黄河源草甸型弯曲河流的崩岸机理与力学模型

Meadow meandering river is characteristics of typical composite bank constituted by soil-root layer and sand gravel layer in source region of the Yellow River, this made great differences in shear strength, anti-scouring ability and bank failure processes of river bank compared with single layer bank structure. Its bank failure is directly related to the grassland area change, lateral fluvial process and dynamic process of long-term river morphology of the Yellow River source region, so this research of bank failure mechanism and mechanical model of meadow meandering river have important practical significance and theoretical value. The project plan to take Zequ and Lanmucuoqu as the study object, and emphatically carry out scouring experiments of sand and gravel layer of different particle size range, in situ shear tests of soil-root layer and pull-out tests of single root of riparian vegetation, and through the combination with topographic survey by GPS-RTK technique. Some influences upon bank failure pattern, speed and size will be made quantitative analyses, the influence factors include bearing force characteristics of composite bank, scouring process of sand and gravel layer, erosion velocity and tensile reinforcement of soil-root composite. Moreover, it is to reveal and analyze the bank failure process and key factors, and establish the theoretical model considering freeze-thaw action and root system reinforcement. Our studies will deepen understanding of channel evolution of meadow meandering river and provide scientific references for channel protection and stabilization scheme in source region of the Yellow River.

黄河源草甸型弯曲河流由根土层和砂砾石层共同构成典型的二元结构河岸，河岸抗剪强度、抗冲能力、破坏过程等与单层河岸比较有明显差异，其发生崩岸直接关系源区草地面积变化、弯道的横向演变速率和长期形态动力过程，因此对其崩岸机制和力学模型的研究具有重要的实际意义和理论价值。本项目拟以黄河源区泽曲和兰木措曲为研究对象，采用室内外试验相结合的方法，重点开展不同河岸物质组成的砂砾石层抗冲试验、根-土层原位剪切试验和根系原位拉拔试验，并结合弯曲河道GPS-RTK地形测量，定量分析二元结构河岸的受力特点、砂石层淘蚀过程、淘蚀速率与根-土层抗拉增强作用对河岸崩岸模式、崩岸速率和崩塌尺寸的影响，揭示源区曲流崩岸过程及影响河岸崩塌的关键因素，并建立考虑冻融作用和根系加筋作用的崩岸力学模型。本研究将有助于加深对草甸型弯曲河道演变规律的认识，为黄河源区的河道保护和稳定方案提供科学参考。

黄河源区弯曲河流的崩岸速率与崩退宽度直接影响着弯曲河道的横向同步迁移过程，对弯曲河流的演变趋势和高原河流生态有着至关重要的影响。青藏高原黄河源区发育的弯曲河流，其河岸带覆盖着具有典型密丛型或根茎型根系的高寒草甸，发达的根系与土体相互缠绕形成坚固、紧密的根土层，与河岸下部砂石层构成典型的二元结构河岸，定量分析这种特殊类型河岸的崩塌机制和速率，为深入研究源区曲流横向演变趋势、三江源区河流生态恢复和河道保护措施提供科学支撑。本项目以黄河源区天然弯曲河流为研究对象，通过开展原位冲刷试验、植物根系原位拉拔试验和根-土体原位剪切试验，结合室内单根抗拉力学特性及重塑根土体冻融剪切试验，在明确高寒草甸型河岸植物分布及河岸二元结构基本物理、力学特性的基础上，定量分析了河岸砂砾石层抗冲性能和根土层抗拉性能，通过运用修正系数的WWM模型和FBM模型阐明了根系对土体的抗拉增强作用；明确了河岸坡脚淘蚀过程及速率、建立了考虑根系加筋作用和冻融作用的崩岸力学模型，并通过模型分析了河岸稳定性、河岸崩退变化；结合GPS-RTK技术实测结果对草甸型崩岸力学模型的有效性和可靠性进行了验证和率定；提出了源区优势护岸植物种及主要护岸措施。项目负责人先后于2019年11月入选青海省“高端创新人才千人计划”拔尖人才；2020年1月入选青海省“第十四批自然学科及工程技术学科带头人”；项目组主要成员李国荣先后于2020年11月入选青海省“昆仑英才•高端创新创业人才”；2021年2月入选青海省“第十五批自然学科及工程技术学科带头人”。共计培养硕士研究生4名、本科毕业生9名；在国内外学术刊物上发表论文18篇，其中包括 SCI论文4篇，EI论文2篇，授权国家实用新型专利3项。