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坝下游河流演变及模拟(长江中游)
[澳门挂牌全篇之完整2023年:30881 次] [更新时间:2018-8-6]


近年来长江上游来沙量持续减少,加之三峡及其上游水库群蓄水拦沙运用,改变了进入长江中游的水沙过程,来沙量减少了约90%,来水量虽然只减少了7%,但出现了流量变幅减小、中水流量持续时间增加、汛后退水过程加快等现象。这种新水沙条件已导致长江中游段出现河床大幅下切、滩岸崩退几率加大、滩槽格局调整等显著变化,不仅威胁堤防安全,还增大了黄金水道的治理难度。因此揭示新水沙条件下长江中游河床演变规律并提出崩岸预警及防控技术,对保证中游大堤安全、促进黄金水道建设具有重要意义。由于崩岸受近岸水流冲刷、河道内水位涨落及河岸土体特性变化等多种因素共同影响,当前对崩岸力学机理及规律认识非常有限,崩岸过程难以精确模拟。针对这些问题,本研究取得如下成果:

1)定量揭示了长江中游二元结构河岸的崩退机理及其主要影响因素

长江中游二元结构河岸一般由上层粘性土、下层沙土组成,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。本研究将河流动力学与土力学相结合,提出长江中游典型河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 (澳门挂牌全篇之完整2023年,宗全利,2015)。以现场观测、室内土工试验及概化水槽试验等结果为基础,揭示了不同河岸土体的起动、冲刷特点及其影响因素,确定了不同土体起动流速(切应力)及冲刷系数与相关影响因素之间的定量关系;阐明了粘性河岸土体抗剪强度(凝聚力和内摩擦角)及抗拉强度随含水率的变化规律(图1)。河岸土体特性变化规律的系统认识,为长江中游崩岸机理研究提供了基础条件。

此外还提出了冲积河流水流冲刷强度的计算公式(Xia et al., 2017JH),定量研究了长江中游典型河段水流冲刷强度对崩岸过程的影响 (Zhou et al., 2017Geom),建立了多年平均汛期水流冲刷强度与崩岸宽度的经验关系,分析了河湾形态,边坡形态及滩槽高差及弯道二次流运动等多种因素对长江中游河道崩岸的具体影响。

1荆江河岸土体抗冲、抗剪及抗拉强度的变化特点

2)提出了长江中游二元结构河岸稳定性的计算方法

基于不同类型河岸崩塌的力学机理,同时考虑不同因素对崩岸过程的影响,建立了长江中游二元结构河岸稳定性的计算方法。将非稳定渗流计算及粘性土河岸稳定性计算结合,改进了二元结构河岸(上部粘土层较厚)发生平面滑动时稳定性的计算公式 (Deng et al., 2018 ESPL)。采用该公式计算典型水文年内长江中游典型河段(上荆江)内岸坡稳定程度的变化过程,结果表明退水期潜水位变化滞后,增加了崩岸发生的频率(图2a)。

针对上部粘性土层较薄的二元结构河岸,提出了其发生绕轴崩塌时临界悬空宽度及河岸稳定安全系数(FS)的计算公式 (Xia et al., 2014JH)。该公式采用悬臂梁平衡的力学原理推导,同时考虑上部粘性土层中张拉裂隙的存在,以及断裂面上的抗拉应力及抗压应力都为三角形分布。长江中游典型河段(下荆江)河岸稳定性在一个水文年内的计算结果表明:受水流剧烈冲刷的影响,河岸崩塌在洪峰期最为剧烈,其次为退水期(图2b)。这些认识与三峡水库蓄水后实测结果非常吻合。

2长江中游典型河段内二元结构河岸稳定性程度及崩塌频率的变化过程

3创建了能同时模拟床面冲淤与二元结构河岸崩退耦合过程的多尺度数学模型

综合考虑坡脚冲刷、渗流过程及土体特性变化等因素对河岸崩塌的影响,建立了基于断面尺度的崩岸力学模型,该模型可通过渗流及岸坡稳定性计算,分析土体含水率及稳定程度等变化过程,同时还考虑了平面滑动以及绕轴崩塌两种崩岸计算模式,用于模拟不同二元结构河岸的崩退过程。将该模型与一维水沙动力模型相结合,创建了模拟床面冲淤及河岸崩退的一维数学模型,用于长河段尺度内的崩岸位置监测及预警;将崩岸模型嵌入二维水沙动力模型,同时在模型中进一步引入弯道二次流运动对崩岸的影响,实现了局部河段尺度的床面冲淤及滩岸崩退过程的精细模拟。

3长江中游典型河段内崩岸过程的模拟结果

主要参考文献

[1] 澳门挂牌全篇之完整2023年, 宗全利. 长江荆江段崩岸机理及其数值模拟. 科学出版社, 2015.

[2] Xia JQ*, Zong QL, Deng SS, Xu QX and Lu JY (2014). Seasonal variations in stability of composite riverbanks in the Lower Jingjiang Reach, China. Journal of Hydrology. 519: 3664-3673.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169414008816

[3] Xia JQ*, Zhou MR, Deng SS, Lin Fenfen and Lu JY (2017). Variation in reach-scale bankfull discharge of the Jingjiang Reach undergoing upstream and downstream boundary controls. Journal of Hydrology, 547: 534–543.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169417301051

[4] Zhou MR, Xia JQ*, Lu JY, Deng SS, Lin FF (2017). Morphological adjustments in a meandering reach of the middle Yangtze River caused by severe human activities. Geomorphology, 285: 325-332.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X16308376

[5] Deng SS, Xia JQ*, Zhou MR, Li J and Zhu YH (2018). Coupled modeling of bank retreat processes in the Upper Jingjiang Reach, China. Earth Surface Processes and Landforms, 43: 2863–2875.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169418308369



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