底运用后黄河下河槽可能的变化趋势。     

长江中下游砂卵石分汊河段演变机理

受水动力条件、边界条件等影响,砂卵石分汊河段河床演变规律较为复杂.以长江中下游关洲-芦家河河段为例,分析了典型砂卵石弯曲分汊河段的演变特点.在此基础上,结合三峡蓄水后来水来沙、水动力轴线、泥沙粒径等河段变化特点,研究砂卵石分汊河段演变机理,并分析了砂卵石分汊河段的演变趋势.研究结果表明:自然情况下砂卵石分汊河段水沙输移主要特点为主流线随来流变化在两汊间摆动.在清水下泄河段总体冲刷背景下,河段冲刷主要以沙质河床部分为主,局部区域的淤积主要为推移质的淤积.蓄水后,关洲左汊将继续冲刷发展,芦家河水道沙泓进口淤积将有所发展,石泓的冲刷发展将相对较大,江心碛坝头部还将发生一定幅度的冲刷.     

武桥水道水动力特性与汉阳边滩演变

武桥水道枯水期碍航与汉阳边滩的发育程度直接相关,而汉阳边滩的冲淤变化又与该河段水动力特性有关.结合定床模型试验和原观资料分析,分析了武桥水道河段水流运动特性、汉阳边滩形成的必然性、年内年际的演变规律、汉阳边滩冲淤变化与水动力条件之间的关系.结果表明:武汉河段平面形态特征、汉江入汇以及武昌深槽是汉阳边滩形成的根本原因;该河段汛期水流动力轴线顺直,潜洲至大桥间水流动力轴线居中靠左;而枯水期水流动力轴线弯曲,水流动力轴线在潜洲尾部以下由左侧过渡到右侧的特点决定了汉阳边滩汛期冲刷,汛后以及枯水期淤积外展的规律;枯水期不同的水流条件决定了汉阳边滩淤积外展的程度及其碍航程度.     

汉江下游典型弯曲河段的单向冲刷特点分析

枢纽下游河段由于来沙量大幅减少,会发生长时间长河段的单向冲刷,河道形态随之发生调整.选取丹江口水库下游汉江典型连续弯曲河段——仙桃至小陈家台河段,采用实测资料分析方法,分析了该河段单向冲刷演变及河道形态调整的特点.结果表明:该河段处于单向冲刷阶段,河段深泓单向冲刷下降,深槽展宽、延长、贯通.由于该河段受两岸边界约束,侧向侵蚀受限,河床冲刷下切为主,河道断面朝窄深发展;弯曲段,凸岸边滩总体呈冲刷后退的趋势,其中曲率半径较小的弯道凸岸边滩冲刷后退过程中存在淤长与切割的交替,微弯河段凸岸边滩则呈单向切滩后退,表现出枢纽下游弯曲河段由于中枯水期流量增加所呈现的撇弯切滩调整现象.     

三峡水库蓄水后关洲河段河势调整对松滋口分流影响

关洲河段属典型的主流年内交替型分汊河道,地处三峡大坝下游,受三峡水库蓄水运用带来的水沙变异影响,河道冲淤响应较早,但因河床组成差异呈现出不同于沙质河床的河势调整规律。松滋口作为分泄长江水沙进入洞庭湖的重要通道,其分流特性变化与上游关洲河段河势调整密切相关,但三峡水库蓄水运用后两者的影响关系研究相对不足。本文基于近10年来的河道实测资料和水文观测数据,分析了三峡水库蓄水运用以来关洲河段的河道演变特点;从关洲河段河道冲淤、左汊发展和左汊主汊的维持时间等三个方面研究了上游河势调整对松滋口分流的影响。研究成果表明：三峡水库蓄水运用以来(2002.10~2013.11),关洲河段河道枯水河槽冲刷幅度较大,冲刷量占总冲刷量的90%,且冲刷主要集中于左侧低滩及左汊,致使左汊中下段深泓高程低于右汊,枯水期同流量下左汊分流比呈现增加的趋势;当上游来流小于20000m₃/s时,同流量下松滋口分流能力下降,但这一影响随着关洲河段河道冲刷的趋于平衡而逐渐削弱;关洲左汊的发展有利于增加较大流量时松滋口的分流比,且这一流量持续的时间越长,即左汊维持主汊地位的时间越长,松滋口年分流比越大。此外,左汊的过度发展可能会引起关洲河段主流不再年内交替,而是将长期稳定在左汊河道,建议有关部门加强对关洲河段左汊河道的监测。     

小宽深比条件下弯道水流特性的试验研究

在弯道水流中,几何参数宽深比对水流的3维运动特性具有重要影响。由于小宽深比（< 5）河道广泛存在于山区及人工河道中,采用声速多普勒流速仪（ADV）对固定宽度不同宽深比（B/H 分别为1.5,2.0,3.0）的U型弯道内水流流速进行了精细测量,并以水面横比降、横向环流、流速重分布、紊动强度与剪切力为研究内容,讨论与分析了该情况下的弯道水流结构。试验结果表明,在小宽深比条件下增加宽深比时：1）水流动力轴线开始向凹岸偏移的位置提前,因而小流速主流线沿着凸岸流动,直到出弯道才开始向凹岸偏移,大流速则更早地向凹岸偏移;2）横向流速在凹岸开始波动的位置依次靠近上游,3种工况中波动位置分别为120°断面、90°断面及60°断面;3）凹岸表层附近出现次生环流的位置依次提前,其位置分别为120°断面、60°断面及30°断面,并且次生环流强度及范围不断增大;4）床面剪切力不断增大。需要指出的是：3种工况的剪切力在弯道入口断面到弯顶断面之间较大,最大剪切力位置均出现在弯道的前半段,可以推断在动床中弯道泥沙在此段的冲刷比较严重;过弯顶断面后,凸岸床面剪切力大于凹岸。试验结果可以有效地反映不同小宽深比参数对弯道水流结构的影响,并为该条件下的弯道泥沙冲淤研究提供参考。     

Prediction of recent bank retreat processes at typical sections in the Jingjiang Reach

The Jingjiang Reach is experiencing continuous channel degradation owing to operation of the Three Gorges Project(TGP)in2003.Significant retreat processes at composite riverbanks have occurred at local sites of this reach,which may influence the stability of the river regime and the effect of existing river training works.Therefore,bank retreat plays a key role in fluvial processes of the Jingjiang Reach,and it is necessary to predict the long-term processes of bank retreat at typical sections in the reach.In this study,various factors influencing bank retreat in the Jingjiang Reach are investigated,based on bank erosion processes at four sections and the corresponding flow and sediment conditions.It is discovered that fluvial erosion intensity is a dominant factor in controlling the processes of bank retreat in the reach,although other factors,such as bank soil properties,can also influence bank retreat.The bankfull width at a section with severe bank erosion since 2002 is defined as being equal to the sum of the bankfull width in 2002 and the accumulated bank retreat distance after 2002.The magnitude of the bankfull width can be expressed as an exponential function of the previous 5-year average fluvial erosion intensity during flood seasons.The accumulated distances of bank retreat at four sections over the period 2002–2012 are predicted using the proposed empirical relationships,with the calculated bank retreat processes agreeing well with observed data.     

岸坡植被对复式河道水动力特性影响的数值模拟

广泛分布于天然河道岸坡的植被能够改变河道水流特性,进而影响坡脚淘刷、河岸稳定及河道形态演变趋势。为精细揭示岸坡植被对复式河道水动力特性的影响,提出植被固壁边界处理方法,利用雷诺应力模型封闭紊流控制方程构建了复式河道三维水动力数学模型,并对复式河道水流特性进行了模型验证,模拟结果与实测结果吻合较好。将该模型应用于岸坡有植被的复式河道水流特性研究,对比非淹没刚性植被、淹没刚性植被、淹没与非淹没刚性植被交替和无植被情况下流速、流量、河床剪应力、雷诺应力以及紊动能分布的差异。结果表明：岸坡植被加剧了滩槽间横向动量交换,引起二次流涡旋数量、强度和范围的增加,同时使得横断面流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能在滩槽交界区显著减小,紊动交换在临近植被的周边区域明显增加。其中岸坡种植非淹没刚性植被时效果最为显著,相比无植被情况,二次流涡旋数量增加了一对,岸坡植被区流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能大幅减小,甚至趋近于零,而临近植被的周围区域紊动交换剧烈,无量纲化的紊动能值可达到20。     

长江中下游枯水位与河床冲淤变化

根据大量实测水文泥沙资料,分析了包括下荆江裁弯、葛洲坝和三峡工程运用后长江中下游河道冲淤与枯水位及泥沙特性变化情况.研究结果表明,近50 a来长江中下游枯水位表现为宜昌至监利河段下降明显,城陵矶至螺山上升显著,汉口至大通略有上升.三峡水库运用后,长江中下游含沙量及输沙量下降明显,悬移质中值粒径大幅减小,枯水位降低.枯水位变化与河段河床演变以及河道的冲淤变化密切相关,由此带来的河岸崩塌、引水及航道等问题应引起重视.     

滩地植被对弯曲漫滩河道主槽二次流发展的影响研究

滩地植被对河道水沙运动及河床演变具有重要的影响,尤其当洪水期水流漫滩时。为了弄清高密度植被对弯曲主河道水流特性的影响,作者采用模型试验,在弯曲复式河道滩地铺设模型草,模拟天然植被,通过改变上游来流量,研究了高密度植被对主槽二次流涡团高度及涡团中心位置的影响。结果表明,滩地植被对弯中断面附近的二次流涡团高度影响最大,二次流涡团高度在滩地无植被时等于主槽高度,而在滩地有植被后等于主槽高度加上滩地植被冠层高度,此时,滩地植被等效增大了主槽高度。进入弯段后,滩地植被对二次流涡团高度的影响逐渐减小,在弯顶断面可以忽略滩地植被的影响。根据试验结果,提出了不同断面二次流涡团中心位置的预测方法并用不同来源的数据进行检验,发现该方法可以准确预测弯曲主槽中不同断面的二次流涡团中心位置。最后,讨论了二次流相对强度与主槽过流率之间的关系,发现无论滩地是否有植被,最大主槽过流率总是出现在二次流相对强度较小的弯顶断面。在相同水深条件下,主槽过流率在有植被漫滩河道中比无植被河道大。随着主槽水深（相对水深）增大,有植被和无植被工况各断面的过流率差值减小。当主槽水深接近或小于滩地植被冠层高度和主槽高度之和时,弯曲主槽中的二次流涡团沿程变化特性将与非漫滩弯曲河道的二次流涡团沿程变化特性十分相似。     

基于数值模拟的矩形明渠床面切应力分析

河道流动受边界切应力影响,边界切应力过大会造成河岸被侵蚀,降低河岸的稳定性,并通过影响泥沙的沉积和搬运,引起河流形态变化。探究河流边界切应力,就是在河流中水流流动状态、结构特性等问题。由于河流中影响边界切应力的因素多且复杂,本文去掉各种不确定的因素,通过数值软件建立一个二维矩形直道明渠流动模型,运用相似理论中的重力相似准则对矩形直道明渠模型进行缩尺,首先将5种比尺的均匀流直道模型的流动进行数值模拟。由于该5个直道明渠模型模拟结果统一出来的水位流量关系与曼宁公式推导出的水位流量关系高度一致,因此可以表明该模型模拟出来的参数是真实可靠的。针对非均匀流的情况,本文通过欠均匀流和超均匀流的概念,对9组直道模型非均匀流进行数值模拟,通过非均匀流的受力分析推导出通用的床面切应力公式。该公式表明无论矩形明渠的流动是否为均匀流,都可通过水深h、流速u、曼宁糙率系数n三个参数求出床面切应力。     

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。     

河岸崩塌与稳定分析

在总结了以往长江河道崩岸问题研究成果的基础上,分析了不同河型河道崩岸的特点及机理,提出了岸坡滑动的计算模式、稳定岸坡的坡降、河道崩岸的预测方法等,在抗滑稳定计算上考虑了河岸动水压力对河岸崩塌的作用;在河岸稳定性判定上,提出了用河道深泓距岸距离和水深确定当前河岸坡度,并与其当前稳定坡度相比较,来判定河岸是否稳定,对于长江中下游,粘土、亚粘土与细沙土夹层河岸的稳定坡度均缓于1∶3.0,各崩岸段深泓离岸距离与平均河宽之比一般为0.07～0.30.     

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。     

明渠干支河流直角交汇区整流方法探讨

由于便利的水运条件,有相当一部分重要的城市和乡镇位于河流交汇处,但由于交汇水流结构的复杂性,在交汇区常形成冲击河岸和泥沙淤积等一系列问题,因而对交汇区水流进行有效地整治是非常必要的。本文利用数值模拟试验,对入汇角为90°的河流交汇处产生的分离区水流特征进行了研究,并在此基础上提出了一种可以减小或消除分离区的优化堤线的整流方案,即优化后的堤线满足椭圆方程,椭圆长半轴长度为分离区长度,短半轴为分离区宽度,以改善交汇区的泥沙淤堵及水位抬高等灾害问题。通过对不同干支流动量比堤线整流效果对比分析,结果表明：当动量比M*=0.40时得出的椭圆型堤线为最佳整流方案。