凹岸崩塌體對(duì)急彎河道水力特性的影響

周卓亮,余明輝,李大成,吳 迪,田浩永

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072；2. 中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081；3. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

沖積河流在演變過(guò)程中常伴隨崩岸現(xiàn)象,崩岸不僅會(huì)改變河道斷面形態(tài),影響近岸水流結(jié)構(gòu),還會(huì)對(duì)防洪、航運(yùn)、供水、水生態(tài)等的安全構(gòu)成威脅。以長(zhǎng)江下荊江河段為例,其河岸土體為上部黏土、下部沙土的典型二元結(jié)構(gòu),抗沖性能差,易發(fā)生崩岸[1- 3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2003—2018年長(zhǎng)江中下游干流河道累計(jì)崩岸長(zhǎng)度約704 km[4],崩岸的頻發(fā)嚴(yán)重制約了兩岸的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

二元結(jié)構(gòu)河岸的崩塌過(guò)程一般可分為3個(gè)階段[5]:① 下部沙土層的淘刷。當(dāng)近岸流速超過(guò)下部沙土層的起動(dòng)流速后,沙土層逐漸被水流淘空,上部黏土層部分呈懸空狀態(tài)。② 上部黏土層的繞軸崩塌。黏土層在重力作用下崩塌,掉落并堆積在近岸坡腳。③ 崩塌后的土體被近岸水流沖散并帶走。20世紀(jì)70年代中期以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)崩岸機(jī)理及發(fā)生過(guò)程的研究已取得了一定的進(jìn)展,研究?jī)?nèi)容多集中于崩岸過(guò)程的前2個(gè)階段,但崩岸是一個(gè)連續(xù)且不斷發(fā)生的過(guò)程,因此對(duì)于河岸崩塌發(fā)生后的第3階段,崩塌體對(duì)河勢(shì)調(diào)整的研究也不容忽視。Motta等[6]使用RVR彎道水流模型概化了河岸崩塌對(duì)彎道水流的影響,認(rèn)為崩塌體的存在使河道水流高流速區(qū)遠(yuǎn)離河岸；余明輝等[7]通過(guò)180°彎道水槽試驗(yàn)認(rèn)為崩塌體的存在對(duì)其附近岸坡崩塌及河床淤積有一定的抑制作用；Hackney等[8]對(duì)河岸崩塌處進(jìn)行實(shí)地觀測(cè),發(fā)現(xiàn)崩塌體在存在的不同時(shí)期對(duì)河岸侵蝕的影響不同；Deng等[9]提出了一種河床演變及河岸侵蝕的耦合模型,但其一維地形不足以描述彎道近岸復(fù)雜的水流條件。以上分析表明,雖然目前對(duì)崩岸發(fā)生第3階段中崩塌體堆積于近岸坡腳導(dǎo)致彎道水力特性的改變有了一定的認(rèn)識(shí),但在以往的研究中,多是從整體上判斷崩塌體對(duì)河岸侵蝕速率的影響,缺乏對(duì)彎道沿程不同區(qū)域壁面剪切力的變化研究,也鮮有人關(guān)注崩塌體尺寸對(duì)彎道水力特性的影響。

彎道水流具有強(qiáng)三維特性,許多學(xué)者建立三維水流數(shù)學(xué)模型研究彎道水流結(jié)構(gòu)。假冬冬等[10]建立窩崩三維數(shù)值模型模擬窩塘水流結(jié)構(gòu)及其沖刷過(guò)程；Kimiaghalam等[11]運(yùn)用水動(dòng)力數(shù)值模型,根據(jù)河流水位確定河岸上施加的剪應(yīng)力;Stoesser等[12]分別運(yùn)用2種CFD模型(RANS模型和LES模型)計(jì)算了彎道河流中的湍流流動(dòng),結(jié)果顯示在時(shí)均流速的計(jì)算上RANS模型比LES模型更加吻合。

本文以荊江石首彎道河段為例,建立三維水流數(shù)學(xué)模型(RANS模型),對(duì)比彎道凹岸崩塌發(fā)生前后及崩塌體的尺寸對(duì)急彎河段水力特性參數(shù)(如水流動(dòng)力軸線、縱向流速、環(huán)流結(jié)構(gòu)和壁面剪切力等)的影響,分析崩塌體存在時(shí)彎道不同區(qū)域岸坡侵蝕速率的變化趨勢(shì)。深化對(duì)二元結(jié)構(gòu)河岸侵蝕第3階段的認(rèn)識(shí),可為河道整治及岸線利用規(guī)劃提供基礎(chǔ)理論及技術(shù)支撐。

1 研究方法

以荊江河段石首彎道概化模型[13]為例建立彎道水流三維數(shù)學(xué)模型。模型彎道段彎曲角度為120°,曲折系數(shù)為1.4,在彎頂處河道呈2倍放寬,后逐漸收縮至放寬前寬度。

選用流體體積法(Volume of Fluid)自由液面捕捉技術(shù)與雷諾應(yīng)力模型(RSM)。雷諾應(yīng)力模型考慮了紊流黏度的各向異性效應(yīng),對(duì)連續(xù)彎道水流運(yùn)動(dòng)特性的模擬精度高于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型及可實(shí)現(xiàn)k-ε模型[14]。計(jì)算基于明渠模式進(jìn)行,使用有限體積法離散控制方程；壓力速度耦合使用PISO算法；壁面附近流場(chǎng)使用壁面函數(shù)法進(jìn)行求解,所有固體壁面均選擇無(wú)滑移邊界條件；模型水槽入口邊界選擇質(zhì)量入口條件,出口邊界選擇壓力出口條件,模型水槽的上表面邊界選擇壓力入口條件。

1.1 控制方程

RSM模型連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程如下：

(1)

(2)

1.2 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

模型采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分如圖1所示。第一層網(wǎng)格到壁面的量綱一距離為y+=Re(u*/U)(Δy/H),其中,Re為雷諾數(shù),u*為近壁面摩阻流速,U為斷面平均流速,Δy為網(wǎng)格間距,H為斷面水深。壁面處第一層網(wǎng)格需布置在黏性底層和過(guò)渡段之外,因此保證3099%,表明計(jì)算結(jié)果具有足夠的精度。

圖1 模型計(jì)算網(wǎng)格Fig.1 Computational mesh

1.3 模擬工況

三峽水庫(kù)蓄水后,石首河年均崩岸長(zhǎng)度約為2 500 m[5],且崩塌主要發(fā)生在彎道凹岸彎頂以下至頂沖點(diǎn)附近處。因此,模擬工況考慮無(wú)崩塌體和4種尺寸崩塌體。崩塌體長(zhǎng)約3 m,參考謝亞光等[13]試驗(yàn)中的崩塌體橫斷面形態(tài),分別設(shè)置崩塌體橫斷面形態(tài)(寬×高)為工況1(10 cm×10 cm)、工況2(15 cm×10 cm)、工況3(20 cm×10 cm)和工況4(15 cm×5 cm)。崩塌體布置于斷面CS9—CS14之間緊鄰岸坡坡腳處。模型進(jìn)口流量Q=50 L/s,出口控制斷面水深為0.25 m,保證數(shù)學(xué)模型與實(shí)際河道水流弗勞德數(shù)相近。崩塌體位置及斷面布置如圖2所示。

圖2 崩塌體位置及斷面布置Fig.2 Location of the slump blocks and cross sections

1.4 模型驗(yàn)證

選取謝亞光等[13]試驗(yàn)中的工況1(進(jìn)口流量為50 L/s,出口水深為0.25 m)進(jìn)行模型驗(yàn)證,圖3為彎道水槽中沿程斷面CS9、CS13量綱一縱向流速的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比(n為測(cè)線編號(hào)；U*S=US/U,Z*=Z/H,其中,US為測(cè)點(diǎn)流速,Z為測(cè)點(diǎn)水深),由圖3可知大部分區(qū)域計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好,少部分區(qū)域由于靠近邊壁,水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值稍有差別,但沿垂線變化趨勢(shì)一致。

圖3 量綱一縱向流速計(jì)算值及實(shí)測(cè)值對(duì)比 Fig.3 Comparison between modelled and experimental data of normalised longitudinal velocity distribution

2 崩塌體對(duì)近岸水流結(jié)構(gòu)的影響研究

2.1 水流動(dòng)力軸線

彎道水流動(dòng)力軸線的位置是影響彎道段河岸穩(wěn)定的重要因素。圖4顯示了相同流量條件下有無(wú)崩塌體時(shí)的水流動(dòng)力軸線。無(wú)崩塌體時(shí),水流動(dòng)力軸線于彎道進(jìn)口斷面CS5的斷面中部逐漸往凸岸偏移,至彎頂斷面CS9后再逐漸擺向凹岸,直至出口斷面CS13后完全貼近于凹岸。相較無(wú)崩塌體,崩塌體的存在有將水流動(dòng)力軸線推向凸岸的趨勢(shì),隨著崩塌體尺度的增大,推移的幅度越大。比較不同尺寸崩塌體存在時(shí)水流動(dòng)力軸線的位置發(fā)現(xiàn),崩塌體寬度的改變比崩塌體高度的改變對(duì)水流動(dòng)力軸線的影響更大,不同崩塌體寬度條件下的水流動(dòng)力軸線最大偏移距離為平均河寬的0.014倍,占寬度變幅的40%;而不同崩塌體高度條件下的水流動(dòng)力軸線最大偏移距離僅為平均河寬的0.004倍,占高度變幅的12%。

圖4 不同實(shí)驗(yàn)工況下的水流動(dòng)力軸線Fig.4 Flow dynamic axis under different experimental conditions

2.2 縱向流速及環(huán)流發(fā)展過(guò)程

縱向流速分布和彎道環(huán)流結(jié)構(gòu)是彎道水流運(yùn)動(dòng)的2個(gè)重要物理參數(shù)。圖5顯示了斷面CS6—CS14段縱向流速及環(huán)流發(fā)展過(guò)程三維示意圖。水流動(dòng)力軸線變化趨勢(shì)相似,相較于無(wú)崩塌體,崩塌體存在時(shí),斷面CS9—CS12最大縱向流速區(qū)域遠(yuǎn)離凹岸,使得近凹岸區(qū)域縱向流速減小,近凸岸區(qū)域縱向流速增大。斷面CS12—CS14,崩塌體的存在使斷面面積減小,斷面平均縱向流速增大,在水流動(dòng)力軸線擺向凹岸的共同作用下,近凹岸區(qū)域縱向流速增大。值得一提的是,在斷面CS9—CS12靠近凸岸邊灘區(qū)域,縱向流速出現(xiàn)了負(fù)值。根據(jù)Blanckaert[16]對(duì)彎道流動(dòng)分離階段的分類(lèi),這表明該區(qū)域處于流動(dòng)分離的第2階段,縱向流速沿橫向的分布出現(xiàn)零點(diǎn),在水流分離區(qū)形成豎軸環(huán)流。

圖5 縱向流速等值線及環(huán)流發(fā)展過(guò)程Fig.5 Streamwise velocity contours and circulation development

環(huán)流在彎道進(jìn)口稍下游處(斷面CS7)開(kāi)始形成,順?biāo)鞣较蛟谥髁鲄^(qū)形成一個(gè)逆時(shí)針環(huán)流,稱(chēng)主環(huán)流;同時(shí)在凹岸靠近水面區(qū)域形成了一個(gè)較小的順時(shí)針環(huán)流,稱(chēng)次環(huán)流。主環(huán)流沿程發(fā)展,在彎頂處(斷面CS9)達(dá)到最大,幾乎占據(jù)整個(gè)斷面;斷面CS12后,彎道逐漸束窄,主環(huán)流尺寸隨彎道束窄而逐漸減小。次環(huán)流在斷面CS8后形成,其環(huán)流強(qiáng)度和尺寸相對(duì)主環(huán)流都很小,環(huán)流方向與主環(huán)流方向相反。根據(jù)Blanckaert等[17]的研究,這種形成于凹岸的小尺寸環(huán)流,不僅受離心力作用的影響,也受湍流動(dòng)能的影響。這種環(huán)流的形成,有利于近岸水流湍流動(dòng)能的耗散,能有效地降低岸坡侵蝕速率。相較于無(wú)崩塌體,崩塌體對(duì)彎道主環(huán)流的影響較小,僅在斷面CS12后,有抑制主環(huán)流形成2個(gè)環(huán)流中心的趨勢(shì);但崩塌體的存在使次環(huán)流的形態(tài)發(fā)生了顯著改變。

以斷面CS13為例,對(duì)量綱一縱向流速及斷面橫向流速矢量展開(kāi)討論分析。圖6顯示了不同尺寸崩塌體對(duì)斷面CS13的橫向流速矢量及量綱一縱向流速的影響,從圖6(a)中可以看出,無(wú)崩塌體時(shí),主環(huán)流存在明顯的2個(gè)相互重疊的環(huán)流中心區(qū)域,次環(huán)流位于凹岸區(qū)域,存在一上一下、一大一小2個(gè)方向相反的次環(huán)流,位于上方的次環(huán)流相較于下方的次環(huán)流,環(huán)流尺寸和環(huán)流強(qiáng)度都更小,其對(duì)量綱一縱向流速分布幾乎不產(chǎn)生影響。從圖6(b)—圖6(d)中可以看出,崩塌體的存在對(duì)主環(huán)流的影響不大,但改變了次環(huán)流的方向;相較于無(wú)崩塌體,崩塌體存在時(shí)次環(huán)流位于崩塌體上方,環(huán)流方向與原次環(huán)流相反,環(huán)流尺寸更小。結(jié)合量綱一縱向流速等值線來(lái)看,無(wú)崩塌體時(shí),量綱一縱向流速在次環(huán)流的作用下,最大流速區(qū)域遠(yuǎn)離了凹岸；崩塌體存在時(shí),凸岸坡腳量綱一縱向流速增大,量綱一縱向流速超過(guò)1.2的水流區(qū)域遠(yuǎn)離凹岸,凹岸附近量綱一縱向流速減小。隨著崩塌體尺寸的增加,這種將量綱一縱向大流速區(qū)域推離凹岸的現(xiàn)象就越明顯,崩塌體高度的增加明顯抑制了次環(huán)流的發(fā)展,而崩塌體寬度的增加則有利于崩塌體上方次環(huán)流的發(fā)展。

圖6 斷面CS13橫向流速矢量及量綱一縱向流速等值線Fig.6 Cross sectional velocity vectors and streamwise velocity contours in CS13

為分析凹岸次環(huán)流強(qiáng)度,引入彎道環(huán)流(I)來(lái)表示環(huán)流的相對(duì)強(qiáng)度,I等于橫向流速與縱向流速之比,具體計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)[18]。經(jīng)計(jì)算可知,斷面CS13處,崩塌體堆積于凹岸坡腳,主環(huán)流強(qiáng)度變化不大,次環(huán)流強(qiáng)度比無(wú)崩塌體時(shí)降低15%左右;同時(shí)崩塌體尺寸的改變,對(duì)次環(huán)流強(qiáng)度的影響不大。

因此可以認(rèn)為,崩塌體的存在對(duì)主環(huán)流的影響不大,但改變了次環(huán)流的方向;相較于無(wú)崩塌體,崩塌體存在時(shí)次環(huán)流的尺寸和強(qiáng)度更小,但仍能對(duì)凹岸岸坡起到一定的保護(hù)作用。

2.3 壁面剪切力

根據(jù)河岸和河床的形態(tài),將斷面分為4個(gè)區(qū)域：區(qū)域1為凹岸坡面未被崩塌體覆蓋的區(qū)域,區(qū)域2為崩塌體堆積于凹岸坡腳的區(qū)域,區(qū)域3為無(wú)崩塌體覆蓋的床面區(qū)域,區(qū)域4為凸岸坡面區(qū)域。

壁面剪切力是研究泥沙起動(dòng)、輸移等問(wèn)題的重要參數(shù)[19]。圖7顯示了無(wú)崩塌體和4種不同尺寸崩塌體存在時(shí)壁面剪切力的橫向分布變化情況。從圖7可以看出,在彎道中部(斷面CS8)最大壁面剪切力位于凸岸坡面處,出彎后(斷面CS12—CS14)最大壁面剪切力逐漸往凹岸偏移,這與主流線的變化規(guī)律相似。受主環(huán)流的影響,壁面剪切力的橫向分布存在2個(gè)峰值,其中斷面最大壁面剪切力的位置與水流動(dòng)力軸線所在位置一致,第2峰值一般出現(xiàn)在凸岸坡面上(區(qū)域4)。相較于無(wú)崩塌體,崩塌體存在時(shí),斷面CS8—CS14區(qū)域3和區(qū)域4內(nèi)的壁面剪切力均大于無(wú)崩塌體時(shí)的壁面剪切力,這是由于崩塌體的存在使得最大縱向流速偏向凸岸。比較不同尺寸崩塌體對(duì)壁面剪切力的影響,無(wú)論崩塌體的寬度還是高度增加,區(qū)域3和區(qū)域4的壁面剪切力都隨之增大。平均壁面剪切力最大增加至無(wú)崩塌體時(shí)的1.31倍。

圖7 無(wú)崩塌體及不同工況下壁面剪切力變化情況Fig.7 Variation of bed shear stress in different cases

凹岸坡面處(區(qū)域1)的壁面剪切力直接影響彎道凹岸的侵蝕速率。圖8顯示了無(wú)崩塌體和4種不同尺寸崩塌體存在時(shí)區(qū)域1內(nèi)壁面剪切力的分布及變化情況。從圖8可以看出,崩塌體堆積于凹岸坡腳后,斷面CS8處,崩塌體的存在會(huì)降低區(qū)域1的壁面剪切力；斷面CS12處,崩塌體對(duì)區(qū)域1的壁面剪切力影響不大；斷面CS13處,崩塌體的存在會(huì)增大區(qū)域1的壁面剪切力,僅在崩塌體臨坡面處較無(wú)崩塌體時(shí)有所減小,這與余明輝等[7]在180°彎道水槽中觀測(cè)到的崩塌體臨坡面上下游端附近坡面剪切力較無(wú)崩塌體時(shí)減小的現(xiàn)象一致。這說(shuō)明,崩塌體的存在降低了斷面CS8—CS12區(qū)域1內(nèi)的壁面剪切力,增加了斷面CS12—CS14區(qū)域1內(nèi)的壁面剪切力。隨著崩塌體的尺寸的增大,凹岸坡面處的壁面剪切力的變化幅度也越大。

圖8 無(wú)崩塌體及不同工況下區(qū)域1壁面剪切力變化情況Fig.8 Variation of bed shear stress in region 1

圖9顯示了彎道凹岸(區(qū)域1)沿程平均壁面剪切力的變化情況。無(wú)論崩塌體是否存在,凹岸坡面平均壁面剪切力在彎頂后沿程的變化趨勢(shì)都是逐漸增大,直至頂沖點(diǎn)附近達(dá)到最大。崩塌體存在時(shí),平均壁面剪切力最大處上移至崩塌體尾部(斷面CS14)。相較于無(wú)崩塌體,崩塌體的存在對(duì)凹岸坡面沿程平均壁面剪切力的影響分為3個(gè)部分：① 斷面CS8—CS12內(nèi)凹岸坡面平均壁面剪切力減小,最小減小至無(wú)崩塌體時(shí)的0.75倍,其中斷面CS9為崩塌體的迎水面,水流結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,因此平均壁面剪切力的變化趨勢(shì)略有不同;② 斷面CS12—CS14內(nèi)凹岸坡面平均壁面剪切力迅速增大,并在斷面CS14處達(dá)到最大,最大增加至無(wú)崩塌體時(shí)的1.39倍;③ 斷面CS14—CS15內(nèi)凹岸坡面平均壁面剪切力迅速減小后逐漸增大至與無(wú)崩塌體時(shí)相同。這種變化趨勢(shì)是因?yàn)橐环矫姹浪w的存在使水流動(dòng)力軸線遠(yuǎn)離凹岸,并且減小了凹岸處水流的環(huán)流強(qiáng)度,從而使斷面CS8—CS12內(nèi)凹岸坡面平均壁面剪切力減小；另一方面,水流動(dòng)力軸線經(jīng)過(guò)斷面CS12后,逐漸向凹岸偏轉(zhuǎn),崩塌體的存在減小了凹岸坡面區(qū)域的過(guò)水面積,使得該區(qū)域的縱向流速增大,從而使斷面CS12—CS14內(nèi)凹岸坡面平均壁面剪切力增大。因此可以認(rèn)為,在斷面CS9—CS14區(qū)域內(nèi),崩塌體堆積于凹岸坡腳,對(duì)凹岸坡面平均壁面剪切力的影響為沿程先減小后增大;而在斷面CS14之后,由于崩塌體的消失,崩塌體下游凹岸小部分區(qū)域內(nèi)(斷面CS14—CS15)流速較緩,凹岸坡面平均壁面剪切力迅速減小。在本試驗(yàn)的條件內(nèi),不同尺寸崩塌體對(duì)凹岸坡面沿程平均壁面剪切力的影響規(guī)律一致,均為先減小后增大。但崩塌體的尺寸越大對(duì)斷面平均壁面剪切力的影響也越大,其中,斷面CS14處不同崩塌體的尺寸對(duì)平均壁面剪切力的影響最大,剪切力相對(duì)變化幅度達(dá)到崩塌體截面積變化幅度的10%;而在斷面CS12處不同崩塌體的尺寸對(duì)平均壁面剪切力的影響最小,剪切力相對(duì)變化幅度僅為崩塌體截面積變化幅度的2%。因此,凹岸沿程平均壁面剪切力相對(duì)變化幅度為崩塌體截面積變化幅度的2%～10%。

圖9 彎道凹岸沿程平均壁面剪切力變化情況Fig.9 Variation of average bed shear stress in different regions

3 討 論

以往對(duì)于崩岸第三階段的研究中認(rèn)為,崩岸發(fā)生后,崩塌體堆積于凹岸坡腳,減小水流對(duì)河岸的基礎(chǔ)侵蝕。Kean等[20]認(rèn)為崩塌體將縱向大流速區(qū)域推離了凹岸,從而減小河岸上的壁面剪切力；謝亞光等[13]通過(guò)分析彎道不同部位的崩塌體對(duì)彎道水流結(jié)構(gòu)的影響,提出了不同的觀點(diǎn),認(rèn)為頂沖點(diǎn)上游的崩塌體會(huì)減小水流對(duì)河岸基礎(chǔ)的侵蝕能力,頂沖點(diǎn)下游的崩塌體會(huì)增大水流對(duì)河岸基礎(chǔ)的侵蝕能力。但僅討論了崩塌體對(duì)彎道凹岸整體侵蝕速率的影響,無(wú)法反映崩塌體對(duì)彎道凹岸沿程不同位置侵蝕速率的影響。

從本文的結(jié)果來(lái)看,崩岸發(fā)生后,崩塌體堆積于凹岸坡腳,不僅對(duì)彎道同一斷面不同區(qū)域內(nèi)侵蝕速率的影響不同,對(duì)彎道凹岸沿程不同位置侵蝕速率的影響也不同。事實(shí)上,崩塌體對(duì)急彎河道侵蝕速率的影響可分為2個(gè)區(qū)域：一是河床及凸岸坡面區(qū)域(區(qū)域3和區(qū)域4),崩塌體的存在增大了該區(qū)域內(nèi)的平均壁面剪切力,從而增大了水流對(duì)河岸的侵蝕速率；二是凹岸坡面區(qū)域(區(qū)域1),崩塌體的存在使該區(qū)域平均壁面剪切力在崩塌體頭部及其上游部分(斷面CS8—CS12)減小,在崩塌體尾部(斷面CS12—CS14)增大。另外,由于崩塌體的存在,凹岸坡面區(qū)域平均壁面剪切力最大的位置也由頂沖點(diǎn)附近移至崩塌體末尾處。因此,崩塌體的存在,降低了水流對(duì)其頭部及上游區(qū)域河岸的侵蝕速率,同時(shí)加劇了水流對(duì)其尾部區(qū)域河岸的侵蝕速率。針對(duì)二元結(jié)構(gòu)河岸崩岸第3階段中崩塌體對(duì)河岸二次侵蝕的影響,本文認(rèn)為,崩塌體堆積于近岸坡腳僅能對(duì)其頭部及上游區(qū)域的近岸起保護(hù)作用,而對(duì)其尾部區(qū)域、河床及凸岸區(qū)域,崩塌體的存在均會(huì)加劇河岸的沖刷侵蝕。

本文基于彎道三維數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果初步分析了不同崩塌體尺寸對(duì)彎道水力特性的影響,其影響規(guī)律適用于石首彎道,是否適用于其他形態(tài)的天然彎道還有待研究驗(yàn)證。另外,由于彎道水流的復(fù)雜性,不同的來(lái)流條件(流量、水位)及相對(duì)河岸高度等因素都會(huì)影響彎道水力特性。因此,需要進(jìn)一步的研究來(lái)說(shuō)明不同影響因素間的相互作用關(guān)系及其量化方法。

4 結(jié) 論

針對(duì)二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌后崩塌體堆積在凹岸坡腳,以荊江石首河段120°彎道概化模型為例,分析了不同尺寸崩塌體對(duì)水流動(dòng)力軸線、縱向流速、環(huán)流結(jié)構(gòu)及壁面剪切力的影響。

(1) 崩塌體的存在使水流動(dòng)力軸線及縱向流速最大區(qū)域遠(yuǎn)離凹岸。

(2) 崩塌體的存在改變了彎道凹岸處次環(huán)流的方向,環(huán)流強(qiáng)度比無(wú)崩塌體時(shí)最大降低15%,不同尺寸崩塌體對(duì)環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響相似。

(3) 崩塌體的存在增大了彎道床面及凸岸坡面區(qū)域內(nèi)的平均壁面剪切力,最大增加至無(wú)崩塌體時(shí)的1.31倍。崩塌體對(duì)彎道凹岸坡面沿程平均壁面剪切力的影響不同,在崩塌體頭部及其上游,凹岸坡面的平均壁面剪切力減小,最小減小至無(wú)崩塌體時(shí)的0.75倍；在崩塌體尾部,凹岸坡面的平均壁面剪切力增大,最大增加至無(wú)崩塌體時(shí)的1.39倍。崩塌體尺寸的增大,會(huì)加劇壁面剪切力的變化幅度,剪切力相對(duì)變化幅度為崩塌體截面積變化幅度的2%～10%。