河道采砂坑演变机理研究

由于采砂不当可能对河势稳定、防洪安全、通航安全及水环境保护等产生不利影响，考虑上游建库等因素，下游泥沙资源补给减少也将影响采砂坑演变过程，因此开展河道采砂坑演变机理研究具有重大意义，该课题研究涉及洪水安全及局地生境演化等关键技术问题。主要研究内容包括：①资料分析：项目收集国内外河道采砂文献，分析采砂河段在采砂前后河床演变，研究采砂影响；②砂坑演变模型试验：首次运用CT技术原理（利用公益性修缮经费已引进一台最先进的医用CT机），连续精细观测砂坑演变过程，研究砂坑演变规律；③数学模型计算分析：研发采砂影响的二维、三维数学模型，利用实验成果或河道实测资料对模型进行验证，进行各种初边界条件下采砂坑演变的计算，研究砂坑演变机理及规律；为河床泥沙科学开采阈值、范围及准则的确定提供技术支撑。

本项目依托国家自然科学基金面上项目“河道采砂坑演变机理研究（51079008）”完成，成果如下：.1. 平面2-D水沙数学模型沙坑演变机理研究.目前对采砂进行具体的、系统的和定量的研究较少，其原形观测数据也很少，对河道采砂进行不同条件下的物理或数值是必要的。.运用平面2-D水沙数学模型，在理想矩形河道中研究了不同的河道进口水沙条件及沙坑边界条件，模拟了沙坑对上下游河床的影响，较全面地对比分析了各种情况下沙坑的影响并进行了定量计算，比较了沙坑对河床地形、河道水流含沙量、挟沙力以及流场等物理参数不同程度的影响。 .2．立面2-D水沙数学模型采砂坑演变研究.鉴于平面二维模型采砂坑演变研究局限，开发了立面2-D水沙数学模型，提出了河床坍塌时河床高程调整的数学处理方法。通过对无采砂坑河道进行的验证模拟试验，认为河道演变对于泥沙紊动扩散系数的改变很敏感。.选取 ，对淤积河段采砂坑工况进行了模拟，采砂坑上游进口段处于淤积状态，随着时间的推移，河床比降增加，流速变大，由于采砂坑的存在，最终形成类似沙波的河床形态；选取 ，对冲刷河段采砂坑进行了模拟，结果发现采砂坑的演变过程总体相差不大，区别在于处在淤积状态的河段采砂后，采砂坑上、下游河段均处于淤积状态；处于冲刷状态河段采砂后，采砂坑上游河段为冲刷状态，下游则出现淤积现象。采砂坑并非产生“沉沙”效应，相反，其产生类似“扬沙池”的作用。.为研究河床恢复相关的进口q，含沙量、悬移质和推移质级配和地形条件等影响，同一采沙区域相同采沙量，分别设计了不同来水来沙条件下，考虑泥沙级配及不同冲刷坑形式的模拟方案，计算分析并总结了关于淤积型、半淤积型、冲淤平衡型、半冲刷型、冲刷型等五种类型的采沙河段的各影响因素作用、沙坑恢复调整效果和推移质级配影响等，并据此提出了相应采沙方案。.3．泥沙颗粒水下休止角与内摩擦角差异化实验研究.根据目前的泥沙起动及水下休止角的相关研究，得出滑动起动与滚动起动模型的矛盾，进而对目前泥沙界广泛认同的泥沙颗粒水下休止角数值上等于泥沙颗粒水下内摩擦角提出质疑。本文分别进行了对泥沙颗粒水下休止角与内摩擦角的物理实验。试验表明：作为散粒体泥沙颗粒的水下休止角在数值上小于泥沙颗粒水下内摩擦角。.本项目实施共培养研究生3名，获湖北省自然科学二等奖1项，发表论文14项，完成了该基金项目预期目标。