分层岸滩侧蚀坍塌过程及其水动力响应模拟-水科学进展-南京水利.PDF

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分层岸滩侧蚀坍塌过程及其水动力响应模拟-水科学进展-南京水利

第 25卷 第 1期 水 科 学 进 展 Vol.25,No.1 2014年 1月   ADVANCESINWATERSCIENCE Jan.,2014 分层岸滩侧蚀坍塌过程及其水动力响应模拟 1 2 3 1 假冬冬 ,黑鹏飞 ,邵学军 ,张幸农 (1南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029; 2中央民族大学生命与环境科学学院,北京 100081;3清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084) 摘要:非均质岸滩广泛分布于冲积河流中,其侧蚀过程沿垂向具有分层特点。基于全三维水沙模型及河岸侧蚀坍 塌力学模式,提出动态网格跟踪技术,构建了非均质岸滩侧蚀沿垂向差异的三维动力学模拟方法。以连续弯道概 化水槽为例,模拟分析了非均质河岸侧蚀过程中三维水流结构的响应特征。研究结果表明:坡脚冲刷后,底部主 流向凹岸偏移,在已有弯道环流的基础上,于坡脚处出现一反向次生流;上部粘性土层坍塌后,崩塌土体堆积于 坡脚处,上部主流明显左偏,下部次生流消失;随着坡脚堆积体的冲刷搬运,下部主流进一步向凹岸偏移;如此 循环,主流不断向凹岸偏移,致使岸坡持续崩退、河道摆动。 关键词:非均质岸滩;侧蚀坍塌;水流结构;三维数值模拟 中图分类号:TV147   文献标志码:A   文章编号:10016791(2014)01008307 岸滩侧蚀坍塌是冲积河流平面演变的重要体现形式,因作用于河岸水流冲刷力沿垂向的不同,以及河岸 土质沿垂向具有分层特征,非均质河岸侧蚀在垂向上往往存在较大差异,从而影响近岸水流结构分布,并进 一步影响河岸的冲刷形态。 河岸侧蚀坍塌机理及其模拟技术的研究是当前河流模拟的难点和热点问题。近年来,国内外学者对考虑 [15] 河岸崩塌的二维数值模拟方法进行了相关研究,并对室内水槽、天然河流的演变过程进行了模拟分析 。 应当指出,采用平面二维数值模型,可较好地模拟河道平面上的河势演变过程,但其显然无法直接模拟出非 均质河岸侧蚀沿垂向的差异,如二元结构河岸的 “台阶式侵蚀”。可采用三维模型对岸滩侧蚀沿垂向差异特 征进行研究,但目前还未见相关的方法对此进行模拟分析,如何实现岸滩侧蚀沿垂向差异的准确拟合与跟 踪,是其中一大难点,直接影响水流结构及河岸冲刷形态的模拟结果。为此,本文基于全三维水沙模型及河 岸侧蚀坍塌力学模式研究成果[612],提出动态网格跟踪技术,构建非均质岸滩侧蚀沿垂向差异的三维动力学 模拟方法,在此基础上,进一步探讨河岸侧蚀过程中三维水流结构的响应特征。 1 非均质岸滩侧蚀坍塌数值模拟技术 11 非均质岸滩侧蚀坍塌机理及模式 均质河岸的崩塌机理十分复杂[1314],天然冲积河流中,岸滩沿垂向往往又具有分层特征,其中二元结 构河岸是最为常见的形式之一,其下部为非粘性砂组成、上部为粘性土,下荆江河岸即为典型的二元结构。 当河床下部非粘性土被水冲走后,而上部粘土层能够保持原状时,则出现悬挂的土块,如底部淘刷而使得土 [9] 块的宽度增大、强度降低,将使悬挂土块不能支持而坍落。其侧蚀坍塌机理可分为两个相互作用的过程 , 一个是水流直接淘刷下部非粘性沙层的侧蚀过程,另一个就是上部粘性土层在重力作用下的失稳过程。二元 结构河岸上部粘性土层由悬移质(包括冲泻质)中的细颗粒泥沙沉积而成,并经历了长时间的密实和粘结过 [10] 程,具有较强的抗冲性。坍塌后的上部粘性土体将堆积于近岸坡脚处,对覆盖的近岸河床起着掩护作用 , 收稿日期:20130503;网络出版时间:20131130 网络出版地址:http://www

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