周卓亮,余明輝,李大成,吳 迪,田浩永

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072；2. 中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽 550081；3. 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

沖積河流在演變過程中常伴隨崩岸現(xiàn)象,崩岸不僅會(huì)改變河道斷面形態(tài),影響近岸水流結(jié)構(gòu),還會(huì)對(duì)防洪、航運(yùn)、供水、水生態(tài)等的安全構(gòu)成威脅。以長江下荊江河段為例,其河岸土體為上部黏土、下部沙土的典型二元結(jié)構(gòu),抗沖性能差,易發(fā)生崩岸[1- 3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2003—2018年長江中下游干流河道累計(jì)崩岸長度約704 km[4],崩岸的頻發(fā)嚴(yán)重制約了兩岸的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

二元結(jié)構(gòu)河岸的崩塌過程一般可分為3個(gè)階段[5]:① 下部沙土層的淘刷。當(dāng)近岸流速超過下部沙土層的起動(dòng)流速后,沙土層逐漸被水流淘空,上部黏土層部分呈懸空狀態(tài)。② 上部黏土層的繞軸崩塌。黏土層在重力作用下崩塌,掉落并堆積在近岸坡腳。③ 崩塌后的土體被近岸水流沖散并帶走。20世紀(jì)70年代中期以來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)崩岸機(jī)理及發(fā)生過程的研究已取得了一定的進(jìn)展,研究內(nèi)容多集中于崩岸過程的前2個(gè)階段,但崩岸是一個(gè)連續(xù)且不斷發(fā)生的過程,因此對(duì)于河岸崩塌發(fā)生后的第3階段,崩塌體對(duì)河勢調(diào)整的研究也不容忽視。Motta等[6]使用RVR彎道水流模型概化了河岸崩塌對(duì)彎道水流的影響,認(rèn)為崩塌體的存在使河道水流高流速區(qū)遠(yuǎn)離河岸；余明輝等[7]通過180°彎道水槽試驗(yàn)認(rèn)為崩塌體的存在對(duì)其附近岸坡崩塌及河床淤積有一定的抑制作用；Hackney等[8]對(duì)河岸崩塌處進(jìn)行實(shí)地觀測,發(fā)現(xiàn)崩塌體在存在的不同時(shí)期對(duì)河岸侵蝕的影響不同；Deng等[9]提出了一種河床演變及河岸侵蝕的耦合模型,但其一維地形不足以描述彎道近岸復(fù)雜的水流條件。以上分析表明,雖然目前對(duì)崩岸發(fā)生第3階段中崩塌體堆積于近岸坡腳導(dǎo)致彎道水力特性的改變有了一定的認(rèn)識(shí),但在以往的研究中,多是從整體上判斷崩塌體對(duì)河岸侵蝕速率的影響,缺乏對(duì)彎道沿程不同區(qū)域壁面剪切力的變化研究,也鮮有人關(guān)注崩塌體尺寸對(duì)彎道水力特性的影響。

彎道水流具有強(qiáng)三維特性,許多學(xué)者建立三維水流數(shù)學(xué)模型研究彎道水流結(jié)構(gòu)。假冬冬等[10]建立窩崩三維數(shù)值模型模擬窩塘水流結(jié)構(gòu)及其沖刷過程；Kimiaghalam等[11]運(yùn)用水動(dòng)力數(shù)值模型,根據(jù)河流水位確定河岸上施加的剪應(yīng)力;Stoesser等[12]分別運(yùn)用2種CFD模型(RANS模型和LES模型)計(jì)算了彎道河流中的湍流流動(dòng),結(jié)果顯示在時(shí)均流速的計(jì)算上RANS模型比LES模型更加吻合。

本文以荊江石首彎道河段為例,建立三維水流數(shù)學(xué)模型(RANS模型),對(duì)比彎道凹岸崩塌發(fā)生前后及崩塌體的尺寸對(duì)急彎河段水力特性參數(shù)(如水流動(dòng)力軸線、縱向流速、環(huán)流結(jié)構(gòu)和壁面剪切力等)的影響,分析崩塌體存在時(shí)彎道不同區(qū)域岸坡侵蝕速率的變化趨勢。深化對(duì)二元結(jié)構(gòu)河岸侵蝕第3階段的認(rèn)識(shí),可為河道整治及岸線利用規(guī)劃提供基礎(chǔ)理論及技術(shù)支撐。

1 研究方法

以荊江河段石首彎道概化模型[13]為例建立彎道水流三維數(shù)學(xué)模型。模型彎道段彎曲角度為120°,曲折系數(shù)為1.4,在彎頂處河道呈2倍放寬,后逐漸收縮至放寬前寬度。

選用流體體積法(Volume of Fluid)自由液面捕捉技術(shù)與雷諾應(yīng)力模型(RSM)。雷諾應(yīng)力模型考慮了紊流黏度的各向異性效應(yīng),對(duì)連續(xù)彎道水流運(yùn)動(dòng)特性的模擬精度高于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型及可實(shí)現(xiàn)k-ε模型[14]。計(jì)算基于明渠模式進(jìn)行,使用有限體積法離散控制方程；壓力速度耦合使用PISO算法；壁面附近流場使用壁面函數(shù)法進(jìn)行求解,所有固體壁面均選擇無滑移邊界條件；模型水槽入口邊界選擇質(zhì)量入口條件,出口邊界選擇壓力出口條件,模型水槽的上表面邊界選擇壓力入口條件。

1.1 控制方程

RSM模型連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程如下：

(1)

(2)

1.2 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

模型采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分如圖1所示。第一層網(wǎng)格到壁面的量綱一距離為y+=Re(u*/U)(Δy/H),其中,Re為雷諾數(shù),u*為近壁面摩阻流速,U為斷面平均流速,Δy為網(wǎng)格間距,H為斷面水深。壁面處第一層網(wǎng)格需布置在黏性底層和過渡段之外,因此保證3099%,表明計(jì)算結(jié)果具有足夠的精度。

圖1 模型計(jì)算網(wǎng)格Fig.1 Computational mesh

1.3 模擬工況

三峽水庫蓄水后,石首河年均崩岸長度約為2 500 m[5],且崩塌主要發(fā)生在彎道凹岸彎頂以下至頂沖點(diǎn)附近處。因此,模擬工況考慮無崩塌體和4種尺寸崩塌體。崩塌體長約3 m,參考謝亞光等[13]試驗(yàn)中的崩塌體橫斷面形態(tài),分別設(shè)置崩塌體橫斷面形態(tài)(寬×高)為工況1(10 cm×10 cm)、工況2(15 cm×10 cm)、工況3(20 cm×10 cm)和工況4(15 cm×5 cm)。崩塌體布置于斷面CS9—CS14之間緊鄰岸坡坡腳處。模型進(jìn)口流量Q=50 L/s,出口控制斷面水深為0.25 m,保證數(shù)學(xué)模型與實(shí)際河道水流弗勞德數(shù)相近。崩塌體位置及斷面布置如圖2所示。

圖2 崩塌體位置及斷面布置Fig.2 Location of the slump blocks and cross sections

1.4 模型驗(yàn)證

選取謝亞光等[13]試驗(yàn)中的工況1(進(jìn)口流量為50 L/s,出口水深為0.25 m)進(jìn)行模型驗(yàn)證,圖3為彎道水槽中沿程斷面CS9、CS13量綱一縱向流速的計(jì)算值與實(shí)測值對(duì)比(n為測線編號(hào)；U*S=US/U,Z*=Z/H,其中,US為測點(diǎn)流速,Z為測點(diǎn)水深),由圖3可知大部分區(qū)域計(jì)算值與實(shí)測值吻合良好,少部分區(qū)域由于靠近邊壁,水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜,計(jì)算值與實(shí)測值稍有差別,但沿垂線變化趨勢一致。

圖3 量綱一縱向流速計(jì)算值及實(shí)測值對(duì)比 Fig.3 Comparison between modelled and experimental data of normalised longitudinal velocity distribution

2 崩塌體對(duì)近岸水流結(jié)構(gòu)的影響研究

2.1 水流動(dòng)力軸線

彎道水流動(dòng)力軸線的位置是影響彎道段河岸穩(wěn)定的重要因素。圖4顯示了相同流量條件下有無崩塌體時(shí)的水流動(dòng)力軸線。無崩塌體時(shí),水流動(dòng)力軸線于彎道進(jìn)口斷面CS5的斷面中部逐漸往凸岸偏移,至彎頂斷面CS9后再逐漸擺向凹岸,直至出口斷面CS13后完全貼近于凹岸。相較無崩塌體,崩塌體的存在有將水流動(dòng)力軸線推向凸岸的趨勢,隨著崩塌體尺度的增大,推移的幅度越大。比較不同尺寸崩塌體存在時(shí)水流動(dòng)力軸線的位置發(fā)現(xiàn),崩塌體寬度的改變比崩塌體高度的改變對(duì)水流動(dòng)力軸線的影響更大,不同崩塌體寬度條件下的水流動(dòng)力軸線最大偏移距離為平均河寬的0.014倍,占寬度變幅的40%;而不同崩塌體高度條件下的水流動(dòng)力軸線最大偏移距離僅為平均河寬的0.004倍,占高度變幅的12%。

圖4 不同實(shí)驗(yàn)工況下的水流動(dòng)力軸線Fig.4 Flow dynamic axis under different experimental conditions

2.2 縱向流速及環(huán)流發(fā)展過程

縱向流速分布和彎道環(huán)流結(jié)構(gòu)是彎道水流運(yùn)動(dòng)的2個(gè)重要物理參數(shù)。圖5顯示了斷面CS6—CS14段縱向流速及環(huán)流發(fā)展過程三維示意圖。水流動(dòng)力軸線變化趨勢相似,相較于無崩塌體,崩塌體存在時(shí),斷面CS9—CS12最大縱向流速區(qū)域遠(yuǎn)離凹岸,使得近凹岸區(qū)域縱向流速減小,近凸岸區(qū)域縱向流速增大。斷面CS12—CS14,崩塌體的存在使斷面面積減小,斷面平均縱向流速增大,在水流動(dòng)力軸線擺向凹岸的共同作用下,近凹岸區(qū)域縱向流速增大。值得一提的是,在斷面CS9—CS12靠近凸岸邊灘區(qū)域,縱向流速出現(xiàn)了負(fù)值。根據(jù)Blanckaert[16]對(duì)彎道流動(dòng)分離階段的分類,這表明該區(qū)域處于流動(dòng)分離的第2階段,縱向流速沿橫向的分布出現(xiàn)零點(diǎn),在水流分離區(qū)形成豎軸環(huán)流。

圖5 縱向流速等值線及環(huán)流發(fā)展過程Fig.5 Streamwise velocity contours and circulation development

環(huán)流在彎道進(jìn)口稍下游處(斷面CS7)開始形成,順?biāo)鞣较蛟谥髁鲄^(qū)形成一個(gè)逆時(shí)針環(huán)流,稱主環(huán)流;同時(shí)在凹岸靠近水面區(qū)域形成了一個(gè)較小的順時(shí)針環(huán)流,稱次環(huán)流。主環(huán)流沿程發(fā)展,在彎頂處(斷面CS9)達(dá)到最大,幾乎占據(jù)整個(gè)斷面;斷面CS12后,彎道逐漸束窄,主環(huán)流尺寸隨彎道束窄而逐漸減小。次環(huán)流在斷面CS8后形成,其環(huán)流強(qiáng)度和尺寸相對(duì)主環(huán)流都很小,環(huán)流方向與主環(huán)流方向相反。根據(jù)Blanckaert等[17]的研究,這種形成于凹岸的小尺寸環(huán)流,不僅受離心力作用的影響,也受湍流動(dòng)能的影響。這種環(huán)流的形成,有利于近岸水流湍流動(dòng)能的耗散,能有效地降低岸坡侵蝕速率。相較于無崩塌體,崩塌體對(duì)彎道主環(huán)流的影響較小,僅在斷面CS12后,有抑制主環(huán)流形成2個(gè)環(huán)流中心的趨勢;但崩塌體的存在使次環(huán)流的形態(tài)發(fā)生了顯著改變。

以斷面CS13為例,對(duì)量綱一縱向流速及斷面橫向流速矢量展開討論分析。圖6顯示了不同尺寸崩塌體對(duì)斷面CS13的橫向流速矢量及量綱一縱向流速的影響,從圖6(a)中可以看出,無崩塌體時(shí),主環(huán)流存在明顯的2個(gè)相互重疊的環(huán)流中心區(qū)域,次環(huán)流位于凹岸區(qū)域,存在一上一下、一大一小2個(gè)方向相反的次環(huán)流,位于上方的次環(huán)流相較于下方的次環(huán)流,環(huán)流尺寸和環(huán)流強(qiáng)度都更小,其對(duì)量綱一縱向流速分布幾乎不產(chǎn)生影響。從圖6(b)—圖6(d)中可以看出,崩塌體的存在對(duì)主環(huán)流的影響不大,但改變了次環(huán)流的方向;相較于無崩塌體,崩塌體存在時(shí)次環(huán)流位于崩塌體上方,環(huán)流方向與原次環(huán)流相反,環(huán)流尺寸更小。結(jié)合量綱一縱向流速等值線來看,無崩塌體時(shí),量綱一縱向流速在次環(huán)流的作用下,最大流速區(qū)域遠(yuǎn)離了凹岸；崩塌體存在時(shí),凸岸坡腳量綱一縱向流速增大,量綱一縱向流速超過1.2的水流區(qū)域遠(yuǎn)離凹岸,凹岸附近量綱一縱向流速減小。隨著崩塌體尺寸的增加,這種將量綱一縱向大流速區(qū)域推離凹岸的現(xiàn)象就越明顯,崩塌體高度的增加明顯抑制了次環(huán)流的發(fā)展,而崩塌體寬度的增加則有利于崩塌體上方次環(huán)流的發(fā)展。

圖6 斷面CS13橫向流速矢量及量綱一縱向流速等值線Fig.6 Cross sectional velocity vectors and streamwise velocity contours in CS13

為分析凹岸次環(huán)流強(qiáng)度,引入彎道環(huán)流(I)來表示環(huán)流的相對(duì)強(qiáng)度,I等于橫向流速與縱向流速之比,具體計(jì)算公式見文獻(xiàn)[18]。經(jīng)計(jì)算可知,斷面CS13處,崩塌體堆積于凹岸坡腳,主環(huán)流強(qiáng)度變化不大,次環(huán)流強(qiáng)度比無崩塌體時(shí)降低15%左右;同時(shí)崩塌體尺寸的改變,對(duì)次環(huán)流強(qiáng)度的影響不大。

因此可以認(rèn)為,崩塌體的存在對(duì)主環(huán)流的影響不大,但改變了次環(huán)流的方向;相較于無崩塌體,崩塌體存在時(shí)次環(huán)流的尺寸和強(qiáng)度更小,但仍能對(duì)凹岸岸坡起到一定的保護(hù)作用。

2.3 壁面剪切力

根據(jù)河岸和河床的形態(tài),將斷面分為4個(gè)區(qū)域：區(qū)域1為凹岸坡面未被崩塌體覆蓋的區(qū)域,區(qū)域2為崩塌體堆積于凹岸坡腳的區(qū)域,區(qū)域3為無崩塌體覆蓋的床面區(qū)域,區(qū)域4為凸岸坡面區(qū)域。

壁面剪切力是研究泥沙起動(dòng)、輸移等問題的重要參數(shù)[19]。圖7顯示了無崩塌體和4種不同尺寸崩塌體存在時(shí)壁面剪切力的橫向分布變化情況。從圖7可以看出,在彎道中部(斷面CS8)最大壁面剪切力位于凸岸坡面處,出彎后(斷面CS12—CS14)最大壁面剪切力逐漸往凹岸偏移,這與主流線的變化規(guī)律相似。受主環(huán)流的影響,壁面剪切力的橫向分布存在2個(gè)峰值,其中斷面最大壁面剪切力的位置與水流動(dòng)力軸線所在位置一致,第2峰值一般出現(xiàn)在凸岸坡面上(區(qū)域4)。相較于無崩塌體,崩塌體存在時(shí),斷面CS8—CS14區(qū)域3和區(qū)域4內(nèi)的壁面剪切力均大于無崩塌體時(shí)的壁面剪切力,這是由于崩塌體的存在使得最大縱向流速偏向凸岸。比較不同尺寸崩塌體對(duì)壁面剪切力的影響,無論崩塌體的寬度還是高度增加,區(qū)域3和區(qū)域4的壁面剪切力都隨之增大。平均壁面剪切力最大增加至無崩塌體時(shí)的1.31倍。

圖7 無崩塌體及不同工況下壁面剪切力變化情況Fig.7 Variation of bed shear stress in different cases

凹岸坡面處(區(qū)域1)的壁面剪切力直接影響彎道凹岸的侵蝕速率。圖8顯示了無崩塌體和4種不同尺寸崩塌體存在時(shí)區(qū)域1內(nèi)壁面剪切力的分布及變化情況。從圖8可以看出,崩塌體堆積于凹岸坡腳后,斷面CS8處,崩塌體的存在會(huì)降低區(qū)域1的壁面剪切力；斷面CS12處,崩塌體對(duì)區(qū)域1的壁面剪切力影響不大；斷面CS13處,崩塌體的存在會(huì)增大區(qū)域1的壁面剪切力,僅在崩塌體臨坡面處較無崩塌體時(shí)有所減小,這與余明輝等[7]在180°彎道水槽中觀測到的崩塌體臨坡面上下游端附近坡面剪切力較無崩塌體時(shí)減小的現(xiàn)象一致。這說明,崩塌體的存在降低了斷面CS8—CS12區(qū)域1內(nèi)的壁面剪切力,增加了斷面CS12—CS14區(qū)域1內(nèi)的壁面剪切力。隨著崩塌體的尺寸的增大,凹岸坡面處的壁面剪切力的變化幅度也越大。

圖8 無崩塌體及不同工況下區(qū)域1壁面剪切力變化情況Fig.8 Variation of bed shear stress in region 1

圖9顯示了彎道凹岸(區(qū)域1)沿程平均壁面剪切力的變化情況。無論崩塌體是否存在,凹岸坡面平均壁面剪切力在彎頂后沿程的變化趨勢都是逐漸增大,直至頂沖點(diǎn)附近達(dá)到最大。崩塌體存在時(shí),平均壁面剪切力最大處上移至崩塌體尾部(斷面CS14)。相較于無崩塌體,崩塌體的存在對(duì)凹岸坡面沿程平均壁面剪切力的影響分為3個(gè)部分：① 斷面CS8—CS12內(nèi)凹岸坡面平均壁面剪切力減小,最小減小至無崩塌體時(shí)的0.75倍,其中斷面CS9為崩塌體的迎水面,水流結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,因此平均壁面剪切力的變化趨勢略有不同;② 斷面CS12—CS14內(nèi)凹岸坡面平均壁面剪切力迅速增大,并在斷面CS14處達(dá)到最大,最大增加至無崩塌體時(shí)的1.39倍;③ 斷面CS14—CS15內(nèi)凹岸坡面平均壁面剪切力迅速減小后逐漸增大至與無崩塌體時(shí)相同。這種變化趨勢是因?yàn)橐环矫姹浪w的存在使水流動(dòng)力軸線遠(yuǎn)離凹岸,并且減小了凹岸處水流的環(huán)流強(qiáng)度,從而使斷面CS8—CS12內(nèi)凹岸坡面平均壁面剪切力減?。涣硪环矫?水流動(dòng)力軸線經(jīng)過斷面CS12后,逐漸向凹岸偏轉(zhuǎn),崩塌體的存在減小了凹岸坡面區(qū)域的過水面積,使得該區(qū)域的縱向流速增大,從而使斷面CS12—CS14內(nèi)凹岸坡面平均壁面剪切力增大。因此可以認(rèn)為,在斷面CS9—CS14區(qū)域內(nèi),崩塌體堆積于凹岸坡腳,對(duì)凹岸坡面平均壁面剪切力的影響為沿程先減小后增大;而在斷面CS14之后,由于崩塌體的消失,崩塌體下游凹岸小部分區(qū)域內(nèi)(斷面CS14—CS15)流速較緩,凹岸坡面平均壁面剪切力迅速減小。在本試驗(yàn)的條件內(nèi),不同尺寸崩塌體對(duì)凹岸坡面沿程平均壁面剪切力的影響規(guī)律一致,均為先減小后增大。但崩塌體的尺寸越大對(duì)斷面平均壁面剪切力的影響也越大,其中,斷面CS14處不同崩塌體的尺寸對(duì)平均壁面剪切力的影響最大,剪切力相對(duì)變化幅度達(dá)到崩塌體截面積變化幅度的10%;而在斷面CS12處不同崩塌體的尺寸對(duì)平均壁面剪切力的影響最小,剪切力相對(duì)變化幅度僅為崩塌體截面積變化幅度的2%。因此,凹岸沿程平均壁面剪切力相對(duì)變化幅度為崩塌體截面積變化幅度的2%～10%。

圖9 彎道凹岸沿程平均壁面剪切力變化情況Fig.9 Variation of average bed shear stress in different regions

3 討 論

以往對(duì)于崩岸第三階段的研究中認(rèn)為,崩岸發(fā)生后,崩塌體堆積于凹岸坡腳,減小水流對(duì)河岸的基礎(chǔ)侵蝕。Kean等[20]認(rèn)為崩塌體將縱向大流速區(qū)域推離了凹岸,從而減小河岸上的壁面剪切力；謝亞光等[13]通過分析彎道不同部位的崩塌體對(duì)彎道水流結(jié)構(gòu)的影響,提出了不同的觀點(diǎn),認(rèn)為頂沖點(diǎn)上游的崩塌體會(huì)減小水流對(duì)河岸基礎(chǔ)的侵蝕能力,頂沖點(diǎn)下游的崩塌體會(huì)增大水流對(duì)河岸基礎(chǔ)的侵蝕能力。但僅討論了崩塌體對(duì)彎道凹岸整體侵蝕速率的影響,無法反映崩塌體對(duì)彎道凹岸沿程不同位置侵蝕速率的影響。

從本文的結(jié)果來看,崩岸發(fā)生后,崩塌體堆積于凹岸坡腳,不僅對(duì)彎道同一斷面不同區(qū)域內(nèi)侵蝕速率的影響不同,對(duì)彎道凹岸沿程不同位置侵蝕速率的影響也不同。事實(shí)上,崩塌體對(duì)急彎河道侵蝕速率的影響可分為2個(gè)區(qū)域：一是河床及凸岸坡面區(qū)域(區(qū)域3和區(qū)域4),崩塌體的存在增大了該區(qū)域內(nèi)的平均壁面剪切力,從而增大了水流對(duì)河岸的侵蝕速率；二是凹岸坡面區(qū)域(區(qū)域1),崩塌體的存在使該區(qū)域平均壁面剪切力在崩塌體頭部及其上游部分(斷面CS8—CS12)減小,在崩塌體尾部(斷面CS12—CS14)增大。另外,由于崩塌體的存在,凹岸坡面區(qū)域平均壁面剪切力最大的位置也由頂沖點(diǎn)附近移至崩塌體末尾處。因此,崩塌體的存在,降低了水流對(duì)其頭部及上游區(qū)域河岸的侵蝕速率,同時(shí)加劇了水流對(duì)其尾部區(qū)域河岸的侵蝕速率。針對(duì)二元結(jié)構(gòu)河岸崩岸第3階段中崩塌體對(duì)河岸二次侵蝕的影響,本文認(rèn)為,崩塌體堆積于近岸坡腳僅能對(duì)其頭部及上游區(qū)域的近岸起保護(hù)作用,而對(duì)其尾部區(qū)域、河床及凸岸區(qū)域,崩塌體的存在均會(huì)加劇河岸的沖刷侵蝕。

本文基于彎道三維數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果初步分析了不同崩塌體尺寸對(duì)彎道水力特性的影響,其影響規(guī)律適用于石首彎道,是否適用于其他形態(tài)的天然彎道還有待研究驗(yàn)證。另外,由于彎道水流的復(fù)雜性,不同的來流條件(流量、水位)及相對(duì)河岸高度等因素都會(huì)影響彎道水力特性。因此,需要進(jìn)一步的研究來說明不同影響因素間的相互作用關(guān)系及其量化方法。

4 結(jié) 論

針對(duì)二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌后崩塌體堆積在凹岸坡腳,以荊江石首河段120°彎道概化模型為例,分析了不同尺寸崩塌體對(duì)水流動(dòng)力軸線、縱向流速、環(huán)流結(jié)構(gòu)及壁面剪切力的影響。

(1) 崩塌體的存在使水流動(dòng)力軸線及縱向流速最大區(qū)域遠(yuǎn)離凹岸。

(2) 崩塌體的存在改變了彎道凹岸處次環(huán)流的方向,環(huán)流強(qiáng)度比無崩塌體時(shí)最大降低15%,不同尺寸崩塌體對(duì)環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響相似。

(3) 崩塌體的存在增大了彎道床面及凸岸坡面區(qū)域內(nèi)的平均壁面剪切力,最大增加至無崩塌體時(shí)的1.31倍。崩塌體對(duì)彎道凹岸坡面沿程平均壁面剪切力的影響不同,在崩塌體頭部及其上游,凹岸坡面的平均壁面剪切力減小,最小減小至無崩塌體時(shí)的0.75倍；在崩塌體尾部,凹岸坡面的平均壁面剪切力增大,最大增加至無崩塌體時(shí)的1.39倍。崩塌體尺寸的增大,會(huì)加劇壁面剪切力的變化幅度,剪切力相對(duì)變化幅度為崩塌體截面積變化幅度的2%～10%。