堆积体作用下山区河道三维水力特性及河床演变机理研究

Deposits caused by landslides and debris flows existed along the river bank, influencing the flow structure and inducing the adverse effects on sediment transport characteristics and river progress of the channel. Due to the deposits, the movements of both the water and sediment present 3D behavior apparently. Through a series of flume experiments, this project, therefore, is devoted to the research on the relationship of flow characteristics and three influence factors (the geometry, surface roughness of the deposits, and the hydraulic condition of the channel), and also to the analysis for the feedback mechanism of the river bed affected by the deposits. With visualization technical methods, several kinds of vortex can be observed and recorded, such as the horseshoe shape vortex. The number and distribution of these vortexes will alter when the boundary and hydrodynamic condition change. With respect to movable river bed, the critical condition for the non-uniform sediment of wide grade distribution will be discussed via the comparison for the contribution of the shear flow and the vortex. Finally, the scour and deposit patterns in river bed will be described due to the deposits in the river. Based on the flume experiments and the theory analysis, the three-dimensional mode of river flow will be established and the local scour mechanism can be revealed. This work will fill in the blank of the interaction principle of the deposit and river. These conclusions can enrich the hydraulics and sediment transport theory with complicated boundary and also provide the technique supports for the river regulation management in the mountain area affected by deposits.

滑坡、泥石流等形成的岸边堆积体对河道水流结构产生影响，同时将改变河道泥沙输移及河床演变规律。在堆积体作用下，水流运动与河床变形响应耦合作用，水沙运动具有强烈的三维特性。本项目拟开展系列水槽试验，通过对堆积体影响河段三维流场的详细测量，研究水流结构与堆积体尺度、堆积体表面糙度和河道水力条件之间的关系。利用可视化技术手段，观察和记录由于堆积体非线性边界而产生的尾涡、马蹄涡等多种水流漩涡，分析边界条件和水动力条件的改变对漩涡的影响。在清水冲刷条件下，通过分析床面剪切力和涡量场，探索宽级配非均匀沙的起动模式，研究堆积体作用下河床冲淤部位及强度的规律。在水槽试验和理论分析的基础上，建立堆积体影响下河道水流运动的三维图景，揭示堆积体附近河床的局部冲刷机理，填补河道与堆积体相互作用机制的研究空白。研究成果可丰富复杂边界条件下水沙运动理论，同时为高山峡谷区受堆积体影响的河道治理、防护提供理论依据。

河道堆积体会危及河道行洪及沿河居民生命财产安全。因此，研究堆积体作用下河道三维水力特性，进而研究其对上下游河道演变规律的影响，可为高山峡谷区受堆积体影响河道治理方案的优化提供技术支持。项目通过开展定床和动床的水槽试验，主要得到以下重要成果：（1）通过试验数据分析，总结得到堆积体与丁坝、桥台的绕流流场的不同特点。研究发现a)在进占宽完全相同的情况下，二维梯形丁坝由于存在第一回流区，导致实际阻流的面积更大，对上游阻流更强烈，一维方形丁坝次之，三维堆积体最小；b)当阻流流量相同时，阻流效果方形丁坝最强，梯形丁坝次之，堆积体最小。可见，常用于区分绕流结构体阻流特性的指标，如进占宽度、阻流面积比和阻流流量Q阻等，并不能全面表达结构体对流场的影响。（2）根据水槽试验数据分析，揭示堆积体河道的三维流场图景。堆积体附近影响河道水流可分为主流区、堆积体前滞流区、下游回流区以及下游过渡区。阻流流量比例的增加，上游纵向流速的下降越显著，水流转而向床面下沉；堆积体段相对流速加速速率更快，峰值越高，且存在上下两个流动方向相反的横轴环流；下游主流向左岸的偏转越剧烈，导致回流区获得的动能越大，而右岸主流流速降低越显著，虽然下游水流仍有向床面下沉的运动，但与上游相反，其速度随距离水面越近而越小。在下游相对距离0~1.5断面处，由于堆积体对水流的束窄和突扩作用导致出现水跃，紊动强度波动较大形成强紊动区，且随阻流作用的增加而增加。（3）揭示堆积体河道清水冲刷机理，建立最大冲深公式。根据试验测量数据分析表明：堆积体附近局部冲於范围的变化情况，同一流量下，堆积体的尺寸越大，冲於范围越大，冲坑越向堆积体中轴线上游发展，淤积向下游发展；对于同一堆积体而言，来流量越大，冲於范围就越大，冲坑越向堆积体中轴线上游发展，淤积向下游发展。建立了堆积体附近局部平衡冲刷深度的计算公式，并验证了公式相比较丁坝、桥台等代表性公式的适用性。