中国北方季节性冰冻河流岸滩崩塌数值模拟——以松花江为例

季节性冰冻河流(季冻区河流)受水动力-冻胀/冻融耦合作用,岸滩崩塌机理复杂,且对河道演变具有重要影响。通过建立水动力-冻胀/冻融耦合作用岸滩崩塌力学模式,以中国东北地区松花江干流大顶子山航电枢纽下游近坝段为例,开展季冻区河流岸滩崩塌及河道演变的三维数值模拟分析。研究结果表明:岸滩坡脚侧蚀主要由水力冲刷所控制,冻胀作用使岸滩开裂深度增加,冻融过程则会使岸坡土体力学强度降低,影响岸滩稳定;岸滩崩塌对季冻区天然河流演变具有显著影响,考虑岸滩崩塌的模拟结果与天然实测结果基本吻合,可较好地模拟河床冲淤、岸滩崩塌所引起的河道演变过程。研究成果可为季冻区河流岸滩崩塌及河道演变的深入研究提供技术支撑。

季冻区河流岸滩崩塌机理及其数值模拟研究进展

岸滩侧蚀崩塌现象广泛分布于世界各大江河之中,是一种危害较大的自然灾害。季冻区河流受水动力-冻胀/冻融耦合作用,岸滩崩塌机理复杂,影响因素众多,其崩塌机理研究对河岸防护和河流综合治理具有重要意义。从岸滩崩塌机理与力学模式、岸滩崩塌及河床冲淤交互作用数值模拟、典型季冻区河流(松花江及黑龙江)河道演变研究三个方面,对当前该领域国内外研究现状进行了综述和总结,对季冻区河流崩塌机理及其数值模拟领域存在的不足和研究趋势进行了分析,包括重点关注水动力-冻胀/冻融耦合作用下岸滩崩塌机理与力学模式,以及水-沙-岸-床耦合模拟方法的建立等方面,以期为季冻区河流岸滩崩塌及其数值模拟研究提供一定借鉴和参考。

河流水冰沙耦合模型研究Ⅰ:原理和方法

河流水沙研究一般忽略冬季河冰对泥沙输运、河床侵蚀和岸滩崩塌的影响,但北方河流如黄河等冬季冰期的防凌减灾和河道的演变均不能忽略河冰过程,亟需研究河冰全过程影响下的水冰沙耦合作用机理。本文首先总结了河冰水力学的理论发展,针对北方河流建立了二维水冰沙耦合数学模型,包括二维水沙数值模块、河冰动力学模块和岸滩侵蚀模块,并介绍了该耦合模型的求解步骤和方法。研究表明:通过三个模块间的信息传递和数据反馈,该数学模型具备模拟冰塞冰坝等极端工况下的水流变化、河冰堆积和释放、泥沙运动、河床冲淤和岸滩侵蚀等过程的能力。该模型将水沙理论和河冰理论结合起来,可用于北方河流全季节与河冰生消全过程的水冰沙耦合过程模拟,为北方河流管理提供了有力工具。

移动网格下黄河下游游荡段二维水沙数值模拟

本文针对游荡型河道水沙数值模拟中岸滩崩塌引起的网格移动问题,采用任意拉格朗日-欧拉方法,在正交贴体坐标系中建立了移动网格下的黄河下游游荡段平面二维非恒定水沙数学模型,同时为使移动网格情况下水沙运动控制方程满足几何守恒律,推导了正交贴体坐标系下网格运动项的计算公式,并采用基于弧长的超限插值法,提出了一种能追踪河岸边界变化的网格移动计算方法。最后采用黄河下游花园口至高村河段2013年实测水沙资料对模型进行验证,结果表明,本模型能较好地模拟出计算河段的水沙输移、滩槽冲淤分布和岸滩冲刷后退过程,所建模型可用于黄河下游游荡型河道水沙运动和滩槽演变模拟。

洪水位变化对岸滩稳定性的影响

为了较全面地了解洪水涨落对岸滩崩塌的影响,本文通过对洪水期岸滩受力分析,结合岸滩土体性质和洪水浸泡岸滩特点,给出洪水期岸滩稳定系数;进而分析了洪水降落期岸滩稳定性变化,指出洪水骤降时,长期洪水浸泡后黏土岸滩稳定系数将会大幅度减小;在洪水缓慢降落时,黏性岸滩稳定性减小,但减小幅度小于骤降的情况。通过分析对比洪水上涨、洪水浸泡和洪水降落等不同过程的稳定性,指出洪水迅速上涨期岸滩稳定性最好,依次为洪水缓慢上涨期、洪水浸泡期和洪水缓慢下降期,洪水骤降期岸滩稳定性最差。

闽江入海口琅岐岛分流口岸滩防护方案及运行效果

闽江入海口琅岐岛分流口受洪潮水共同冲刷影响,岸滩崩塌严重,威胁新建堤防安全运行。该文根据数学模型及物理模型模拟的闽江洪潮遭遇情况下琅岐岛分流口固滩工程区水沙运动特点探讨岸滩防护方案,最终选用抛石+土工充填袋袋装碎石岸滩防护方案。固滩工程运行4年后固滩段水下地形复测结果表明,岸滩防护方案合适,固滩工程整体实施效果良好。