水库降水运用中“跌坎”溯源冲刷过程及机理研究

As an important impact to profile and Sediment transport in reservoir, the process and law of headward erosion is very complicated. Be lack of field data and difficult to experiment lead to the deficiency of systematic studies achievement. To research the process and mechanism of headward erosion, the theoretical analysis and conceptual flume experiment were conducted. first，the relation and mechanical mechanism of headward erosion taken by the flow condition and soil characteristic has been studied. and then analyses the response influence between the key factors and the headcut，geometric features and the backward law, as also quantitative expression relationship. Finally a predication mode for headcut erosion and the sediment transport are extracted and applied to reservoir mathematic model. The research results would promote the development of river dynamics and raising the accuracy of the complex process of headward erosion. The theoretical value and application prospect of research results is important.

水库降水运用中，粘性淤积物溯源冲刷的主要发生形式为局部"跌坎"溯退，其直接决定库区河道形态变化与泥沙输运过程。由于"跌坎"滑塌土力学特性复杂、系统观测资料缺乏，其机理仍不明了，冲刷与输沙模式亦需完善。 本项目以水库降水运用中粘性淤积物"跌坎"溯源冲刷机理与计算模式为研究重点，在进行充分实测资料分析和理论研究的基础上，开展概化模型系列试验。研究"跌坎"溯源冲刷的完整过程及过程中的水土作用规律，建立冲刷与输沙过程的合理描述，揭示强水力条件作用下局部"跌坎"的蚀退与输沙机理；分析"跌坎"规模、几何特征及蚀退速度的关键影响因素及作用机制，探求定量表达关系；测定局部精细水力因子，推求"跌坎"滑塌力学条件、堆积形态及输沙过程的合理表达模式；在此基础上，将建立的计算方法嵌入已有水库数学模型，以黄河中游水库为案例进行系统检验与初步应用。 为优化水库运用方式、合理制定降水方案提供理论支撑和技术支持。

水库降水运用中，粘性淤积物溯源冲刷的主要发生形式为局部“跌坎”溯退，其直接决定库区河道形态变化与泥沙输运过程。相关研究者围绕“跌坎”存在情形下低侵蚀基准面下的河床溯源侵蚀开展了大量的研究工作。本项目针对水库降水冲刷过程中粘性淤积物的滑塌过程、土力学特性、力学机理，以及冲刷与输沙计算模式开展了深入研究，得到系列成果。（1）采取小浪底水库实体模型与实测资料分析相结合的手段，系统观测了粘性淤积物“跌坎”冲刷的完整过程，研究了水流条件、初始地形和水库运用条件对冲刷过程、冲刷量、冲刷形态及河势调整的影响特征，明晰了淤积物不同历时的力学特性以其对溯源冲刷效果的影响。（2）结合局部水槽概化试验和力学推导，观测了“跌坎”上下游水力因子，提出粘性淤积物“跌坎溯源冲刷”具有“跌坎蚀退”和“扇形辐射”两种基本形式，系统分析了该两种冲刷过程发生的力学机理，在此基础上，将“跌坎”冲刷划分为跌坎上游洲面、跌坎立面和跌坎下游冲坑3个区域分别研究各区域的冲刷机制。（3）基于严格水动力学推导了两种冲刷情形下的冲刷与输沙数学表达，建立滑塌的临界水力-土力条件条件、堆积形态及输沙过程的数学描述。研究成果可直接反应跌坎溯源冲刷的宏观过程特征和微观的力学机理，以及两种冲刷形式的控制与转换条件。（4）将建立的计算方法嵌入已有水库数学模型，以黄河三门峡和小浪底水库为背景进行系统检验，后期为优化水库运用方式、合理制定降水方案提供理论支撑和技术支持。在本项目的资助下，发表期刊论文5篇，专著1部，专利1项，奖励4项；目前尚有部分成果的论文在审稿中。