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《长江荆江段崩岸机理及其数值模拟》可供从事河流泥沙运动力学、河床演变与河道整治等专业科技人员及高等院校相关专业师生阅读和参考。
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| 內容簡介： |
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《长江荆江段崩岸机理及其数值模拟》以荆江河段为研究对象，采用实测资料分析、力学理论分析与概化模型试验相结合的方法，对荆江段二元结构河岸的崩退机理及其数值模拟方法进行了研究。《长江荆江段崩岸机理及其数值模拟》主要内容包括：研究背景及意义、近期荆江河段崩岸过程及其对河床形态调整的影响、荆江段二元结构河岸土体的物理力学特性、二元结构河岸崩退过程的概化水槽试验、荆江段河岸稳定性计算及影响因素分析、二元结构河岸崩退过程的概化数值模拟、具有二元结构河岸的弯道演变二维模型及其在荆江河段的应用。
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| 目錄：
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目录
序
前言
第1章绪论1
1.1酿背景及意义1
1.1.1研究背景1
1.1.2研究意义2
1.2酿现状及存在问3
1.2.1崩岸类型及机理3
1.2.2崩岸影响因素6
1.2.3崩岸模拟方法8
1.2.4存在问题9
1.3选题意义及研究内容9
1.3.1选题意义9
1.3.2研究内容10
第2章近期荆江河段崩岸过程及其对河床形态调整的影响12
2.1近期荆段水沙条件及河床冲过程12
2.1.1荆江河段概况12
2.1.2荆江段水沙条件13
2.1.3荆江段河床冲淤过程16
2.2近期荆江段崩岸过程及特点18
2.2.1上荆江崩岸过程及特点18
2.2.2下荆江崩岸过程及特点20
2.3荆江段典型断面崩岸过程的经验公式计算22
2.3.1影响崩岸过程的主要因素22
2.3.2典型断面崩岸过程的经验计算方法及结果分析25
2.4崩岸对近期荆江段河床形态调整的影响28
2.4.1河段尺度的平滩河槽形态计算方法及结果29
2.4.2崩岸对荆江段平滩河槽形态调整的影响32
2.5三峡工程运用对荆江段崩岸及河床调整过程的影响37
2.5.1工程运用对宜昌站水沙过程的影响38
2.5.2工程运用对荆江段典型断面崩岸过程的影响41
2.5.3工程运用对荆江段平滩河槽形态调整过程的影响44
2.6本章小结47
第3章荆江段二元结构河岸土体的物理力学特性49
3.1荆江段二元结构河岸土体组成特点分析49
3.1.1崩岸土体现场取样49
3.1.2河岸土体的垂向组成特点53
3.1.3河岸土体的主要物理性质及变化特点57
3.2不同河岸土体白的动及及刷特点58
3.2.1土体抗冲特性试验概况59
3.2.2不同河岸土体的起动特点及其影响因素63
3.2.3不同河岸土体的冲刷特点及其影响因素72
3.3黏性河岸土体的抗剪强度及变化特点79
3.3.1黏性土体凝聚力与含水率关系80
3.3.2黏性土体内摩擦角与含水率关系81
3.4黏性河岸土体的抗拉强度及变化特点82
3.4.1现场测试方法与过程82
3.4.2黏性土体抗拉强度的计算方法及结果85
3.4.3含水率和干密度对土体抗拉强度的影响87
3.5本章小结89
第4章二元结构河岸崩退过程的概化水槽试验90
4.1崩岸过程概化水槽试验90
4.1.1概化水槽模型介绍90
4.1.2试验方案及内容91
4.2二元结构河岸土体组成对崩岸过程的影响94
4.2.1不同土体组成河岸的崩退过程及特点94
4.2.2不同土体组成河岸的崩塌类型分析99
4.3近岸流速对崩岸过程的影响103
4.3.1近岸流速分布特点103
4.3.2流速对崩岸过程的影响105
4.4崩塌土体的堆积、分解及输移特点106
4.4.1崩塌土体的堆积形式106
4.4.2崩塌土体的分解及输移特点109
4.5本章小结110
第5章荆江段河岸稳定性计算及影响因素分析112
5.1荆江段二元结构河岸崩塌机理112
5.1.1上荆江河岸崩塌机理113
5.1.2下荆江河岸崩塌机理113
5.2上荆江河岸稳定性计算方法及其应用116
5.2.1上荆江河岸稳定性计算方法116
5.2.2上荆江典型断面河岸稳定性的计算结果及分析120
5.3下荆江河岸稳定性计算方法及其应用125
5.3.1下荆江河岸稳定性计算方法125
5.3.2下荆江典型断面河岸稳定性的计算结果及分析126
5.4河道内水位变化对上荆江河岸稳定性影响的定量分析131
5.4.1考虑潜水位变化的河岸稳定性计算模型132
5.4.2河道及地下水位共同作用时上荆江河岸稳定性变化135
5.4.3不同河道内水位升降速率对上荆江河岸稳定性的影响140
5.4.4三峡水库运用后上荆江河岸稳定性变化特点141
5.5本章小结141
第6章二元结构河岸崩退过程的概化数值模拟143
6.1崩岸过程的概化数学模型143
6.1.1河岸稳定性计算模块143
6.1.2坡脚冲刷计算模块145
6.1.3模型运行步骤145
6.2上荆江典型断面河岸崩退过程的概化模拟146
6.2.1上荆江崩岸计算条件147
6.2.2上荆江河岸崩退过程中的稳定性分析150
6.2.3河岸崩退过程的主要影响因素分析152
6.2.4上荆江典型断面岸坡形态变化过程155
6.3下荆江典型断面河岸崩退过程的概化模拟157
6.3.1下荆江崩岸计算条件157
6.3.2下荆江河岸崩退过程中的稳定性分析159
6.3.3下荆江典型断面岸坡形态变化过程162
6.3.4二次流及岸顶植被对下荆江河岸稳定性的影响163
6.4本章小结167
第7章具有二元结构河岸的弯道演变二维模型及其应用168
7.1弯道演变模型的研究现状168
7.1.1弯道演变模拟的经验法与解析法169
7.1.2弯道演变的数值模拟方法170
7.2黯二元结獅岸的纖变二纖型建立173
7.2.1平面二维水沙数学模型174
7.2.2上、下荆江河岸崩退过程的力学模型176
7.3上荆江沙市微弯河段崩岸过程数鋪拟180
7.3.1沙市微弯河段概况181
7.3.2沙市河段计算条件及参数率定182
7.3.3沙市段2004年汛期水沙输移及河床变形计算结果186
7.4下荆江石首急弯河段崩岸过程数鋪拟188
7.4.1石首急弯河段概况188
7.4.2石首河段计算条件及参数率定189
7.4.3石首段2006年汛期水沙输移及河床变形计算结果193
7.5本章小结195
参考文献197
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| 內容試閱：
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第1章绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
崩岸是冲积河流河床演变过程中的重要组成部分，崩岸发生不仅与近岸水动力条件和床面冲淤状态有关，还与河岸土体组成及其力学特性密切相关。严重的崩岸过程不仅会影响局部河段的河势控制及现有护岸工程的安全，而且对于河道两侧岸线的开发利用也会带来不利影响钱宁等，1987;余文畴和卢金友，2008;卢金友等，2012。在我国黄河下游游荡段和长江中下游等河段普遍存在崩岸现象，其中尤其以近期长江中游荆江河段崩岸较为突出。
三峡水库自2003年蓄水运用后，因入库沙量减少及水库的拦沙作用，进入荆江河道的沙量急剧减小，年均沙量仅为建库前的16枝城站，整个荆江河段表现为持续冲刷；尽管局部河段的崩岸过程较为显著，但近期河床调整主要以床面冲刷下切为主。荆江河段2002～2013年的累计河床冲刷量达7.0亿m3，年均冲刷量为0.634亿m3，远大于三峡水库蓄水前1975～2002年的年均冲刷量0.137亿m3；从冲刷沿程分布来看，枝江、沙市、公安、石首及监利河段冲刷量分别占整个荆江段冲刷量的21%、19%、15%、25%及19%长江水利委员会水文局，2014；上、下荆江平滩河槽平均冲深分别为1.6m和1.0m，其中公安段的文村夹、石首段的向家洲及监利段的新沙洲等局部河段的河床冲刷深度达5m以上。这些局部河段的河床持续冲深，导致河岸高度增加，岸坡变陡，极易引起崩岸的发生。
由于近期荆江段河床冲刷主要集中在枯水河槽，所以冲刷导致滩槽高差加大，容易引发崩岸险情。特别是1998年和1999年大水后，重点河湾演变剧烈，崩岸时有发生。荆江河岸土体组成多为二元结构，上部为黏性土，下部为沙土或卵石中国科学院地理研究所，1985;谢鉴衡等，1989;杨怀仁和唐日长，1999。其中上荆江上部黏土层较厚，下部沙土层较薄，故土体抗冲能力相对较强；下荆江上部黏土层较薄，下部沙土层较厚，且在大部分河岸均超过黏土层厚度，故土体抗冲能力较差。据统计，崩岸长度下荆江多于上荆江，且左岸多于右岸。下荆江崩岸长度在1956年达136.4km，为上荆江的3.2倍；下荆江裁弯后的1980年，崩岸长度减少到76.3km，为上荆江的2.9倍杨怀仁和唐日长，1999;余文畴和卢金友，2008。虽然经过了较长时间的护岸工程建设，荆江河段大范围的崩岸过程已被控制。但由于近期河床的持续冲刷，局部未守护河段的岸线仍有明显崩退现象。实测资料统计表明，三峡工程运用后，荆江河段年均崩岸长度及强度均有所增大，因此崩岸是荆江河段河床演变的一个重要方面。例如，水库蓄水前的2001年和2002年，荆江干流河道年均发生崩岸19处，年均崩岸长度10.0km；蓄水后的2003～2008年，年均发生崩岸险情28处，年均崩岸长度24.8km荆江水文水资源勘测局，2008。
1.1.2研究意义
河岸崩退过程不仅会影响局部河段的河势控制和现有护岸工程的稳定，威胁岸边建筑物的安全，而且对于河道两侧岸线的开发利用也会产生不利影响。因此开展崩岸机理及其数值模拟方法的研究，可以预测崩岸发生的时间及过程，具有非常重要的工程实践意义。同时为了解除崩岸险情，国家和沿岸省市对众多河流进行了崩岸治理，花费了大量的财力、人力及物力。所以对崩岸机理及其相关问题进行研究，有助于确定有效的崩岸防护和控制措施，节约崩岸治理的成本，具有重要的社会及经济意义。
尽管近年来人们在解释崩岸机理及过程方面，已取得了一定的进展，但直到20世纪70年代中期以前，崩岸问题仍然是一个研究相对较少的领域，仍有很多问题还需要深入研究Thorneetal.，1997;Simonetal.，2000;夏军强等，2005;Xiaetal.，2008。崩岸的发生不仅与近岸水动力作用有关，还与河岸土体的组成及力学特性等密切相关。所以崩岸既属于河床演变学中的河岸变形问题，又属于土力学中边坡失稳问题，为典型的学科交叉内容。崩岸机理十分复杂，且不同土体特性组成的河岸，其崩岸机理及影响因素也不同。这就需要深入研究不同河岸土体物理力学特性的变化规律，作为开展二元结构河岸崩退机理及其影响因素定量研究的基础。
作者采用现场查勘、实测资料分析、概化模型试验及力学理论分析相结合的方法，开展长江荆江段崩岸机理及其数值模拟的研究。以近期荆江段河床演变过程分析为基础，定量研究典型断面河岸的崩退过程及平滩河槽形态的调整规律；结合崩岸土体的室内土工试验及概化水槽试验结果，系统地揭示二元结构河岸土体的物理力学特性；建立不同二元结构河岸稳定性的计算方法，并计算上、下荆江典型断面在不同水位下河岸稳定性的变化特点；采用改进后的崩岸概化模型，开展上、下荆江典型断面河岸崩退过程的概化模拟；此外还构建具有二元结构河岸的弯道演变二维模型，用于模拟荆江典型弯曲段的床面冲淤及崩岸过程。研究成果在理论上定量揭示了荆江段二元结构河岸的崩退机理，在模拟方法上建立了基于力学过程的崩岸数学模型，这不仅有助于全面掌握荆江段河床的演变规律，而且能为荆江河道治理、崩岸监测及防洪减灾等提供科学依据，因此该项研究具有重要的学术价值和实践意义。
1.2研究现状及存在问题
鉴于影响崩岸的因素比较复杂，涉及专业比较多，国内外学者采用多种途径及方法对崩岸问题进行了研究，但对崩岸成因所持的观点和理论也不尽相同。下面主要从崩岸类型及机理、影响因素和模拟方法等方面对前人研究成果进行总结。
1.2.1崩岸类型及机理
1.崩岸类型崩岸是指在近岸水沙运动与河床边界条件的相互作用下，河岸土体受到各种因素影响而发生的部分或整体的崩塌变形。引起崩岸的主要原因通常是近岸水流直接冲刷河岸表面土体使岸坡变陡，或者近岸床面冲深使河岸高度增加，或者河岸土体长时间水中浸泡后强度减小，*终结果使岸坡的稳定性降低。当稳定性降低到一定程度后，河岸上部的一部分土块会在重力作用下发生滑动、崩塌，造成岸顶向后退却夏军强等，2005。
按照崩岸的平面形态特征可分为五种类型：窝崩、条崩、“口袋型”崩窝、由滑坡形成的崩窝及洗崩余文畴和卢金友，2008。张幸农等2008根据长江中下游的崩岸形态和特征，从不同角度对崩岸进行了分类。按崩岸形态及特征分为洗崩、条崩和窝崩三种类型，按崩塌模式分为浅层崩塌、平面崩塌、圆弧崩塌及复合式崩塌四种类型，按崩岸成因分为侵蚀型、坍塌型、滑移型及迁移流滑型四种类型等。ASCETaskCommittee1998a对圆弧滑动、平面滑动以及坍落等各种崩岸类型和机理进行了总结，认为坡度较缓的河岸一般会发生圆弧滑动破坏，较陡河岸会发生平面滑动破坏，二元结构河岸上部黏土形成悬空层后会发生坍落崩塌等。按崩塌机理及模式不同，荆江河道二元结构河岸的崩塌类型主要包括圆弧滑动、平面滑动和坍落三种钱宁等，1987;余文畴和卢金友，2008。
1）圆弧滑动
一般发生在下部沙土层较低、上部黏性土覆盖层较厚的河段图1.1a。当坡脚受水流淘刷，上部土体失去支撑而发生崩塌。首先在滩岸发生弧形裂隙，然后整块土体分层呈弧形下滑，层数多者可达十余层。从平面和剖面上看，崩滑面呈圆弧形，平面上挫崩直径为几十米至百余米不等，大多出现在弯曲河段凹岸一侧钱宁等，1987。
2）平面滑动
一般发生在上部黏性土层较厚、岸坡较陡的河岸图1.1b。由于上部黏性土层的厚度较大，表面裂隙深度一般小于黏性土层厚度。当河岸坡脚受到水流冲刷，或者下部沙土层被水流淘刷时，河岸会发生平面滑动的崩塌类型。上荆江局部河段的河岸由于上部黏土层很厚、岸坡较陡，也经常发生平面滑动的崩塌类型。
3）坍落
多发生在下部沙土层较高、上部黏性土层较薄且较松散的二元结构河岸图1.1c。其崩塌过程是当水流将下部沙层淘空后，上部黏土层失去支撑，一边下挫一边绕某一支点倒入江中，又称倒崩悬臂破坏；或沿裂缝面切开坠落江中，又称剪崩剪切破坏；或上部黏性土体在拉应力作用下沿着水平方向发生破坏，又称拉伸崩塌拉伸破坏。崩后的岸壁陡峻，外形多呈条形，下荆江河岸崩塌主要以条崩为主钱宁等，1987。
图1.1崩岸主要类型
2.崩岸机理
崩岸机理研究主要包括不同含水率下河岸土体特性的变化特点、近岸水动力作用下河岸坡脚的抗冲特点以及不同崩塌类型下河岸稳定性计算方法等内容。目前多采用理论分析和水槽试验相结合的方法开展崩岸机理研究，且多针对均质河岸。例如，张幸农等2009a对长江中下游河岸崩塌机理进行了概化水槽试验，分析了渗流作用、水流冲刷和岸坡坡度对河岸稳定性的影响。假冬冬等2011建立了流滑型崩岸的计算模式，并结合模型试验与土工试验结果，得到了河岸侧蚀系数。余明辉等2013研究了非黏性河岸崩塌与河床冲淤的交互作用，结果表明河岸崩退是水流淘刷坡脚、河岸崩塌及崩塌体在坡脚暂时堆积的过程。Osman和Thorne1988采用室内概化模型试验，提出了均质黏性河岸土体侧向冲刷速率的计算公式，并给出了相应的河岸稳定性分析方法。Hanson和Cook2004介绍了一种现场测试河岸土体冲刷特性的装置，从河岸土体冲刷角度对崩岸机理进行了研究。Larsen等2006在加利福尼亚州Sacramento河的13个测点，分析了河岸崩退的航空摄影和实际观测两类数据，用线性回归方法建立了累积水流功率与河岸崩退速率之间的定量关系，为崩岸机理研究提供一种新的途径。Nardi等2012在玻璃水箱中对砾石和沙组成的河岸进行了概化试验，研究了影响河岸稳定性的主要因素，认为粗颗粒土组成的河岸崩塌机理与细颗粒河岸明显不同，前者崩塌主要是由土体内颗粒之间相互作用力的缺失引起的。
针对二元结构河岸的崩塌机理，现有研究成果相对较少。Thorne和Tovey1981从理论上较为全面地分析了二元结构河岸的崩塌机理，并提出可能发生的剪切、绕轴和拉伸三种崩塌方式。Fukuoka1994采用现场挖沟方法，对自然分层滩岸的崩退过程进行了试验研究，提出了二元结构河岸崩退过程的三个阶段，并根据试验结果提出了上部粉质黏土层崩塌后被水流分解的估算方法。Dapporto等2003）通过对意大利Arno河岸崩退的原型调查得出悬臂破坏在二元结构河岸中发生频率较高。王延贵2003采用概化模型试验，对典型二元结构河岸的崩退过程和机理进行了研究，试验结果表明：当二元结构河岸中的上部黏性土层较薄时，崩塌方式以条崩为主，且岸坡几乎为垂直状态。Lindow等2009采用三种坡度组成的二元结构河岸，通过室内试验研究了渗流、孔隙水压力及岸坡形状对河岸稳定性的影响。Imanshoar等2012对上部黏性土下部粗沙组成的二元结构河岸的冲刷速率进行了试验，结果表明：20%的中值粒径1.4mm细颗粒替代中值粒径3.5mm粗颗粒，可以使冲刷速率减小13。Harsanto2012对黏性河岸、非黏性河岸和二元结构河岸的崩塌特点进行了试验研究，结果表明：二元结构河岸主要以绕轴崩塌和滑动破坏为主。Samadi等2011，2013对两种土体类型和三种不同容重土体组成的二元结构河岸进行了试验，结果表明：悬臂或剪切破坏是二元结构河岸*可能发生的崩塌形式。岳红艳等2014对复合塑料沙组成的二元结构河岸的崩退过程进行了概化试验，并根据试验结果将河岸崩退过程分为五个阶段。
荆江河岸多为典型的二元结构河岸，无论上荆江还是下荆江崩岸，现有研究表明：近岸水流对二元结构河岸坡脚的冲刷，是河岸发生崩退的基础条件余文畴，2008。坡脚冲刷后，二元结构河岸上部黏性土层将会发生滑动或坍落崩塌，崩塌后土体将在坡脚处的河床上形成局部堆积，掩护覆盖的近岸河床；同时这种局部的覆盖体又会产生局部水流结构，加剧了覆盖物与周围河床的冲刷。近岸水流一方面使覆盖体中松散的沙性土粒受冲刷并带向下游；另一方面也使黏性土块发生分解和不断冲刷，其中粉质壤土较易冲刷，而黏土不易冲刷，在一定时段内
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