順直河道的河岸岸腳撿刷機理研究

順直河道的河岸岸腳撿刷機理研究

在平原河流中，崩塌是一個非常重要的方向發(fā)展過程，占很大比例。在長江中下游,江岸崩塌十分嚴(yán)重,崩岸長度占長江中下游全部江岸的35.7%;黃河下游河道,灘岸崩塌也占有重要的位置。河岸崩塌機理十分復(fù)雜,影響因素多,其中河岸邊界特性及土壤地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水流條件和河床沖淤演變特性等在河岸崩塌發(fā)生過程中起到了重要的作用,而且這些影響因素在不同時期、不同邊界條件下所發(fā)揮的作用也是不同的。在低水位的枯水期,由于水流紊動和邊界外形的影響,水流方向與岸邊有一夾角,水流沖刷河岸,造成河岸沖刷及岸腳淘刷,河岸側(cè)向沖刷及岸腳淘刷是崩岸發(fā)生的主要因素;在洪水期,河岸土質(zhì)條件、洪水位變化等對河岸崩塌起到了重要的作用,且洪水期崩岸產(chǎn)生的危害遠大于枯水季節(jié);對于彎曲河道,凹岸淘刷非常嚴(yán)重,導(dǎo)致凹岸崩退迅速,如長江嘶馬彎道的崩岸主要是其側(cè)向沖刷而引起的。筆者在文獻中研究了洪水期崩岸發(fā)生的成因,本文重點探討河岸淘刷及其對崩岸的影響機理。1同水流條件下駁岸岸腳監(jiān)測河岸泥沙與河床泥沙的受力特性基本上是一致的,但是,由于河岸邊灘具有一定坡度,甚至處于直立狀態(tài),泥沙所受到的拖拽力和重力在斜面上產(chǎn)生的下滑力將發(fā)生變化。因此,在岸灘上與平底河床上泥沙起動有所差異。對于斜坡上的沙質(zhì)散顆粒泥沙,起動所需要的剪切力小于平底泥沙起動剪切力,斜坡上的泥沙更容易起動。參考文獻的研究思路,筆者對岸灘上黏性泥沙起動問題進行了概化分析,得到斜坡上泥沙起動剪切力τ′c與平底上泥沙起動剪切力τc的概化對比關(guān)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式中符號的物理意義參見圖1。τ′c為岸坡上的起動剪切力;τc為平底河床時的起動剪切力;Θ為河道岸灘的邊坡傾角;?為水流與斜坡水平軸的夾角;Ck為泥沙間的黏滯力;θ為泥沙內(nèi)摩擦角;FL為泥沙所受的上舉力;FD為泥沙所受的拖拽力。若令?=0,即水流與斜坡傾斜方向成正交,相當(dāng)于河道邊坡上的泥沙起動條件: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,即忽略上舉力:τ′cτc=√[1-(1-CkFD)(1-cosΘ)]2-(1-CkFD)2cot2θsin2Θ(3)τ′cτc=[1?(1?CkFD)(1?cosΘ)]2?(1?CkFD)2cot2θsin2Θ???????????????????????????????????????????√(3)從式(1)～式(3)進一步分析可知,在同水流條件下,邊(斜)坡上泥沙起動所需的剪切力小于平坡上泥沙起動所需的切應(yīng)力,即同水流條件下,岸坡泥沙更容易起動。就同一河道的岸坡和河床而言,河床剪切應(yīng)力分布與岸坡有很大的差異,相應(yīng)的泥沙起動特性也不同。對于梯形斷面渠道(參見圖2),堤腳處的剪切應(yīng)力較大。因此,順直河道的河岸沖刷主要發(fā)生在岸邊的中下部或岸腳的地方,甚至是嚴(yán)重的淘刷。文獻就順直河道岸腳的淘刷機理進行了研究,也得出了類似的結(jié)果。成果表明,從岸腳外側(cè)0.2H(H為水深)寬度范圍內(nèi)流速特征與遠岸點的流速有明顯不同,雖然時均流速略小于遠岸點,但流速脈動值明顯大于遠岸點,岸腳附近的時均流速及其脈動值都直接影響岸腳的淘刷。在岸腳未發(fā)生明顯沖刷時,距岸腳0.15H左右的流速脈動強度最大,本次試驗范圍內(nèi),流速脈動最大變幅為主流時均流速的1.912倍。當(dāng)岸腳被水流明顯淘刷后,脈動流速最大點移至岸腳0.1H左右處,最大脈動變幅達主流時均流速的1.928倍,脈動流速方向不僅是順?biāo)鞣较?垂直方向也有明顯的脈動,相對變幅也可達1.78,這就進一步揭示了岸腳淘刷的機理。2表面活性劑的凹面觸摸2.1不同截面的實際剪應(yīng)力分布有關(guān)研究成果表明,在彎道水流中,床面剪切力的分布與縱向流速的分布一致,流速最大處,剪切力也最大。圖3為彎曲河道的剪切力分布情況,從圖可以看出,受彎道環(huán)流的影響,在彎道進口斷面(彎道上游),凸岸為高剪切力區(qū),凹岸為低剪切力區(qū);而在彎道出口斷面則情況正好相反,凹岸為高剪切力區(qū),凸岸為低剪切力區(qū);最大剪應(yīng)力發(fā)生在彎道下游的凹岸處。因此,彎道坍岸一般發(fā)生在進口處的凸岸和出口處的凹岸。河岸剪切力直接關(guān)系到河岸變形速度,了解其垂線分布特點是非常重要的。據(jù)Hooke在模型中測量的凹岸邊壁剪切力表明,當(dāng)河底為動床時,最大邊壁剪切力出現(xiàn)在水面以下5cm深的范圍內(nèi)(模型最大水深25cm),再向下受河床表面沙波的影響,其變化很不規(guī)則。而當(dāng)河底為定床時,最大邊壁剪切力在更深處出現(xiàn)。在模型中,凹岸邊壁剪切力有兩個最大值。最大的在彎頂稍下游(圖3(b)中的+0.05斷面),次大的在接近彎道出口處(+0.19斷面)。各級流量下,均出現(xiàn)這兩個最大值,而且它們的位置基本上不隨流量而變化。2.2橫向輸沙不平衡關(guān)于彎道水流運動與底沙運動的關(guān)系,曾慶華進行了長期深入的研究,如圖4所示。從圖可知,在彎道進口段,水流向凸岸方向轉(zhuǎn)移,但因有底沙補給,凸岸不會造成很大的沖刷坑。當(dāng)進入彎道后,在環(huán)流的作用下,泥沙向凸岸部分(C)區(qū)集中,這里水面縱比降小、流速低,形成底沙的大量淤積,其形式呈鐮刀狀,鐮刀形邊灘的下游內(nèi)側(cè)存在一個底沙不進入的(D)區(qū)。(C′)區(qū)是凸岸沙灘嘴的邊緣,這里大部分泥沙是過境的,但也有淤積,當(dāng)凸岸邊灘形成以后,來自上游的泥沙就沿著這一邊緣運動。邊灘不斷發(fā)展,水流動力軸線就不斷地外延,水流動力軸線逼進凹岸,在彎頂以下形成最大的沖刷區(qū)。彎道出口以下的水面縱比降很大,相應(yīng)的流速仍然較大,但因有來自上游凹岸沖刷下來的泥沙及來自(C′)區(qū)過境泥沙和補給,該處將會出現(xiàn)淤積。懸移質(zhì)運動與螺旋流的關(guān)系非常密切。螺旋流將表層含沙較少而泥沙較細的水體帶向凹岸,并折向河底攫取泥沙,而后將這些含沙較多而泥沙較粗的底部水體帶向凸岸邊灘,形成橫向輸沙不平衡。橫向輸沙的不平衡,將使含沙較多的水體和較粗的泥沙集中靠近凸岸,含沙量沿水深分布更不均勻,而凹岸附近含沙較少且泥沙較細,含沙量分布也較為均勻。在螺旋流的作用下,凹岸沖刷下來的底沙總是轉(zhuǎn)移到凸岸,由此形成床面上的橫向底坡,特別是對于天然河彎,橫向輸沙的不平衡招致河床及河岸的不斷變形,因此很難形成一個較為穩(wěn)定的橫向底坡,且又轉(zhuǎn)而影響泥沙的運移。彎道環(huán)流運動在彎道崩岸過程中起到非常重要的作用,水流在通過彎道時形成螺旋環(huán)流,并引起橫向不平衡輸沙,結(jié)果凹岸沖刷下來的底沙總是轉(zhuǎn)移到凸岸,并淤積下來。從彎道底沙輸移和河床沖淤特點的關(guān)系圖4可知,彎道頂點下游處正是沖刷最劇烈的部位,其崩岸強度最大,而且隨大水的下挫和小水的上提有所變化。2.3不同縱向流速下的渦流分布對于水流質(zhì)團而言,水流渦量實際上是質(zhì)團旋轉(zhuǎn)速度的二倍,渦量越大,質(zhì)團旋轉(zhuǎn)速度越大,對岸灘泥沙顆粒的沖刷作用越明顯。在柱坐標(biāo)系統(tǒng)(ˉeeˉθ,ˉeeˉr,ˉeeˉz)中,對于水流充分發(fā)展的情形,無量綱化后,渦量向量分量的表達式為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為縱向渦量分量和無量綱值;?ΩΩ?z、Ωz為垂向渦量分量和無量綱值;?ΩΩ?r、Ωr為徑向渦量分量和無量綱值;Ω0為中線平均渦量,Ω0=ˉVRc?Ωθ=?ΩθΩ0?Ωz=?ΩzΩ0?Ωr=?ΩrΩ0Ω0=VˉˉˉRc?Ωθ=Ω?θΩ0?Ωz=Ω?zΩ0?Ωr=Ω?rΩ0。文獻把彎道凹岸的三維流速分布公式代入上述渦量方程進行求解,并進行了較為詳細的分析。對于徑向渦量分量Ωr而言,其值隨著不同水深而有較大的變化,在最大縱向流速以上的區(qū)域內(nèi),渦量分量為負值;在最大縱向流速以下的區(qū)域內(nèi),徑向渦量分量為正值,在最大縱向流速附近的徑向渦量分量等于零。表明同一垂線上徑向渦量的旋轉(zhuǎn)方向上下不同,上部旋轉(zhuǎn)方向為負,下部旋轉(zhuǎn)方向為正。對于彎道凹岸的垂直岸壁上,水流徑向渦流分量大為減弱。而對于垂向渦量分量Ωz而言,固定的彎道,渦量分量將保持相同的符號,即表明渦流方向不隨水深和最大流速位置而變化,但旋轉(zhuǎn)的速度隨不同水深有很大的差異,其旋轉(zhuǎn)速度最大發(fā)生在縱向流速最大時的水深處。在彎道水流充分發(fā)展的情況下,縱向渦量分量Ωθ仍由徑向流速的垂向梯度和垂向流速的徑向梯度兩部分組成。研究成果表明,在縱向流速最大值以上的區(qū)域內(nèi),其渦量分量為正值;在縱向流速最大值以下的區(qū)域內(nèi),水流縱向渦量分量為負值。表明不同水深的縱向渦流旋轉(zhuǎn)方向有很大的差異,上部旋轉(zhuǎn)方向為正,下部旋轉(zhuǎn)方向為負?？梢岳斫鉃榭v向渦量分量的符號與主旋渦和凹岸旋渦在近壁的回轉(zhuǎn)方向有關(guān)(參見圖5)。在水面附近,凹岸旋渦回轉(zhuǎn)方向向上為正,而主旋渦回轉(zhuǎn)方向向下為負。河道泥沙的沖淤,對應(yīng)于渦量的縱向分量。根據(jù)縱向渦量分量的凹岸分布可知,彎道凹岸沖刷最強烈的部位處于沿主旋渦與凹岸旋渦相分離點的切線與凹岸交匯處(稱為滯點)及其附近,在此處彎道橫向蠕動速度最大。對此也可以理解為在近壁處凹岸旋渦回轉(zhuǎn)方向向上,其動力作用將引起滯點以上部位淘刷(上淘刷);而該處主旋渦回轉(zhuǎn)方向向下,其動力作用將引起滯點以下部位的淘刷作用(下淘刷)。實際上,水流沿彎道邊界的縱向運動,直接沖擊彎道凹岸,對凹岸沖刷起到非常重要的作用。水流沿彎道的曲線運動也會產(chǎn)生強烈的垂向渦流,其旋轉(zhuǎn)速度最大處基本上是縱向流速最大的位置,位于滯點附近,垂向渦流與縱向渦流的共同作用,造成滯點及其附近的嚴(yán)重沖刷,沖刷后的岸坡形狀則成拋物線。岸壁的沖刷實際上是通過水流對岸壁的作用力來完成的。Chiu和Hsiung的切應(yīng)力測試結(jié)果表明,凹岸沖刷的強弱與切應(yīng)力的關(guān)系是,縱向切應(yīng)力分布最大值所在處沖刷最強烈。2.4凹岸關(guān)注機理針對彎道凹岸水沙運動特點,從水沙運動理論、動力理論和渦流原理對彎道凹岸淘刷機理進行了系統(tǒng)分析,對凹岸淘刷機制有了更為清晰的了解,凹岸淘刷機理可用框圖6表達。3沖刷前變量的下標(biāo)型在非汛期或者枯水期,河流水位較低,灘岸中上部沒有遭受水流的長期浸泡,通過岸灘穩(wěn)定性分析可知,陡岸單位長度崩體的穩(wěn)定系數(shù)Κ=γAcosαtanθ+clγAsinα(5)K=γAcosαtanθ+clγAsinα(5)式中:A、γ分別為崩體的斷面積和容重;l、α為崩滑體破壞面的長度和坡角;θ、c分別為岸灘土壤的摩擦角和內(nèi)聚力。沖刷前后河岸穩(wěn)定系數(shù)的比較關(guān)系可用下式來表達: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,下標(biāo)‘0’代表沖刷前的變量。設(shè)沖刷前岸腳點的坐標(biāo)為(x0,y0),沖刷增量值為(Δx,Δy),單一邊坡形態(tài)和折線邊坡形態(tài)的沖刷過程如圖7所示。為方便起見,僅考慮河道側(cè)向平行淘刷,而不考慮河床沖刷下切。那么,x2=x3=x0+Δx,y2=y0-ΔxtanΘ2,y3=y0,考慮到Δx與河深H相比屬于小值,其二階量可忽略,因此,上述單一邊坡形態(tài)和折線邊坡形態(tài)河岸穩(wěn)定系數(shù)的對比關(guān)系經(jīng)過近似化簡,分別變?yōu)棣?-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]從式(7)和式(8)可知,無論是簡單邊坡,還是折線邊坡的河岸,當(dāng)河岸發(fā)生側(cè)向沖刷時(相當(dāng)于Δx>0),式(7)和式(8)的右邊分子一般都大于零,即K0>K,表明河道側(cè)向沖刷,導(dǎo)致河岸穩(wěn)定性降低,當(dāng)Δx增加時,崩滑面的傾角增大,此時(K0-K)的差值增加,河岸