弯曲河流颈口裁弯过程实验研究

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在冲积平原上弯曲河流长期演变过程中,凸岸淤积和凹岸冲刷驱动河湾不断地横向蜿蜒和纵向蠕动,自由发展的河湾经历形成、发展和裁弯的周期性演变过程。当河湾的演变发展达到极限状态,即平面上形成Ω型后,发生自然裁弯就成为大概率事件。自然裁弯是弯曲河流自身演变过程中不可缺少的一环,也是河湾演变过程中的突变拐点,包括颈口裁弯和斜槽裁弯两种情况,本研究专门关注颈口裁弯。颈口裁弯是高弯曲度Ω型弯道相邻的两个弯顶相距很近时,河曲颈变得很窄,在洪水漫滩或者近岸水流持续冲刷作用下,河曲颈口段被冲开或自然贯通成为新河道的过程。研究颈口裁弯发生的原因、临界条件以及对上、下游河道的影响对认识河流发展及水利工程建设具有重要意义。本研究以下荆江末端高弯曲度河道七弓岭连续弯道为背景开展宽体水槽实验,研究在不同水流和滨河植被条件下发生的颈口裁弯现象,分析裁弯过程和河道短期调整,探讨颈口裁弯的发生条件与机制。颈口裁弯实验包括3部分:恒定流量、阶梯流量以及植被作用下颈口裁弯实验。并结合数值模拟研究颈口裁弯不同阶段新河道分流的发展情况。主要创新性研究结果如下:(1)通过室内水槽中恒定流量条件下实验,实现河岸冲刷-贯穿型颈口裁弯,并对裁弯的过程进行观测研究。研究结果显示导致颈口贯通的原因是颈口上、下游两侧岸坡不断受水流冲刷而发生坍塌。贯通前颈口段的变化经历河岸崩塌阶段、冲刷侵蚀阶段和水流贯通阶段。裁弯前,颈口上、下游水流冲刷岸坡坡脚,使颈口宽度逐渐减小,颈口上、下游河道的水位和河床高程均逐渐升高。当颈口宽度减小至零并且上游水流越过颈口后,上、下游连通实现裁弯。颈口段侵蚀速率遵循高-低-高的变化规律,颈口贯通前河道演变发展较慢,临近贯通时岸坡快速侵蚀,侵蚀速率增加3.33-41.4倍,水流贯通在短时间内发生。(2)将阶梯流量和植被作用下实验过程中河段单位长度上水流功率的变化与河流最小能耗原理结合,从水流能耗的角度来分析颈口裁弯的发展。颈口裁弯是一个水流能耗逐渐调整的过程。当高弯曲度河道的相对平衡状态被外界条件打破后,河道开始离开相对平衡状态进入衰退阶段,向裁弯的方向调整,河段能耗(单位长度上水流功率)和弯曲系数均增加。当河段单位长度上水流功率达到极大值后,裁弯作为突变事件发生,对应河段单位长度上水流功率发生突变。根据实验总结在弯曲系数为7.0左右以推移质运动为主的高弯曲度河流上,由河岸崩塌引起的颈口裁弯临界条件是裁弯时河湾单位长度上水流功率值增加至0.051-0.110 N·s-1,与相对平衡阶段相比增加了3.6%-110.8%,弯曲系数增加了 1.2%-18.9%。裁弯后,新河道经历新河形成阶段和新河展宽阶段后,进入新的相对平衡阶段,直到外界条件改变后再次进入衰退阶段,如此循环。新河形成和发展阶段的能耗均处在较高水平,之后逐渐减小,相对平衡阶段的能耗最小,衰退阶段内能耗逐步增加。对河道条件类似的情况,裁弯时河段内单位长度上的水流功率值相近。(3)流量阶梯变化条件下,颈口裁弯的发生与过程、导致裁弯的原因和裁弯前颈口变化规律均与恒定流量下颈口裁弯现象类似,流量的变化不影响裁弯前颈口变化过程和裁弯后新河道的发展过程。流量较低的情况下,由于断面平均流速小于泥沙起动流速,颈口部位的岸坡不发生冲蚀,宽度不变;对裁弯的发生有贡献的冲蚀作用发生在中高流量时期。(4)植被作用下裁弯前颈口演变经历河岸崩塌阶段、冲刷侵蚀阶段、漫顶冲刷阶段和水流贯通阶段。植被的作用体现在:倒伏的植被茎干对岸坡具有保护作用,减小颈口河岸的冲刷速率,从而抑制裁弯的发生,增加实现裁弯所需时间;植被根系与泥沙组成根土复合体,减弱河道的冲刷强度,减小新河道的断面宽深比;滨河植被减小水面比降,进而增加泥沙起动所需的单宽流量,间接增加实现裁弯所需要的流量,因此,植被的作用等同于增加实现裁弯所需要的流量。(5)颈口裁弯过程的数值模拟研究结果表明,裁弯后新老河道的流量和流场均发生重分布,新河道分流比和宽深比均随裁弯的发展逐渐增加,二者呈线性正相关关系。
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