弯曲河道滩槽交互区水沙输移与驱动机理研究

An essential part of compound bend, channel-shoal interaction area plays a vital role in the bend evolution. It's regarded as one of the difficult issues in river dynamics. At present, researches of flow-sediment transport in compound open channel prevail over the research of that in the channel-shoal interaction area of compound bend. In this research, prototype analysis, generalized model tests and theoretical analysis are to be adopted to investigate the flow-sediment transport and its mechanism in the interaction area. Continuous bends with angles of 60 and 100 are to be set up in a 9m-wide flume respectively. The location of channel-shoal interaction area will be firstly quantified. In subsequence, the regularities of velocity distribution, flow distribution and shear stress distribution in the interaction area will be investigated by using fixed-bed flume. Since the velocity distribution is affected by detailed bed surface morphology, the influence of sand wave characteristics on turbulent flow on deformable bed surface will be examined. Furthermore, the regularities of flow and sediment transport under the influences of flood and low flow, vegetation, and shoal material composition will be explored by generalized movable-bed model tests. In conclusion, the flow-sediment transport and its mechanism will be summarized. This research is of great theoretical value and will enrich the studies on river dynamics and river bed evolution.

滩槽交互区是主槽和滩地之间的过渡区，是弯曲河道的重要组成部分。因其影响因素多，水沙输移与驱动机理相对复杂，是河流动力学中的难点问题之一。目前对明渠复式河道滩槽水沙输移的研究较多，但以弯曲河道滩槽交互区为研究对象，开展水沙输移研究的较少。本项目拟在9m宽水槽内分别塑造曲角为30 和90 的连续弯道，首先，对弯曲河道滩槽交互区位置进行界定；进而，通过定床水槽试验研究不同因素（曲角、洪枯水流和植被）作用下滩槽交互区流速分布、流量分配、剪切力分布等水流规律；考虑到细部床面形态对水流流速分布的影响较大，重点开展可塑床面条件下沙波特性变化对水流紊动的影响研究，继而，采用全动床概化模型开展不同因素作用下弯曲河道滩槽交互区水沙输移规律研究；最后，通过综合研究得到弯曲河道滩槽交互区水沙输移与驱动机理。本研究对于认识弯曲河道滩槽交互区水沙运动规律具有重要理论意义，其成果将丰富河流动力学、河床演变学的理论。

弯曲复式河槽水沙运动特性是在诸多因素综合作用下形成的，其不仅具有弯曲河道的特点，更由于滩槽是一个相互作用的系统，滩地的变化直接影响河槽的演变，河槽的调整也对滩地的稳定构成显著影响。弯曲复式河槽由于其复杂的边界条件增大了水流结构的复杂程度，目前此类问题研究较少，其研究对于天然河道演变及治理具有重要参考价值。本文在总结国内外研究成果的基础上，重点针对漫滩工况下弯曲复式河槽水流结构开展水槽试验研究。分析了漫滩水流条件下的流速分布、水流紊动的基本特性，并对典型断面水流紊动的各项异性特征进行了详细的分析。最后，从雷诺方程出发分析了弯曲复式河道滩槽水流动量交换的特点。得到以下研究结论：.1. 流速分布.⑴漫滩工况下，滩地区和滩槽交互区的水位沿程的变化幅度大于主槽区的水位变幅，水流漫滩后，中心主槽区水位最高点的位置分布在弯顶附近并随相对水深变化，表现为在低漫滩工况下偏移向下游，随着漫滩水深增大又返回上游。.⑵水流漫滩后，弯顶附近的主流区逐渐偏向滩槽交界区，并随漫滩水深增大而移向滩地区；弯道顺直过渡段的非主流岸附近滩槽水流的动量交换形成的回流结构具有“束窄”河槽作用，其使得非主流岸的滩地区出现负纵向流速且其沿水深的垂线分布具有较大的分散特性，增大了主流岸附近的纵向流速并沿水深趋于均匀分布。.2. 紊动特性.⑴三维紊动强度沿水深的垂线分布整体表现为在槽底附近迅速增大到最大值随后一直到水面附近趋于减小。滩槽水流的相互作用使紊动强度达到最大值的位置偏离槽底上移。.⑵紊动能的较大值主要分布在滩槽水流相互作用影响的主要区域即滩地区和斜坡区，二次流的沿弯道的发展促进了紊动能的沿程增大。.⑶雷诺应力的断面分布与纵向流速梯度有关，滩槽交界附近正负相反的雷诺应力极值核心区反映了滩槽水流动量的传递。.⑷滩槽水流的相互作用增大了水流紊动的各项异性程度，滩地区及斜坡区是滩槽水流相互作用影响的主要区域。.3. 滩槽水流动量交换.表观剪切应力的极值主要分布在滩槽交界附近且其两侧的滩槽表观剪切应力的正负值相反，这与断面滩槽交界附近的一对正负相反的雷诺应力极值核心区相对应。在顺直复式河槽中断面动量的传递主要是由主槽传递到两岸滩地，而弯曲复式河槽受弯道特有几何边界条件影响增加了动量传递的复杂程度，滩槽之间水流动量可能从主槽区传递到滩地区，也可能从滩地区传递到主槽区。