冻融作用对我国北方季节性冰冻河流岸坡稳定性的影响:以松花江典型河段为例

岸滩侧蚀崩塌现象普遍存在于江河湖泊中,是一种危害较大的自然灾害。季节性冰冻河流受水动力、冻融耦合作用,岸滩崩塌机理复杂,开展其岸坡稳定性研究对河势控制和河流综合治理具有重要意义。以松花江干流大顶子山航电枢纽下游近坝段为例,采用BSTEM断面尺度模型,对河岸崩塌过程进行了模拟,定量分析了冻融作用对河岸稳定性的影响。研究结果表明:涨水期河岸稳定性相对较高,洪水期和退水期稳定性相对较低,为崩岸多发时期;冻融作用会使河岸稳定安全系数F s提前达到不稳定临界值,即与不考虑冻融作用相比,河岸提前崩塌,且考虑冻融作用的崩塌宽度更接近实测值,累计冲刷崩塌总量增幅约为7%~41%。研究结果可为季节性冰冻河流岸滩崩塌及河道演变研究提供一定借鉴和参考。

长江下游侧滑型窝崩成因及其力学机制

为全面认识长江下游各类窝崩的形成原因和力学机制,以和畅洲头窝崩为例进行全面分析,进而借鉴土力学方面成果,提出相应的失稳模式和估算方法。结果表明:和畅洲头窝崩属于侧滑型窝崩,其成因主要是岸滩土体中存在易液化的粉砂层,当外界出现一定的振动扰动因素,粉砂层液化条件成熟时则成为滑动层,液化层和上覆土层分多次发生大幅度侧向滑移,土体滑出窝塘口门进入河道深槽,随后被河道主流迅速分散搬运至下游。采用数理统计方法,得到土体滑移距离与液化层厚度和滑移层倾角之间幂函数形式的经验公式。研究结果可为长江下游此类窝崩的预警和治理提供参考。

不同粒径块石及其组合的护岸效果

块石是常用的护岸(坡)材料,在护岸工程实施后常因各种原因使得块石滑落而破坏.为探索块石滑落的原因,设计了弯曲水槽,在水槽中进行了7种块石组成(4种块石粒径及3种护岸块石级配)、3种护岸厚度、3种岸坡组合条件下,3种近岸流速作用下岸坡的破坏情况.根据试验结果,分析了块石粒径(级配)、近岸流速、抛石层厚度、岸坡坡度等对岸坡防护的影响.提出了块石的尺度、厚度及稳定坡度的选择理念.这些成果可为长江实际护岸工程的设计和管理提供科学依据,也为今后护岸工程设计、施工和管理方面的标准、规范的修改补充提供参考.

沙袋充填度与稳定性的试验研究

沙袋筑坝在工程中愈来愈广泛的应用 ,需要解决的问题也很多 ,笔者对不同尺寸沙袋的充填度进行了讨论 ,提出了极限充填度和最佳充填度的概念 ;通过对不同尺寸充沙沙袋在水泥抹面和沙袋布为底面的水槽中所得的试验资料的分析 。

巨型人工采砂坑对伶仃洋自然演变的影响

伶仃洋内建有华南最大的两个主枢纽港及相连的深水航道,长期保持“三滩两槽”稳定格局是广州港选择西槽开发深水航道并取得成功的关键基础。2008年以后,由于在中滩上人工采砂,现已形成了容积达7×108 m 3的巨型采砂坑,直接影响了伶仃洋的滩槽演变。采用现场调查和数值模拟等方法,分析了采砂活动过程中对周围水体及地形的影响,指出采砂区域水体含沙量为1.5~2.8 kg/m 3,最大可达5 kg/m 3以上,远大于采砂前0.2 kg/m 3,可引起附近海床淤积,对港珠澳大桥桥区的海床稳定也会产生影响。同时,采砂坑形成后潮位、潮流、潮量出现较大改变的区域主要在采砂坑及其附近水域,表现为潮位下降(小于1 cm),潮流减小,采砂坑内以泥沙回淤为主(33 cm/a),坑周围海床呈侵蚀冲刷状态,南侧冲刷较大。此外,现状条件下采砂坑以回淤为主,回淤时间预计20年,但在2#、3#采砂坑或2#、4#采砂坑连通等不利状况下,有可能形成新的潮流通道,改变现有“三滩二槽”的格局,对目前已有航道维护和港口生产造成不利影响。

黄茅海海域内泥沙淤积范围的确定

根据黄茅海海域底沙样本的中子活化分析示踪泥沙的原始数据，采用模糊数学方法，计算了各样本点间的相关关系，并进行聚类分析，得出了泥沙输移的主要路线，同时通过对沙源泥沙特性的探讨且结合实际情况，选取了作为沙源的泥沙样本。在此基础上，采用均方差最小的方法，计算各沙源对海域内各样本点的贡献，由此可以确认各沙源的淤积范围，从而对本海域内的泥沙来源有了较为全面的认识。

长江中游航道整治线宽度确定方法

在对枢纽下游航道整治线宽度研究的基础上,结合长江中游的水沙特点,对影响长江中游航道整治线宽度的各因素进行分析,认为整治线宽度与河宽的比值可表示为整治前后水深比值的指数形式,并采用长江中游周天河段整治线宽度的试验结果来确定指数值,从而得出整治线宽度的计算公式。该公式应用于长江中游周天河段、窑监河段、牯牛沙河段的计算结果表明,该公式适用于三峡水库运行后长江中游浅滩航道整治线宽度的计算。

沙袋在水流中的沉速、落距

沙袋在水面抛放后,受重力和水流阻力的作用,在向水下沉降的同时,还产生顺水流方向的落距。本文通过对水槽中沙袋沉降过程的观察,结合对沙袋运动过程中的受力分析,建立并推导了沙袋沉速运动方程,此方程包括了沉降开始时的加速阶段和达到平衡后的匀速阶段,对于沙袋来说,加速阶段的时间很短。建立了沙袋落距的微分方程,推导了均匀流速分布下沙袋落距的表达式,此公式可以简化为与现有公式一致的形式,通过实测资料,确定了公式中的系数。

港珠澳大桥附近海域海床演变分析

文章分析了河口湾径流的水沙条件、潮流、潮位、盐度的基本特征及相互关系,河口的沉积环境与沉积速率以及滩槽演变的特点和趋势。拟建桥区海床历史演变与近期演变的分析研究表明:拟建桥区海床以淤积为主,但淤积量不大;桥区水域内涨落潮以往复流为主,且与所在的航槽走向一致,反映了地形与水流的相互作用关系。

基于父子型窝塘地形变化探讨窝崩机理

窝崩涉及水与土的交互作用,因其发展速度快,且位于水下难以观测,故其发展过程和运移规律很难掌握,对窝崩的成因机理也存在不同观点。选择长江下游和畅洲左汊洲头进口侧2012年发生的窝崩(子窝崩)作为研究对象,此窝崩是在原已发生窝崩(父窝崩)的窝塘湾腰上的继发性窝崩,比较了父窝塘及口门附近长江深槽窝崩前4年的地形变化,发现窝崩口门外长江地形呈淤积状态,这与已往认为窝崩是由深槽冲蚀引起的概念不相符。父窝塘上湾腰地形2010年11月至2012年2月间淤积,2012年2月至2012年10月窝崩前无地形资料比较,根据水文资料分析,推测为冲刷,说明在较浅槽一个水文年内的河床冲刷可引发窝崩。子窝崩发生前后,父窝塘下部区域地形变化不大,说明窝崩产生的泥沙在近底层向较低处输移,对周边相对较高河床地形影响不大。

枢纽下游航道整治线宽度的确定方法

根据水利枢纽下游浅滩的碍航特性以及是否受到枢纽下泄水流的非均匀流影响,将碍航浅滩分为4种类型,分析了非恒定水流的输沙能力,讨论了碍航浅滩年内输沙不平衡的处理方法。在此基础上,提出了枢纽下游航道整治线宽度计算公式。该公式简化后与规范所推荐的公式一致,并采用汉江资料进行了计算。

港珠澳大桥通航水域航道演变分析

从3个方面分析了港珠澳大桥桥位附近航道演变情况,首先针对伶仃洋河口湾径流的水沙条件、桥位附近的潮流、潮位等基本特征进行分析,以确定桥位附近滩槽演变的特点和趋势;其次对桥位附近试挖槽的实测资料进行了分析,确定试挖槽在不同季节的回淤强度及挖槽边坡随时间的变化情况;最后比较了桥位附近航道不同时期测图的断面和容积的变化,分析了桥区附近的航道演变情况及演变趋势,分析结果表明各航道均处于相对稳定状态.

非等长淹没丁坝群局部水头损失的计算

根据水槽中淹没丁坝群的水流流态，将下坝附近的水流进行分区，导出淹没丁坝下游主槽流速沿程变化公式，并且结合由淹没单丁坝时得出的水头损失计算公式，可以对不同坝长、坝高和丁坝间距、淹没丁坝群的局部水头损失进行计算。

丁坝冲刷长度的简捷计算

本文根据丁坝作用后水槽中水流情况，采用动量方程结合试验资料，导出了丁坝下游主槽平均流速沿程变化的公式，以此为基础，提出了丁坝作用下河床冲刷段长度的计算公式。

淹没丁坝附近的水流流态

以水槽试验为基础，对淹没丁坝附近的水流现象进行了定性描述。采用量纲分析的方法，结合试验资料提出了过坝流量的计算公式、坝前最大壅水值的计算公式；并由动量方程导出了丁坝下游主槽平均流速沿程变化公式；并以此为基础，讨论了丁坝恢复段长度。

断波作用下块体失稳探讨

对现有的块体在水流作用下失稳的表达式进行评述,介绍了断波的形成条件,根据断波作用下块体的受力条件,推导了断波作用下块体失稳的公式,此公式与现有公式相比,多出了与波高有关的一项,表明有断波作用下的块体与无断波作用的块体相比更易失稳。如果断波波高较大,使得作用在块体上的水压力差占主导作用时,块体的失稳粒径与断波波高成正比。

三峡坝区模型坝前冲刷漏斗形成及成因分析

依据三峡坝区模型中从水库开始连水到基本冲淤平衡阶段，对坝前冲刷漏斗的形成过程进行量测的资料分析，发现其经历了淤积—冲刷—基本平衡的过程。在对冲刷漏斗形成的分析基础上，提出了漏斗冲刷深度的计算式。

丁坝坝头冲刷坑深度的研究

提出了坝头冲刷坑深度的计算公式，水槽资料验证表明：公式的计算精度高于现有的公式采用天然河道丁坝冲深资料对此公式进行了验证。

窝崩治理新型结构—布帘石的理论分析和试验研究

长江江苏段窝崩大多选用树头石作为窝塘内的促淤结构型式,但树木的砍伐对绿化和生态产生一定的不良影响。提出了一种由浮块、布匹(或土工布)和石块组成的布帘石,该种新型结构在窝塘内可起到阻流和促淤的效果,但目前对此鲜有研究。通过对置于水流中处于平衡状态时的布帘石进行受力分析,建立作用在布帘石微元上各力平衡时的微分方程,进而解得布帘石沿水深方向分布曲线(面),由试验数据确定相关系数。采用此计算式可以确定布帘石的水平投影长度和浮力,也可解释浮块浮于水面或没入水中、布帘浮于水中或沉入河底等状态的力学机制。基于长江扬中河段指南村窝崩段的局部模型,就窝塘中布帘石、树头石的阻水效果进行了对比试验,结果表明两者阻水效果相当。同时,布帘石的利用可减少对生态的影响。

沉积物矿物特性对淤泥来源定量计算的探讨

在河口地区判别泥沙来自于哪一沙源，对于岸线规划和航道整治显得尤为重要。而在这一水域中，由于入汇的河流众多，这些河流所挟带的泥沙在径流，潮流、波浪等因素的作用下，各河流泥沙淤积范围和淤积数量难以确定。本文根据各流域来沙中各重矿物含量不同的原理，采用均方差最小的方法，推导了计算各河流在任一水域中泥沙沉积的比例，并以伶仃洋交椅沙附近水域的沉积泥沙中的各种重矿物含量、进入伶仃洋诸河流水流所挟带泥沙中的各重矿物含量为例，说明这一水域中各河流挟沙的比例。这一计算与目前已有的定性分析结论相一致。