基于滩岸变形的游荡型河段崩岸计算模型研究-论文.pdf

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1、第45卷第16期人民长江Vo1．45．No．162014年8月YangtzeRiverAug．，2014文章编号：1001—4179(2014)16—0094—04基于滩岸变形的游荡型河段崩岸计算模型研究冀建疆，邹朝望2，闵志华(1，水利部水利水电规划设计总院，北京100120；2．湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉430064；3．重庆水利电力职业技术学院，重庆永川402160)摘要：针对游荡型河道的演变特征，将主流摆动和河岸崩塌的计算模式与平面二维水动力学模型相结合。建立了游荡型河段滩岸崩塌的计算模型。介绍了滩岸横向

2、冲刷距离计算和河岸稳定性分析的方法。描述了游荡型河道水沙数学模型计算中的边界处理方法、河岸横向冲刷与崩塌过程计算和河岸形态修正的主要步骤。该模型有效解决了崩岸尺度与河宽尺度不匹配的问题，能够模拟河岸后退或淤长过程。关键词：水沙数学模型；滩岸变形；河岸冲刷；游荡型河道中图法分类号：TV14文献标志码：A态及物质组成等条件有关。1研究背景游荡型河道的两个主要特征是主流摆动和滩岸变形⋯，而现有水流与泥沙数学模型大多是在A．M．0s．man和Thorne方法基础上建立的，只能模拟河床的纵l向变形I3J。夏军强等将A．M．Osman方

3、法引入水动——主一力学模型，建立了崩岸模型，并应用于黄河下游、滹沱——r～I卜-河下游等。然而，该模型在河岸发生初次崩塌以AB后，假定以后的河岸崩塌方式为平行后退，与实际情况(a)河岸初始状态(b)水流侧向侵蚀以及不符。王新宏提出的河岸崩塌模拟方法，通过分析崩图1河岸侧向水力侵蚀示意岸机理，较好地解决了崩岸后边坡角度变化的问题。本文结合上述两种方法的优点，提出了游荡型河段滩单位时间内，河岸被水流侧向淘刷后退的距离为：岸崩塌的计算模式。为了使问题得以简化，在建模分析中采用文献[6]的假定条件。△B：：。y6y62滩岸横向变形计

4、算模式在△t时间内，黏性土河岸直接被水流横向冲刷后退的距离为2．1横向冲刷距离计算AB：二二二!二：(2)图1(a)是一河道边滩或右岸的初始形态。在水流侧向侵蚀的作用下，岸坡变陡，主槽底宽增加，最终式中，为河岸土体的容重，kN／m；G为河岸的水河岸的稳定性降低。如果水流侧向侵蚀量AB用主力侵蚀强度，G=C(f—f)e31"c；AB为△时间内槽底宽增量表示，则△曰与水流特性、河岸的几何形水流横向冲刷的河岸后退距离，m；C为横向冲刷系收稿日期：2014—07—10基金项目：水利部科技推广项目(TG1316)；湖北省水利重点科研课

5、题(HBSLKY201403)。作者简介：冀建疆，男，副处长，高级工程师，主要从事水利规划设计、安全评价、安全鉴定、大型水利水电项目咨询审查等工作。E—mail：183205322@qq．tom第l6期冀建疆，等：基于滩岸变形的游荡型河段崩岸计算模型研究95数，由河岸土体特性决定，A．M．Osman由室内实验得若FS>1，岸坡稳定；若FS≤1，岸坡不稳定。利到C=3．64X10“；r为水流对河岸的切应力，用河岸形态的几何关系，河岸崩塌土体的宽度曰及单N／m，=hJ；y为水的容重，kN／m；h为断面平位河长的崩塌体积分别为：均

6、水深，m；J为比降；f为河岸土体的起动切应力，一N／m：f：6．68×10：d+鱼；d为颗粒粒，a5×(一)径，m。根据土力学的试算法理论，由安全系数公式可以2．2河岸稳定性分析推导出河岸失稳时的滑动面倾角：图2为某河道右岸由于水流的冲刷作用，床面遭=0．5×{tan一。[(日／Hz)(1一k)tana]+}(8)受侵蚀后的几何形态图。图2中，为初始河岸高式中，k为河岸上部拉伸裂缝的深度Y与河岸高度日度；日。为河床以上岸高；H为转折点B点以上岸高之比△B为△t时间内侧向冲刷距离；／xZ为△t时间内河床冲刷深度；a为岸坡初始角

7、度；为破裂面倾角；y为3计算方法及步骤坡顶拉伸裂缝深度；，C，分别为河岸土体的容重、有效凝聚力和有效内摩擦角。3．1定解条件B_对计算域上、下游水位和横断面间距进行线性插．值，可得到初始水位场，其中横断面可不考虑横向比降。如计算域较长，可采用传统水力学中推求水面线的方法，先推求某几个断面水位，再分段线性插值。对初始流速场，方向的流速=0，方向的流速U由曼宁公式解出，之后进行断面总流量校正；岸边界水位及出口流速均按法向为零给出，岸边界流速按零上AZ值处理。▲_叫AB3．2由边界条件计算二维流场二维水沙模型基本方程如下：图2河岸

8、稳定性分析示薏(初始失稳)a1a(A∈l+cuW)1a(Bl+c￡V)at0}Ca考∈Ca按边坡稳定性计算方法，河岸稳定安全系数s为()+()+S(9)ceca∈c￡a专cc￡acd11FR，：一滑动力：～F(3)式中，c为源项，r为扩散系数。阻力初值按照公式(9)求得：式中，和分别为滑动