河岸崩塌机理的理论模式及其计算

河岸滩的崩塌直接危及堤围的安全，作用针对粘性河岸的崩塌问题进行分析和研究，根据河岸整体崩塌情况，提出了一个切实可行的数学计算模型，考虑了河岸可能发生旋转崩塌（窝崩）和平面崩塌两种情况，并将概率分析的方法支用到崩塌的纵向延伸问题上，该模型适用于粘性土河岸及河岸滩的稳定性分析，用于北江社滘段河岸滩的稳定分析计算表明，河槽水位、地下水位、岸滩形态以及河岸滩土质抗冲性的大小等对岸滩的稳定性有不同程度的影响。     

考虑环流横向输沙及河岸变形的平面二维扩展数学模型

本文考虑弯道环流输沙效应，在泥沙运动基本方程中增加了反映环流横向输沙附加项，对平面二维水沙数学模型的悬移质、推移质输沙方程和河床变形过程进行了扩展。借助土力学中关于边坡稳定性理论中的圆弧滑动法，并引入多杈树搜索方法，建立了适用于平面二维数学模型的河岸崩塌变形计算方法。经扩展后的平面二维水沙数学模型能模拟环流横向输沙及由其引起的河床冲淤和河岸变形，并应用该模型模拟了弯道发生、发展过程，计算结果与已有的认识是一致的。     

Identification of River Sections for Domestic Water Supply along the Yangtze River in Jiangsu Province, China

This paper presents major findings from a recent study aiming to systematically determine suitable river sections for local domestic water supply along the Yangtze River in Jiangsu Province, China. On the basis of analysis on the current riverbank utilization and bank stability, accessible and stable river sections in the region were selected. The water quality in these river sections was then studied using a two-dimensional unsteady flow and pollutant transport/transformation model, RBFVM-2D. The model was calibrated and verified against the hydrodynamic data, water quality data and remote sensing data collected from the river. The investigation on the pollution sources along the river identified 56 main pollution point sources. The pollution zones downstream of these point sources are the main threat for the water quality in the river. The model was used to compute the pollution zones. In particular, simulations were conducted to establish the relationship between the extent of the pollution zone and the wastewater discharge rate of the associated point source. These water quality simulation results were combined with the riverbank stability analysis to determine suitable river sections for local domestic water supply.     

COUPLING EFFECT OF SEEPAGE FLOW AND RIVER FLOW ON THE BANK FAILURE

On the basis of the generalized physical model of the riverbank, the experiments were conducted to study the mechanisms of riverbank failure under the coupling effect of seepage flow and river flow. The experimental setup was specially designed, as well as test point location, parameters and procedures, and the main influencing factors were analyzed affecting riverbank failure based on the failure types, the variations of pore water pressure and soil displacement. The results indicated that the coupling effect has different influences on the bank failure in three aspects: the failure type, the process and the extent. In addition, the river flow played a more important role than the seepage flow in the coupling effect on the bank failure.     

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。     

冲积河流岸滩崩退模式与崩退速率

为研究冲积河流的侧向演变过程并开展模拟预测,采用河道冲刷及河岸稳定性等理论探讨岸滩的崩退模式和崩退速率。根据河岸崩塌机理及崩体塌落到水中后冲刷形式的不同,提出3种岸滩崩退模式,分别为挫崩滑塌冲刷崩退模式、挫崩倒塌冲刷崩退模式和落崩冲刷崩退模式。结合河岸的侧向淘刷、河床的纵向冲刷以及河岸崩塌的临界状态,推导了3种岸滩崩退模式的崩退速率计算公式,并利用长江和黄河的水文、河岸资料进行检验。结果表明:长江和黄河的河岸岸滩崩退速率估算值与实际崩退速率基本相符,所建立的岸滩崩退模式和崩退速率计算公式是合理的。     

Turbulence structure and bank erosion process in a dredged channel

Riverbank erosion has significant geomorphological as well as anthropogenic consequences. The geomorphological impacts include form changes such as lateral channel migration, meanders, channel expansion, etc. The anthropogenic effects include the threat to floodplain human habitation, agricultural land, and stability of instream hydraulic structures and buried pipelines. Channel dredging for the extraction of sand and gravel has seen a multi-fold rise in the last few decades. Therefore, riverbank erosion response to channel mining gains importance in river basin management. Sandpits dredged in the riverbeds can significantly impact the downstream riverbank stability. In order to assess these impacts, we conducted a series of experiments at a laboratory scale in a recirculating water flume. Three riverbank slopes, 25° (gentle), 31° (equal to the angle of repose of the bank sediments), and 40° (steeper than the angle of repose), were tested along with a sandpit. Remarkable changes in the turbulence structure of riverbank flow were found due to the channel pit. Pit excavation directly impacts the fluvial erosion characteristics of the riverbank. Pit action increases the Reynolds shear stress fields in the near-bank flow, which causes progressive fluvial erosion of the berm at the bank toe. The erosivity of the main channel flow in the riverbank also leads to channel degradation, which increases the exposed height of the bank slope. Pit dredging leads to the generation of stronger ejection bursts which provide a mechanism for berm sediment mobility and erosion. The hydro morphological response of the riverbank due to sand mining was analysed, and process understandings are presented in the paper.     

基于初值优化的灰色-马尔科夫傍河水源可靠性分析

傍河水源取水可靠性论证需要对河流的径流量进行分析,为提高河流径流量预测的准确性,本文提出了基于初值优化的灰色-马尔科夫模型来预测河流流量状态的方法,该方法分别将系列第一时刻的数据、最后时刻的数据以及前一时刻的数据作为初始条件,对各预测结果进行了加权平均,建立优化后的GM(1,1)模型,再用马尔科夫模型对灰色预测结果进行修正。运用该模型对辽河的巨流河水文站2000-2010年1月和2月的径流量预测值与实际值进行对比,预测精度较高。表明初值优化的灰色-马尔科夫模型预测方法可行,其预测较准确。文中利用该模型预测了未来10年区段枯水期的河流径流量,进而分析了区段内拟建傍河水源地取水的可靠性,为拟建水源取水工程的水资源论证提供了技术依据。     

河岸稳定性评估指标体系初探

河岸稳定性影响因素众多,各因素间的相互作用机理复杂,现阶段的已有研究深度尚难以满足定量计算河岸稳定性的需求。采用定性分析与定量计算相结合的方法,初步构建了河岸稳定性评估指标体系。在此过程中,分析河岸稳定性评估指标选取的基本原则,将河岸稳定性评估指标体系分为目标层、属性层和指标层3个层次,依据河岸稳定性现状、影响因素和变化过程对岸线现状、岸坡地质条件、护岸完备性条件、河势变化情况、近岸河床冲刷程度和近岸河床坡度情况等指标进行了分析,初步探讨了河岸稳定性评估结果可靠性问题。讨论分析结果表明:河岸稳定性评估体系是基于对多个动态可变因子的定量化尝试;评估的有效性依赖于近岸河床变化监测数据的可靠性和代表性;下一步研究可针对具体河段开展指标量化或优化计算方法探讨,以及河道岸坡稳定性评估体系的验证。     

瀑布沟水电站高陡边坡拉裂体破坏模式及稳定性研究

为了研究瀑布沟水电站高陡边坡拉裂变形体的稳定性,经过系统分析其工程地质条件,提出了该拉裂变形体的变形破坏模式,主要为槽状的滑塌变形、倾倒拉裂变形、滑移拉裂变形、滑移压致拉裂变形。并通过有限元PLAX IS数值模拟软件以及室内试验对拉裂变形体稳定性进行模拟分析。结果表明:目前该拉裂变形体存在的变形破坏为松动带的滑塌以及倾倒拉裂区的滑移拉裂破坏,为后续实际工程处理方案的确定提供了可靠的依据,并对类似工程有一定的借鉴作用。     

冲积河道冲刷过程中横向展宽的初步模拟

本文首先描述了冲积河道横向展宽现象，分析了河岸横向冲刷、崩塌的机理及展 宽原因。然后建立细沙河流一维非均匀悬移质泥沙数学模型，同时结合河道横向展宽模式，预测冲积河道冲刷过程中，粘性土组成的河岸的横向展宽过程。此外，还分析了不同来水来沙条件及河岸土体特性对河道横向展宽和河床冲刷的影响，指出了影响冲积河道横向展宽的主要因素。     

含水率变化对荆江河岸黏性土体力学特性的影响

河岸土体的物理及力学特性是影响崩岸过程的主要因素之一。为研究土体含水率对荆江河岸土体力学特性的影响,于2017年对荆江8个典型崩岸断面进行调查取样,采用实测资料分析、室内土工试验和理论分析相结合的方法,全面地分析了荆江河岸土体组成及力学特性;并结合2016年实测数据定量研究了含水率对荆江河岸黏性土体抗剪强度指标的影响,以及含水率变化对河岸稳定性的影响。结果表明:荆江河岸为上部黏性土、下部非黏性土的二元结构;随含水率的增大,黏聚力先增大后减小,而内摩擦角持续减小;通常黏粒含量越大,其黏聚力峰值越大;含水率与抗剪强度指标存在定量关系;河岸在枯水期稳定性较高,在涨水期较为稳定,在洪水期和退水期稳定性较差。研究结果可供河岸崩岸治理工程技术人员参考。     

基于SVM-GA方法的软土复合地基边坡稳定预测模型研究及应用

含有软弱夹层边坡稳定的影响因素错综复杂,为较好地模拟其因素之间的非线性关系,快速建立高精度边坡安全稳定预测模型,采用Autobank软件中的软弱夹层标记来模拟软土层的非圆弧滑动破坏,对比分析不同工况下的圆弧滑面与非圆弧滑面搜索所得计算结果差异。以某河道工程实例,进行迎水坡坡比、平台宽度及高程、堤顶宽度因素的边坡稳定敏感性分析,提出一种具有小样本、非线性、快速搜索特点的SVM-GA边坡稳定性预测模型,对此类边坡进行稳定性预测分析。结果表明:不同的滑面搜索方式对施工期边坡稳定结果影响最大;迎水坡平台宽度及平台以下坡比因素对含软土边坡安全稳定性影响较大;采用SVM-GA优化搜索预测模型预测的安全系数与采用Autobank软件计算安全系数的误差值仅为0. 003 8,搜索时间仅用约0. 32 s,表明该优化模型预测精度较高。     

黄河上游河道一维河道水温模型和经验公式法对比

为对比不同方法在黄河上游水温模拟中的适用性,分别用一维河道水温模型和经验公式法(四次多项式、三次多项式和幂函数)对兰州以上的黄河上游干支流共8个主要水文站日平均水温和月平均水温进行模拟,并采用平均绝对误差、均方根误差和纳什系数对模拟的精度进行检验。结果表明:四次多项式在黄河干流(除黄河沿站)日平均水温模拟中精度最高,幂函数在支流湟水的日平均水温模拟中精度最高;四次多项式适合黄河干流水文站的月平均水温模拟,幂函数更适合于支流湟水的月平均水温模拟;经验公式法在黄河干流日平均水温模拟中精度高于一维河道水温模型,更适合黄河上游干流段的日平均水温模拟。     

干旱区植物用水对水文条件的响应——以额济纳三角洲胡杨为例

植物用水对水文条件的响应是干旱区生态水文学的重点研究内容。本研究以额济纳三角洲为研究区,选取水文条件不同的典型河岸带植物胡杨(Populus euphratica)为研究对象,同步采集其根茎及可能为植物提供水分的土壤并真空抽提水分,同时采集河水和地下水水样,通过δ18 O分析潜在供水水源(河水、地下水)-土壤水-植物水之间的水分响应关系。研究发现,对于距离过水河道75m(地下水位埋深2.0m)的胡杨,其主要土壤供水层在1.0~2.0m,植物水分有93.7%来自河水;而距离过水主河道2km以外(地下水位埋深3.3m)的胡杨,主要吸收1.4~3.2m的土壤层水分,地下水(由河水补给,但在含水层停留时间较长的河水)对胡杨水分的贡献比例达到80.0%。可见,胡杨用水策略与模式受其距过水河道远近、地下水位深浅影响明显。     

基于BSTEM的长江中游河道岸坡稳定性分析

以长江中游荆江出口熊家洲至城陵矶段典型断面为例,利用河岸稳定性与坡脚侵蚀模型(BSTEM)计算了2个典型断面在不同自然条件下的岸坡形态、水位条件、坡脚横向冲刷距离、植被类型及有护岸工程条件下河岸稳定的安全系数,分析了这些因素对河道岸坡稳定性的影响。结论表明:水位变化对河岸稳定性有重要影响,高、低水位岸坡稳定性与河岸组成密切相关,退水速率较快时,安全系数大幅度减小,易引起崩岸的发生;不同岸坡形态下河岸安全系数也不同,均随着坡脚横向冲刷距离的增大而减小;坡面实施护岸工程与植被覆盖会增加岸坡的稳定性。     

A THREE-SEGMENT HYDRAULIC MODEL FOR ANNULAR CUTTINGS TRANSPORT WITH FOAM IN HORIZONTAL DRILLING

Through mechanical analysis, an improved hydraulic model for annular cuttings transport with foam was established for horizontal drilling. Based on the two critical inclination angles, the entire well was divided into three segments. The Bagnold stress, generalized power law rheological model and modified hindered particle settling velocity in foam fluid were adopted in the model to improve the simulation accuracy. The proposed model allows more precise prediction of cuttings transport property in the whole range of well inclination angle. Model performance was examined via case study and experimental data. Simulation results given by the propulsion iteration and trial-and-error method agree well with in-situ horizontal well drilling practice for the case study, and the comparison between the model prediction and Capo’s experimental data shows satisfactory agreement.     

基于 BSTEM 的长江中游河道岸坡稳定性分析简

 以长江中游荆江出口熊家洲至城陵矶段典型断面为例,利用河岸稳定性与坡脚侵蚀模型(BSTEM)计算了2个典型断面在不同自然条件下的岸坡形态、水位条件、坡脚横向冲刷距离、植被类型及有护岸工程条件下河岸稳定的安全系数,分析了这些因素对河道岸坡稳定性的影响。结论表明:水位变化对河岸稳定性有重要影响,高、低水位岸坡稳定性与河岸组成密切相关,退水速率较快时,安全系数大幅度减小,易引起崩岸的发生;不同岸坡形态下河岸安全系数也不同,均随着坡脚横向冲刷距离的增大而减小;坡面实施护岸工程与植被覆盖会增加岸坡的稳定性。     

河流水冰沙耦合模型研究Ⅱ：验证与应用

北方河流冬季河冰运动会带来凌汛灾害威胁,研究流凌运动对水流、泥沙和河道的影响具有重要工程意义。本文在平面二维河冰动力学模型基础上,建立二维水冰沙耦合数值模型。基于三角形的非结构网格,采用具有迎风特性的Petrov-Galerkin型有限元法计算非恒定水流过程、非恒定非均匀沙输运和河床冲淤变化,利用无网格的SPH法计算河冰运动,基于河冰对岸滩的刮擦切应力计算岸坡侵蚀,再利用双泥沙休止角法分析不同含水层岸坡的稳定坡面。该模型创新性地耦合水沙理论和河冰理论,能模拟北方河流全季节及河冰全过程的水位流量波动、河冰运动、泥沙输移、河床冲淤及岸滩崩塌过程。通过实验条件下溃坝引起的岸坡崩塌侵蚀验证了模型的准确性和可靠性,研究结果显示该模型能再现水流、河冰、泥沙、河床及河岸间的复杂耦合作用,揭示河冰刮擦对岸滩侵蚀破坏的促进机理,可进一步支撑冬季河道防凌减灾和岸滩水土保持研究。     

二维坡面雨洪水动力模型研究

由降雨产生的坡面洪水运动过程复杂,其可靠模拟仍有待深入。该文建立了基于浅水方程的二维坡面雨洪动力过程模拟的动力波模型,选用单坡、三阶坡面和复杂起伏多变坡面的雨洪运动为数值算例,进行了数值检验并与忽略惯性项的扩散波模型进行了对比分析。结果表明:动力波模型可以较好地模拟洪水过程,在峰现时间,洪峰水位的捕捉和退水过程等方面都表现出优良的特性;而且动力波模型在复杂坡面雨洪过程计算的适应性方面表现更佳。而扩散波模型在计算精度和稳定性方面都相对要差。虽然扩散波模型在单坡面算例中的计算精度也较高,但因受忽略惯性项的影响,退水过程有明显偏离。