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顺直河道的河岸岸脚捡刷机理研究
在平原河流中,崩塌是一个非常重要的方向发展过程,占很大比例。在长江中下游,江岸崩塌十分严重,崩岸长度占长江中下游全部江岸的35.7%;黄河下游河道,滩岸崩塌也占有重要的位置。河岸崩塌机理十分复杂,影响因素多,其中河岸边界特性及土壤地质结构、水流条件和河床冲淤演变特性等在河岸崩塌发生过程中起到了重要的作用,而且这些影响因素在不同时期、不同边界条件下所发挥的作用也是不同的。在低水位的枯水期,由于水流紊动和边界外形的影响,水流方向与岸边有一夹角,水流冲刷河岸,造成河岸冲刷及岸脚淘刷,河岸侧向冲刷及岸脚淘刷是崩岸发生的主要因素;在洪水期,河岸土质条件、洪水位变化等对河岸崩塌起到了重要的作用,且洪水期崩岸产生的:υ洞笥诳菟窘;对于弯曲河道,凹岸淘刷非常严重,导致凹岸崩退迅速,如长江嘶马弯道的崩岸主要是其侧向冲刷而引起的。笔者在文献中研究了洪水期崩岸发生的成因,本文重点探讨河岸淘刷及其对崩岸的影响机理。1同水流条件下驳岸岸脚监测河岸泥沙与河床泥沙的受力特性基本上是一致的,但是,由于河岸边滩具有一定坡度,甚至处于直立状态,泥沙所受到的拖拽力和重力在斜面上产生的下滑力将发生变化。因此,在岸滩上与平底河床上泥沙起动有所差异。对于斜坡上的沙质散颗粒泥沙,起动所需要的剪切力小于平底泥沙起动剪切力,斜坡上的泥沙更容易起动。参考文献的研究思路,笔者对岸滩上黏性泥沙起动问题进行了概化分析,得到斜坡上泥沙起动剪切力τ′c与平底上泥沙起动剪切力τc的概化对比关系τ′cτc=√[1-(1-CkFD+FLFDtanθ)(1-cosΘ)]2-[1-CkFD+FLFDtanθ]2cot2θcos2?sin2Θ-(1-CkFD+FLFDtanθ)cotθsin?sinΘτ′cτc=[1?(1?CkFD+FLFDtanθ)(1?cosΘ)]2?[1?CkFD+FLFDtanθ]2cot2θcos2?sin2Θ????????????????????????????????????????????????????????????????√?(1?CkFD+FLFDtanθ)cotθsin?sinΘ式中符号的物理意义参见图1。τ′c为岸坡上的起动剪切力;τc为平底河床时的起动剪切力;Θ为河道岸滩的边坡倾角;?为水流与斜坡水平轴的夹角;Ck为泥沙间的黏滞力;θ为泥沙内摩擦角;FL为泥沙所受的上举力;FD为泥沙所受的拖拽力。若令?=0,即水流与斜坡倾斜方向成正交,相当于河道边坡上的泥沙起动条件:τ′cτc=√[1-(1-CkFD+FLFDtanθ)(1-cosΘ)]2-(1-CkFD+FLFDtanθ)2cot2θsin2Θ(2)τ′cτc=[1?(1?CkFD+FLFDtanθ)(1?cosΘ)]2?(1?CkFD+FLFDtanθ)2cot2θsin2Θ????????????????????????????????????????????????????????????√(2)再令FL=0,即忽略上举力:τ′cτc=√[1-(1-CkFD)(1-cosΘ)]2-(1-CkFD)2cot2θsin2Θ(3)τ′cτc=[1?(1?CkFD)(1?cosΘ)]2?(1?CkFD)2cot2θsin2Θ???????????????????????????????????????????√(3)从式(1)~式(3)进一步分析可知,在同水流条件下,边(斜)坡上泥沙起动所需的剪切力小于平坡上泥沙起动所需的切应力,即同水流条件下,岸坡泥沙更容易起动。就同一河道的岸坡和河床而言,河床剪切应力分布与岸坡有很大的差异,相应的泥沙起动特性也不同。对于梯形断面渠道(参见图2),堤脚处的剪切应力较大。因此,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,甚至是严重的淘刷。文献就顺直河道岸脚的淘刷机理进行了研究,也得出了类似的结果。成果表明,从岸脚外侧0.2H(H为水深)宽度范围内流速特征与远岸点的流速有明显不同,虽然时均流速略小于远岸点,但流速脉动值明显大于远岸点,岸脚附近的时均流速及其脉动值都直接影响岸脚的淘刷。在岸脚未发生明显冲刷时,距岸脚0.15H左右的流速脉动强度最大,本次试验范围内,流速脉动最大变幅为主流时均流速的1.912倍。当岸脚被水流明显淘刷后,脉动流速最大点移至岸脚0.1H左右处,最大脉动变幅达主流时均流速的1.928倍,脉动流速方向不仅是顺水流方向,垂直方向也有明显的脉动,相对变幅也可达1.78,这就进一步揭示了岸脚淘刷的机理。2表面活性剂的凹面触摸2.1不同截面的实际剪应力分布有关研究成果表明,在弯道水流中,床面剪切力的分布与纵向流速的分布一致,流速最大处,剪切力也最大。图3为弯曲河道的剪切力分布情况,从图可以看出,受弯道环流的影响,在弯道进口断面(弯道上游),凸岸为高剪切力区,凹岸为低剪切力区;而在弯道出口断面则情况正好相反,凹岸为高剪切力区,凸岸为低剪切力区;最大剪应力发生在弯道下游的凹岸处。因此,弯道坍岸一般发生在进口处的凸岸和出口处的凹岸。河岸剪切力直接关系到河岸变形速度,了解其垂线分布特点是非常重要的。据Hooke在模型中测量的凹岸边壁剪切力表明,当河底为动床时,最大边壁剪切力出现在水面以下5cm深的范围内(模型最大水深25cm),再向下受河床表面沙波的影响,其变化很不规则。而当河底为定床时,最大边壁剪切力在更深处出现。在模型中,凹岸边壁剪切力有两个最大值。最大的在弯顶稍下游(图3(b)中的+0.05断面),次大的在接近弯道出口处(+0.19断面)。各级流量下,均出现这两个最大值,而且它们的位置基本上不随流量而变化。2.2横向输沙不平衡关于弯道水流运动与底沙运动的关系,曾庆华进行了长期深入的研究,如图4所示。从图可知,在弯道进口段,水流向凸岸方向转移,但因有底沙补给,凸岸不会造成很大的冲刷坑。当进入弯道后,在环流的作用下,泥沙向凸岸部分(C)区集中,这里水面纵比降小、流速低,形成底沙的大量淤积,其形式呈镰刀状,镰刀形边滩的下游内侧存在一个底沙不进入的(D)区。(C′)区是凸岸沙滩嘴的边缘,这里大部分泥沙是过境的,但也有淤积,当凸岸边滩形成以后,来自上游的泥沙就沿着这一边缘运动。边滩不断发展,水流动力轴线就不断地外延,水流动力轴线逼进凹岸,在弯顶以下形成最大的冲刷区。弯道出口以下的水面纵比降很大,相应的流速仍然较大,但因有来自上游凹岸冲刷下来的泥沙及来自(C′)区过境泥沙和补给,该处将会出现淤积。悬移质运动与螺旋流的关系非常密切。螺旋流将表层含沙较少而泥沙较细的水体带向凹岸,并折向河底攫取泥沙,而后将这些含沙较多而泥沙较粗的底部水体带向凸岸边滩,形成横向输沙不平衡。横向输沙的不平衡,将使含沙较多的水体和较粗的泥沙集中靠近凸岸,含沙量沿水深分布更不均匀,而凹岸附近含沙较少且泥沙较细,含沙量分布也较为均匀。在螺旋流的作用下,凹岸冲刷下来的底沙总是转移到凸岸,由此形成床面上的横向底坡,特别是对于天然河弯,横向输沙的不平衡招致河床及河岸的不断变形,因此很难形成一个较为稳定的横向底坡,且又转而影响泥沙的运移。弯道环流运动在弯道崩岸过程中起到非常重要的作用,水流在通过弯道时形成螺旋环流,并引起横向不平衡输沙,结果凹岸冲刷下来的底沙总是转移到凸岸,并淤积下来。从弯道底沙输移和河床冲淤特点的关系图4可知,弯道顶点下游处正是冲刷最剧烈的部位,其崩岸强度最大,而且随大水的下挫和小水的上提有所变化。2.3不同纵向流速下的涡流分布对于水流质团而言,水流涡量实际上是质团旋转速度的二倍,涡量越大,质团旋转速度越大,对岸滩泥沙颗粒的冲刷作用越明显。在柱坐标系统(ˉee?θ,ˉee?r,ˉee?z)中,对于水流充分发展的情形,无量纲化后,涡量向量分量的表达式为Ω={Ωθ=εq(q?Vz?r-?Vr?z)Ωr=1q?Vθ?zΩz=1r?(rVθ)?r(4)Ω=???????????Ωθ=εq(q?Vz?r??Vr?z)Ωr=1q?Vθ?zΩz=1r?(rVθ)?r(4)式中:?ΩΩ?θ、Ωθ为纵向涡量分量和无量纲值;?ΩΩ?z、Ωz为垂向涡量分量和无量纲值;?ΩΩ?r、Ωr为径向涡量分量和无量纲值;Ω0为中线平均涡量,Ω0=ˉVRc?Ωθ=?ΩθΩ0?Ωz=?ΩzΩ0?Ωr=?ΩrΩ0Ω0=V???Rc?Ωθ=Ω?θΩ0?Ωz=Ω?zΩ0?Ωr=Ω?rΩ0。文献把弯道凹岸的三维流速分布公式代入上述涡量方程进行求解,并进行了较为详细的分析。对于径向涡量分量Ωr而言,其值随着不同水深而有较大的变化,在最大纵向流速以上的区域内,涡量分量为负值;在最大纵向流速以下的区域内,径向涡量分量为正值,在最大纵向流速附近的径向涡量分量等于零。表明同一垂线上径向涡量的旋转方向上下不同,上部旋转方向为负,下部旋转方向为正。对于弯道凹岸的垂直岸壁上,水流径向涡流分量大为减弱。而对于垂向涡量分量Ωz而言,固定的弯道,涡量分量将保持相同的符号,即表明涡流方向不随水深和最大流速位置而变化,但旋转的速度随不同水深有很大的差异,其旋转速度最大发生在纵向流速最大时的水深处。在弯道水流充分发展的情况下,纵向涡量分量Ωθ仍由径向流速的垂向梯度和垂向流速的径向梯度两部分组成。研究成果表明,在纵向流速最大值以上的区域内,其涡量分量为正值;在纵向流速最大值以下的区域内,水流纵向涡量分量为负值。表明不同水深的纵向涡流旋转方向有很大的差异,上部旋转方向为正,下部旋转方向为负。可以理解为纵向涡量分量的符号与主旋涡和凹岸旋涡在近壁的回转方向有关(参见图5)。在水面附近,凹岸旋涡回转方向向上为正,而主旋涡回转方向向下为负。河道泥沙的冲淤,对应于涡量的纵向分量。根据纵向涡量分量的凹岸分布可知,弯道凹岸冲刷最强烈的部位处于沿主旋涡与凹岸旋涡相分离点的切线与凹岸交汇处(称为滞点)及其附近,在此处弯道横向蠕动速度最大。对此也可以理解为在近壁处凹岸旋涡回转方向向上,其动力作用将引起滞点以上部位淘刷(上淘刷);而该处主旋涡回转方向向下,其动力作用将引起滞点以下部位的淘刷作用(下淘刷)。实际上,水流沿弯道边界的纵向运动,直接冲击弯道凹岸,对凹岸冲刷起到非常重要的作用。水流沿弯道的曲线运动也会产生强烈的垂向涡流,其旋转速度最大处基本上是纵向流速最大的位置,位于滞点附近,垂向涡流与纵向涡流的共同作用,造成滞点及其附近的严重冲刷,冲刷后的岸坡形状则成抛物线。岸壁的冲刷实际上是通过水流对岸壁的作用力来完成的。Chiu和Hsiung的切应力测试结果表明,凹岸冲刷的强弱与切应力的关系是,纵向切应力分布最大值所在处冲刷最强烈。2.4凹岸关注机理针对弯道凹岸水沙运动特点,从水沙运动理论、动力理论和涡流原理对弯道凹岸淘刷机理进行了系统分析,对凹岸淘刷机制有了更为清晰的了解,凹岸淘刷机理可用框图6表达。3冲刷前变量的下标型在非汛期或者枯水期,河流水位较低,滩岸中上部没有遭受水流的长期浸泡,通过岸滩稳定性分析可知,陡岸单位长度崩体的稳定系数Κ=γAcosαtanθ+clγAsinα(5)K=γAcosαtanθ+clγAsinα(5)式中:A、γ分别为崩体的断面积和容重;l、α为崩滑体破坏面的长度和坡角;θ、c分别为岸滩土壤的摩擦角和内聚力。冲刷前后河岸稳定系数的比较关系可用下式来表达:Κ0-Κ=γA0cosα0tanθ+cl0γA0sinα0-γAcosαtanθ+clγAsinα=γA0(x4-x30)tanθ+cl20γA0(y30-y4)-γA(x4-x3)tanθ+cl2γA(y3-y4)(6)K0?K=γA0cosα0tanθ+cl0γA0sinα0?γAcosαtanθ+clγAsinα=γA0(x4?x30)tanθ+cl20γA0(y30?y4)?γA(x4?x3)tanθ+cl2γA(y3?y4)(6)式中,下标‘0’代表冲刷前的变量。设冲刷前岸脚点的坐标为(x0,y0),冲刷增量值为(Δx,Δy),单一边坡形态和折线边坡形态的冲刷过程如图7所示。为方便起见,仅考虑河道侧向平行淘刷,而不考虑河床冲刷下切。那么,x2=x3=x0+Δx,y2=y0-ΔxtanΘ2,y3=y0,考虑到Δx与河深H相比属于小值,其二阶量可忽略,因此,上述单一边坡形态和折线边坡形态河岸稳定系数的对比关系经过近似化简,分别变为Κ0-Κ≈γE21tanθ+4cE1(x4-x0)-2E2(y4+x0tanΘ2)γ(y0-y4)[E21-ΔxE1(y4+x0tanΘ2)]Δx(7)K0?K≈γE21tanθ+4cE1(x4?x0)?2E2(y4+x0tanΘ2)γ(y0?y4)[E21?ΔxE1(y4+x0tanΘ2)]Δx(7)和Κ0-Κ≈γG21tanθ+4cG1(x4-x0)+2G2[y1-y4+(x1-x0)tanΘ2]γ(y0-y4){G21-ΔxG1[y4-y1+(x0-x1)tanΘ2]}Δx(8)K0?K≈γG21tanθ+4cG1(x4?x0)+2G2[y1?y4+(x1?x0)tanΘ2]γ(y0?y4){G21?ΔxG1[y4?y1+(x0?x1)tanΘ2]}Δx(8)式中,E1=x0y0+(x4-x0)(y0+y4),G1=x0y1+(x0-x1)y0+(x4-x0)(y0+y4),E2=G2=c[(x0-x4)2+(y0-y4)2]从式(7)和式(8)可知,无论是简单边坡,还是折线边坡的河岸,当河岸发生侧向冲刷时(相当于Δx>0),式(7)和式(8)的右边分子一般都大于零,即K0>K,表明河道侧向冲刷,导致河岸稳定性降低,当Δx增加时,崩滑面的倾角增大,此时(K0-K)的差值增加,河岸稳定系数降低,当Δx增加到一定程度,河岸发生崩塌。其物理意义是,Δx增加致使崩滑面的倾角增大,崩体所受的下滑力Fd增加,而阻滑力FR则有所减小或变化不大,导致河岸稳定性减弱,当侧向冲刷继续加大,下滑力继续加大,当下滑力大于或等于阻滑力时,岸坡稳定系数大于1.0时,此时岸坡发生崩塌的可能性增大,也就是说弯道侧向冲刷会加速崩岸的发生。按照表1所示的边界条件,笔者计算了河岸崩体稳定系数与侧向冲刷宽度的关系,如图8所示。从图可以看出,河岸崩体稳定系数与侧向冲刷宽度和冲刷面积成正比,表明侧向冲刷越多,河岸越易崩塌。4两种风特性的对比(1)在分析岸滩泥沙起动特点的基础上,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。(2)通过分析弯道水流泥沙运动特征和剪切力的分布特点,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。(3)凹岸岸脚的严重淘刷还可以用涡量理论来分析。水流沿弯道的曲线运动也会产生强烈的垂向涡流,其旋转速度最大处基本上是纵向流速最大的位置(滞点附近),垂向涡流与纵向涡流的共同作用,造成滞点及其附近的严重冲刷,冲刷后的岸坡形状则成抛物线。(4)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。
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