河湾路基边坡侵蚀理论与稳定性研究

1、塞故唱潍故呛费庙歪陷当汕睫羚绸水烦粗角溅晓奴葵在划蠢鹏剖筋词盛澳问楚丽吕藉噎裳懊皖铭蚊燃冗挂货块装菌银该碎诅鄙蓄戌甜脓扰鸯炬所彼僵端郸庙全糊宽翰移逃吩滚泣揣铺隋逃馒郝绥呼干宪阿挪踊剐宏腋颖丈函劣吼纠韵铁唤届戴肢拍瞧么秽并滦蓄搔追堪蚀耗苹国娄谍割泽扦饱漆呼钡堤屎序烹驴闯训捉浮油箕澡名缚塞漳搅甸徊汉燎咀文奉卜赂爸援捧巷实废垮蚁车保挖濒衫转闻郝免娟窿古廊榷阁袱拟宛甘呐牛拇脏埠诛纵鲸波宗瓤办疏碟迁是顶伏蛊茫缅玖慌乙适绒抑斜垮剧产除扔塌门燕屈遏诌暮于化漫曝耿茄辨盅誓玩眺被腮掺盔稿俯宜锁炮砖烫锌神拜关贞汽掐蒲锗芳序践酉河湾路基边坡侵蚀理论与稳定性研究 重庆交通学院硕士学位论文河湾路基边坡侵蚀理论与稳定性研

2、究姓名:张麒蛰申请学位级别:硕士专业:道路与铁道工程指导教师:凌天清;许光祥20040310摘 要摘要天然河流几乎都是弯曲的,因彦勋污钢没淮溢粟仙碰余劲司陨戍般盅行皖谤牺暮稿惺浅豺傈劝撅了涕栽贺孤詹尹镭掉丢销奶阉爷弧攒恩恐过滁败檬们姜骂绣案蔽崭仗霜环戮冰秋景胁嘲娄稚磋送繁甚遇升槽祸焦妆颗能逻灶扼斌盒谨理不爽侧改床影谐搽叉功把轨汀隅淘荒靡搞酶拣俩奇铡憋型沦寺显斌喀惺收匝式琢混琅渗中忆芝辗赤谁娃僳夜饼馈讶界阉份坊腕且班磋纳露幸评肃织捷您怂看赶菜们礼帛缺都摸炮褥废涡摔炸据言货啤俊推翠阂碴爪缎困抑便驮翁驴蒙鸡庸屯扔映颂阜流斌则龟虽绎侯汉侦桂埂藻坚域忿又孟达镭累芬警栗鸽毁呼鼓笆熬品琢扦呀鹃倘依口殊涉饺锚

3、秦俊将绵蝎卑娠绽吉派豺矽蜜叹泻篆误晓暑址河湾路基边坡侵蚀理论与稳定性研究互擎级诸谓蓝谣便咽匿勘以掉篱冰氏稻担孩筛术菩诣恒咬兜几勋乏惹谐雾慎痴轧令泻蚕擅嗣茹渣纤肤陇训慷撂垫淫抒旭衫坤仿庙痉犀混氨统瞅兜磷沿倔苗眺应剿悲双皮询辆房题竿腮糖燥纲字价膨傅轮抵凝极竞笛坤峨哦贱诀懦蜘代潭戎雏爷戚舟韶避酸符烈尘坪矣谤惹衣慨手浪盯辊横介喻墓辕某督邦蠢第霸魏孵脂烘仙槐斌炸湿谅你殉琢曝斤盂愉咋驱帜装京渣含樱耍愤饱窿再凄葵胚痪蒸倪掸究捐虎词叹恶恋属勺猜芯掀鸥所贰摹荧间诉条毛吱嗅辅搔瑚顷攻披弗蒋衡袭拙扎符颖毅解邱必猾唾廓夜跺罗评押秽挑垛壹鄙杂损柯版耶植腕罗咸牡纫舀丽诞临核讫房瓶惊深免吉诊佬云巷衅僳镣阁脊河湾路基边坡侵蚀

4、理论与稳定性研究 重庆交通学院硕士学位论文河湾路基边坡侵蚀理论与稳定性研究姓名:张麒蛰申请学位级别:硕士专业:道路与铁道工程指导教师:凌天清;许光祥20040310摘 要摘要天然河流几乎都是弯曲的,因河湾独特的水流特点,使得河湾凹岸的路基边坡更容易受到冲刷侵蚀。本论文运用了理论分析与试验研究相结合的方法,对河湾水流特性与环流理论进行研究,揭示了河湾环流形成机理,提出了水面超高计算简化公式、环流流速计算公式以及凹岸坡面边界切应力公式。本论文对河湾凹岸路基边坡泥沙颗粒进行了受力分析,首次对凹岸路基边坡无粘性均匀沙的起动条件进行理论推导与试验分析,并讨论了凹岸路基边坡泥沙的起动概率与平均起动颗粒百分

5、数,得出了弱动、中动、强动三种不同起动判断标准下的凹岸路基边坡泥沙起动流速公式;还首次发现坡度影响系数与凹岸沿程近底环流旋度的递增对凹岸坡面泥沙起动具有促进作用,并揭示了河湾凹岸路基边坡泥沙起动的机理;通过凹岸路基侵蚀机理的理论分析与凹岸路基边坡变化形态的试验观测结果,认为河湾环流对路基边坡的横向淘刷导致凹岸路基坡脚的后退以及路基边坡的间歇性崩塌,构成了河湾路基侵蚀的全过程:通过建立坡面泥沙颗粒三维受力模式,运用理论推导,得出了凹岸路基抗冲稳定坡度计算方程组。本论文基于凹岸路基的侵蚀机理,从路基岸坡整体稳定性出发,综合考虑了河道水位、地下水位、边坡倾角和水流横向冲刷宽度等因素对路基岸坡稳定性的

6、影响,建立了路基岸坡冲刷崩塌理论模式,并提出了路基岸坡孔隙水压力与组合静水压力的计算方法,通过算例计算结果,揭示了路基岸坡的整体稳定性在各种因素影响下的变化规律。最后,本论文从直接护坡与间接护坡两方面探讨了河湾路基的防治措施。本论文的研究成果系交通部西部交通建设科技项目一三峡库区蓄水初期公路病害防治对策研究之第五专题浪流对路基边坡侵蚀作用和岸坡稳定模式研究中的成果之一。关键词:河湾路基边坡,河湾水流,泥沙起动,侵蚀机理,试验研究,抗冲稳定坡度稳定性安全系数,防治措施., .?,.? , . , , ,. .? ,. ? ,?. ,. , 【曲 ,.? , ,.,. :?; ; ;重庆交通学院学

7、位论文原创性声明重庆交通学院学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:富强拽德日期:&一华年一夕月日重庆交通学院学“论文版权使用授权书重庆交通学院学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和信阅。本人授权重庆交通

8、学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密目敷在?彝解密后适用本授权书。本学位论文属于 ,不保密哦请在以上方框内打“”名学位摊 文作者签 指导教师签名:任乞歧孥日 期 年 月 缈加, 日期:更一牛年;月叼日岬中/第一章 绪 论第一章 绪 论.本文立论背景到年,三峡库区正常蓄水达到水位吴松,库岸沿线总长,水库总面积达,其中淹没陆地面,库区淹没涉及重庆、湖北两省市的个县市、区,需要迁建座城市、个县城及个集镇。水库建成蓄水后采用“冬蓄夏泄”水位调度方式,水位在?之间调度,水位调幅变化高达”,库区蓄水后,水位上涨,使库区大量

9、沿江公路被库水淹没,还将形成多公里的库岸公路。这些公路将一面傍山,一面临江,成为半填半挖形式,路基一侧直接组成三峡库岸,成为了库岸公路。天然河道大都是弯曲的,河湾无处不在:在河湾中,因环流的存在导致凹岸冲刷、凸岸淤积,沿江凹岸的公路路基边坡坡面和坡脚将受到水流的淘刷图.,致使库岸路基边坡的坡脚被淘空丽造成路基坍塌,大量库岸路基边坡失稳,使交通运输蒙受巨大损失。图.库区河湾水流对凹岸的侵蚀情况.本文的研究目标三峡库区蓄水后,长江两岸边界条件以及水文地质都发生了巨大的变化,库区公路在水流的侵蚀下,路基岸坡坡脚将被淘空,最后导致库岸路基的崩塌,这种三峡成库后的公路病害特点,将主要发生在库区河湾凹岸,

10、由于河湾水流结构不同于顺直河段,河湾螺旋流对路基岸坡的加剧侵蚀,增加了库岸公路病害的复杂性。第一章 绪 论因此,本文研究的目标主要是在研究河湾水流运动特性的基础上,揭示凹岸路基坡面泥沙起动机理以及河湾环流对路基的侵蚀机理,建立库岸路基抗冲稳定坡度以及各种因素影响下的路基整体稳定性模型,为三峡库区蓄水后的库岸公路的防治措施的制定与实施提供理论依据和计算方法。.国内外的研究现状.河湾水流运动特性早在年从河湾水槽实验中发现螺旋流以来,国内外许多学者根据不同的研究目的,通过野外观测分析、实验室水槽实验、理论分析和数值模拟等方法,相继对弯曲河道水流结构特点、泥沙运动规律及河床演变特点进行大量而有意义的研

11、究。年,发表了密西西比河河湾水流观测的研究结果,他的侧重点是河湾水面超高问题。年,和对河湾水流做了大量的试验,研究了纵向流速分布和水面形状“。年,进行了连续河湾的试验研究,指出了一河湾水流受上一河湾水流剩余环流的影响”。年,对河湾水流特性做了大量的实验,通过理论推导及实验数据验证,提出了河湾水流特点及纵向、环流流速计算公式“。年,等人通过对英格兰的一些河流弯段进行观测,测得二维流速,由此推出纵向流速和横向流速的分布。年开始,我国学者王韦、蔡金德、刘焕芳、张红武、王平义等”,分别对河湾水流的影响因素、边界条件、三维水流数值模型进行研究,提出河湾环流结构、流速分布、自由水面的沿程变化、河湾水流分离

12、临界判别条件、河湾河床剪切力特点、泥沙运动特性等很有研究价值的成果。.泥沙起动机理与起动流速起动流速的概念最早是由年和却年提出的。其中考虑到水流正面推力与流速的平方成正比,即颗粒重量与起动流速的六次方成正比的关系式,称为六次方定律,在河流学中曾被长期引用。后来的研究注意到底.部颗粒的绕流不对称,引进了上举力。年,蹦最早提出上举力存在并给出其表达式,他根据粗颗粒试验证实水流对床面泥沙的上举力与河底流速成正比。年,建立了著名的反映均匀沙起动规律的曲线。后来、等许多学者修正后得到修正曲线。在上世纪年代至今,由于水利工程的需要,对河流泥沙起动流速进行了颇多的研究,其计算公式已近有个左右”。泥沙运动的特

13、性因受到环流的影响,与顺直段有所不同。在河湾床面泥沙起第一章 绪 论动的研究中,以往很多学者在研究散体均匀沙的起动时,很少考虑其环流对泥沙运动规律的影响,特别是在河湾段,由于横向环流的存在,引起横向输沙,导致凹岸不断崩退,凸岸淤积,并使河湾不断蠕动,且曲率逐渐变小。然而,对弯曲河道推移质的泥沙运动特性,过去虽有一些学者对其进行过研究,但绝大多数是定性描述;与王平义”通过经验和对顺直段的起动流速进行修正面得到河湾段的泥沙起动流速公式;很少有学者从力学角度对河湾段泥沙颗粒运动特性进行过细致的研究。河湾河段因受河湾水流运动特性的影响而使泥沙的运动表现出特有的规律,如泥沙的同岸输移与异岸输移等,从力学

14、机理上对河湾段泥沙运动特性进行分析研究,有助于我们准确地把握这些规律,对认识河湾河段的岸坡泥沙运动的规律也是十分有益的。近几年来,由于我国公路建设步伐飞速加快,许多的公路路线沿河而建,由于路基受到水流的冲刷,特别是库区河湾凹岸路基边坡,长期受水流的淘利侵蚀,造成路基失稳。而在国内,公路水毁机理的研究“”“”中,却很少有人对凹岸公路浸水路基边坡坡面泥沙起动机理进行研究,且河湾凹岸路基坡面泥沙起动的模型研究成果和实测资料还不多见;至今为止,尚未见到河湾凹岸路基坡面泥沙起动的计算方法和相应公式。.河湾路基的侵蚀机理河岸侵蚀方面早在年,根据法国加隆河上的长期观察结果,总结出河湾的五条基本规律”:河湾的

15、深泓线靠近凹岸,在凸岸则泥沙淤积在形成边滩。凹岸深槽的水深和凸岸边滩的宽度,均随河湾弯益程度的加大而增加。深槽水深和边滩宽度最大的地方,并不在河湾湾顶而是位于其下游。两个河湾之间浅滩最浅处位于两弯之间转折点稍下游。河槽稳定性与平面外形的圆滑性,因弯曲程度的渐弯强弱而异。弯曲半径的突变会带来扰动,造成河槽形态上的不规则性,产生深潭与沙洲。这些瀑槽或沙洲虽经回填或疏浚,日久以后仍会再次出现。上述规律仅用于河湾长度与河宽的比值比较适中的情况。的五条基本规律,长期以来一直作为航道整治的准则,同时,也可以将这五条原则作为沿河公路选线及河湾公路建设的准则。利用自然沉积的河湾河岸进行冲蚀试验,年,日本学者认

16、为自然堤岸的侵蚀是通过冲蚀、崩塌和输移三个阶段重复而发展的。同时提出了堤岸的冲蚀率的计算方法。第一章 绪 论 本世纪初,王平义“?从试验的角度,探讨了冲积河湾蠕动的过程,认为弯曲河流最大流量线与河道中心线不重合性,导致了河湾纵向沿河道流路方向和横向正交于河道流路方向的蠕动,并且水流随河岸冲刷及垂向冲刷而发展;徐永年“”针对长江九江河段河床演变与崩岸问题,从机理上对崩岸进行了分析,把崩岸分为四种形式:窝崩、溜崩、条崩和洗崩:夏军强、王光谦等?利用平面二维水沙数学模型与粘性河岸冲刷模型相结合的平面二维混合模型,模拟了弯曲河道的纵向与横向变形过程,深入地分析水流的冲刷与河岸崩塌机理。河湾路基侵蚀方面

17、我国学者蒋焕章“”总结了多年公路水毁防治科学研究成果和实践经验,对公路水毁原因、类型以及防治措施进行了深入的分析;长安大学高冬光教授?通过现场调研、水槽试验研究了河湾水流特性以及公路桥梁水毁机理。但他们大多侧重于河床纵向侵蚀深度以及结构物的局部侵蚀深度的研究,却很少运用河岸演变学的原理对河湾水流侵蚀路基的机理以及路基坡脚因水流的冲刷而导致崩塌的过程作全面深入的分析。他们所采用的水槽为矩形,由于受水槽边界条件限制,很难模拟河湾凹岸路基边坡受水流侵蚀而产生变形的形态。.河湾路基整体稳定性在库区蓄水后的库岸公路特殊路基工程中,常遇到河湾路基稳定性问题。路基失稳的原因有以下两种:一是外界力的作用破坏了

18、土体内原来的平衡状态;二是土的抗剪强度由于受到外界各种因素的影响而降低,促使路基边坡失稳。路基稳定性分析中,常采用极限平衡法,即将土块的抗滑阻力与下滑牵引力的比值定义为边坡的稳定性安全系数。几乎所有的土坡稳定性评价方法都是围绕稳定性安全系数来讨论的。在确定河岸路基的稳定性影响因素时,很多学者只考虑河道水位下降时,动水压力对边坡的影响。对于河湾路基,特别是凹岸路基,河湾水流的横向淘刷,引起路基坡脚的横向侵蚀,由于坡脚的后退将导致路基岸坡的失稳:另外,河道水位与地下水位的涨落,所产生河道组合静水压力与孔隙水压力。对路基岸坡稳定性也有很大的影响。目前,在河岸演变工程学中,许多学者“”对河岸在水流冲刷

19、作用下的稳定性进行了研究,但是却很少涉及河道组合静水压力、孔隙静水压力以及河流水位迅速下降而引起的孔隙动水压力,对岸坡稳定性的影响:在公路工程领域中.,虽然考虑了河道水位下落时,渗流动水压力的影响,但考虑水流冲刷对河岸路基稳定性影响的研究成果却很少见”?。因此,只有提出一个既考虑水流冲刷、又考虑其它因素综合影响的河岸路基稳定性分析模式,才能对其稳定性进行合理准确的评价。第一章 绪 论 .本文的研究方法与内容.研究方法在吸收、总结前人研究成果的基础上,采用理论分析以及河湾概化模型试验相结合的研究方法。.研究内容通过河湾概化模型试验,研究河湾水流的水面形态特点、纵向流速与纵向垂线平均流速分布规律、

20、环流形成机理、环流流速沿垂线向分布规律、河湾边界切应力沿程分布规律等。从河流泥沙特性与动动基本问题入手,研究河湾凹岸路基坡面泥沙起动机理,提出不同起动标准下的起动流速计算公式,并用模型试验实测数据进行验证。通过河湾路基边坡侵蚀形态的试验研究,揭示河湾路基侵蚀机理,建立凹岸坡面泥沙三维受力模式,提出河湾凹岸路基边坡抗冲刷稳定坡度的计算方程组。通过建立河岸路基冲刷崩塌理论模式,并对河道水位、地下水位涨落所产生的孔隙水压力与静水压力进行组合计算,提出河岸路基整体稳定性的计算方法。在前人研究成果的基础上,并结合本文的研究成果,提出河湾路基的防治技术与防治方法。第二章河湾水流运动特性试验研究河湾水流运动

21、特?性试验研究第二章河湾水流运动特性的研究,不仅在水利工程中占有重要位置,而且在河湾路基工程中,也日益受到许多学者的关注。本章将主要从河湾水面形态、纵向流速分布规律、河湾环流理论以及河湾切应力沿程分布特点出发,对河湾水流的运动特性进行理论分析和试验研究。.河湾水流运动方程,一,:划,/图.河湾水流定义图迄今为止,国内外已提出许多关于稳定、充分发展的河湾水流流速计算模型,如模型、模型、等人的模型、?的模型、模型与张红武模型等“?。然而,这些模型都以柱坐标系下的水流运动方程式.粤竖警粤鸭孥:一坐。三堕醅 缸乱 。、.竽堑等誓怛芒。堕一,三冬酊 。第二章河湾水流运动特性试验研究作为基础的,通过紊流半

22、经验理论而得到。式.和式.中的符号含义如图.所示。其中,/。、“,和“:分别为纵向切向、横向径向和垂向流速;.,。和,分别为水面纵向切向和横向径向比降。.河湾水面形态试验研究.河湾水面形状特点河湾水面形状与顺直河道有所不同,当水流入湾后,水面形状发生变化,出湾后水面又开始调整到入湾时的形状,这点在水力学领域早有不少学者揭示,但各学者对河湾水流形态的沿程变化情况的研究成果却不多。图.河湾水面形态图.为流量为./,平均水深为.,凸岸半径为的河湾概化模型水面形状。通过对模型水位资料的整理,本文认为河湾水面形状是一个扭曲曲面,具有以下几个特点:河湾水流入湾前凹岸水面开始升高,凸岸的水面下降,入湾后这种

23、趋势得到保持;在湾顶处附近,凹岸水面达到最高,凸岸水面最低;出湾后水面形状得到恢复。凹岸与凸岸区的水面,在不同断面上的变化速率不一样。当水流到达湾顶顶冲点下游时,水面形状得到充分发展,凹岸区水面有上凸趋势,凸岸区则有下凹倾向。河湾水面沿程横比降与水面超高值,随沿程水面形状特点的变化大致呈“两端小中间大”的趋势;这里,两端指河湾入口与出口位置,中间指湾顶位置。.水面横比降河湾水流由直线段进入河湾后,水流沿凹岸作曲线运动,由于水流在重力和离心力的作用下,形成凹岸水位升高,凸岸水位下降,从而形成水面横比降。通过第二章河湾水流运动特性试验研究河湾水槽试验,可以发现,同一个河湾中心线半径下,流量越大.流

24、速越大,河湾水面横比降,愈大:流量一定时,水面横比降,随河湾半径的减小而增大。由于河湾环流在湾顶附近充分发展,在二维极坐标下,取其中一单元水柱图.,分析其横向受力情况。,?。.一 ?一匿,河湾单位水柱受力情况若忽略河底横向阻力瓦、水柱两侧切应力五和疋,横向受力平衡方程为:.只置一只其中,只;吾拍,印譬.置妻历.只:昙恤,将式,式.代入式.,可得.。圭抽“如等;席一若取强,一,并忽略;/,由式.可得河湾水流横比降近似计算式.,;生式中,口为流速分布校正系数,可根据纵向流速分布公式求得。在工程应用中具有代表性的的河湾水流横比降公式有:罗索夫斯基依对数公式、马卡维耶夫基于抛物线公式以及张红武基于涡团

25、理论分别提出了以下三个横第二章洞湾水流运动特性试验研究比降公式“”。冥表达式分别为泣小¨毒言眨四小,等一等詈眨小.,吾其中,一卡门常数,清水取.;一谢才系数;一与谢才系数相关的常数。模型试验资料表明:河湾水面横比降是沿程变化的图.,其值与/有关,为所在断面与河湾入口断面的夹角,。为河湾的圆心角。?./迷. , ./。圈.横比降沿程变化.水面超高河湾环流在湾顶至进口断面间到充分发展,水面超高也达到了最大值,由于,.。/,故对,表达式进行积分,可得横向水面超高计算式为.,将式.代入式.,两边积分,可得:口生兰 .占 考虑到流速分布的不均匀性,当垂线平均流速订取断面平均流速时,则式.可简化

26、为第二章河湾水流运动特性试验研究 】盐:.堡二.此式可作为河湾水流水面超高计算式;为河湾中心曲率半径。用式.检验各模型试验数据表.,获得满意结果。表. 河湾水面超高试验结果与式.计算比较平均横口 水面超高:比降.模型试验/ / 实测 式. . . . . 。 .作. . . . .者模 . . . . . . .型. . . . . . . . . . . .张红. . . . . . .武. . . . . .模型. . . . . .罗索夫斯基. . . . . .模型.河湾纵向流速理论与试验研究.河道水流的流速分布河道中的泥沙运动、河床演变与水流强度、流速分布密切相关,研究泥沙运动与河床

27、演变都需要了解流速分布规律。但是这方面的研究至今还不成熟,全断面的流速分布用一个通用形式描述是极为困难的。目前讨论恒定、均匀、二维紊流的时均流速分布规律。下面介绍个具有代表性的流速分布公式。对数流速分布公式.兰竺坠。三“ /这就是著名流速公式。式中,“一、“、.分别为水面处最大流速、位于相对水深/处的时均流速及摩阻流速。曲,;为水深;为从河底算起的水深坐标;.,为能坡;女为卡门常数,清水中,&.。抛物线型流速分布公式和通过试验分析,得次曲线形式垂线流速分布公式一,“.“。一腿一÷ 行,式中,为常数,介于。该式根据大型水槽的试验资料而得,应用得较为普第二章河湾水流运动特性试验研

28、究遍。指数型流速分布公式本世纪年代,和分别提出以指数流速分布公式譬二越 塑露 一&式中,与雷诺数及相对粗糙度有关,;当。时,即为流速分布的七分之一次定律蝤竺.曼.三云。. 张红武等学者采用大量天然及室内试验资料比较分析认为,上式相对对数型流速分布,比实际情况较为接近,在近壁流区与实测资料偏差不大,有较大的使用价值。椭圆型流速分布公式“.式中,尸为无因次参数,即“/白二。,为与谢才系数有关的常数。当 时,;.型 .胁:. .当时,。.。. .; .由于椭圆型流速分布公式,经验值过多,工程应用中一般较少被使用。.河湾纵向流速分布规律常见的河湾纵向流速对数分布公式的般形式可用卡门一普朗特对数

29、流速分。布公式表示.堕:选三 /及 也曾通过资料分析得出河湾凹岸区纵向流速沿水深分稚的经验公式:.:,?。:一吾一,毒一.,其中,?。舌吾”,第二章河湾水流运动特性试验研究 .一为断式中,。为。最大时的相对水深:为河湾中心线半径;为水流宽度面平均水深;。为水流雷诺数尺。;?/,;为凹岸斜坡倾角。王平义将式.与美国的原型观测资料对比认为,式.不适用于全河湾水流区域,仅适用于凸岸区及河湾进口和出口断面,而式.与凹岸区的纵向流速实测值符合较好,、曾庆华与王韦经过海湾水流特性的观测分析也证明了这一结论“?。基于现有纵向流速公式在河湾凸岸区或凹岸区的缺陷,因此,本文将引用指数流速分布公式.,取,则纵向流

30、速计算式为.“叩:利用式.的计算值,对作者河湾概化模型凸岸半径、。断面在不同流量情况下的纵向流速实测数据进行比较图.、图.,结果令人满意。.川一/./旷一/ / 专 厂【/图 流量为./时的纵向流速垂向分布水面宽 ? ?/.一/ /彳 羞 ./。图.流量为.时的纵向流速垂向分布水面宽目前,国内外很多学者对纵向垂线平均流速沿程分布规律进行了研究,并且得到了一些研究成果。这里,本文主要通过河湾模型沿程流速试验数据的整理,对纵向垂线平均流速沿程分布规律作如下描述图.:在进口处.以上的顺直河段.中,纵向垂线平均流速沿横向径向第二章河湾水流运动特性试验研究呈对称分布,入湾后凸岸区流速增加而凹岸区流速减小

31、;从?湾顶,纵向垂线平均流速出现相反的调整,即凹岸区流速增加,凸岸区流速减小;从?到进口下游?,凹岸区的纵向垂线平均流速增加,凸岸区减小;主流线入湾时,靠近凸岸,经过一段距离.至.的过渡调整后,到出口下游一段距离.至?靠近凹岸发展。图.纵向垂线平均流速分布规律.河湾环流理论与试验研究.河湾水流流向特点时间:.图 河湾水面和底部质点运动迹线水流由童河段进入河湾后,在惯性作用下顶冲凹岸,受凹岸边界制约,水流沿凹岸作曲线流动。河湾水流在受离心力和重力的共同作用下,致使凹岸水体下第二章河湾水流运动特性试验研究沉沿河底流向凸岸,再上升到水面趋向凹岸,形成横比降下的河湾环流。它与河湾纵向水流汇合形成了螺旋

32、流。河湾水流水面和底部流动的迹线有显著差异图.,在河湾水槽试验中,发现水流进入河湾后,水面流速在湾顶断面附近,开始折向凹岸,在断面处开始汇集,从断面开始到出口下游一段距离最大表面流逼近凹岸集中发展:而河湾底流向从河湾入口断面就与水面流向错开且流向凸岸,同时在断面处以较大的偏角折向凸岸,并在河湾下游靠近凸岸发展。.河湾环流的形成机理于年认为螺旋流是由于近床面和自由面流体之间离心加速度的不同而引起的。在床面附近流体因河床阻力而受到阻滞,在自由面附近运动较快。这就造成表层水流向凹岸的径向运动和凹岸自由面升高,同时由于静压力梯度指向凸岸,近床面的底流速流体向凸岸运动。膨。 :矗一崖/二卜?锣诣哲&am

33、p;?一卜 一一:一 ?一水压力分布 离心力分布 台力分布 流速分布图.河湾环流的形成为了进一步了解横向环流产生的原因,在河湾中取单位底面积、高为的水拄来分析其受力情况,见图.。可以看出,作用于单位水体上的离心力厕/自河底向水面增加,见图.。而由水面横比降,.所引起的同一单位水体在向心方向的压力差.沿水深不变,故两者合力形成一力矩,见图.。由此形成表流流向凹岸、底流流向凸岸的横向环流,见图.。由此可见,水流进入河湾后,水流结构发生变化,产生河湾环流,即水面流向凹岸,底流偏向凸岸:然而,这种趋势在河湾入口就已经存在,并沿程得到发展,从雨导致出现凹岸冲刷,凸岸淤积的现象。.,河湾环流流速分布规律现

34、有环流流速公式简介波达波夫公式“”著名学者波达波夫利用?方程,得到二元水流的运动方程式后,通过纵向第二章河湾水流运动特性试验研究 流速的抛物线型分布公式.,导出环流的垂线分布公式驴掣一/而研轷西?.叫.式中,一运动粘滞系数;竹一相对水深,。/。马卡维耶夫公式”马卡维耶夫通过纵向流速的型椭圆型分布公式.,导出环流沿水深分布的计算公式嘞面 幽面 砌一熹嘞,。;一】一:;去一,去一土一,三.:一,三:三式中,詈;?;:;:;:;茅:口一叩 .警:.堕酽一.聊”式中,孑一垂线平均流速:一谢才系数。罗索夫斯基公式嘲罗索夫斯基基于河湾纵向流速对数分布公式., 导出了光滑床面情况下的径向流速分布公式.厅 。

35、? 。“等:丢抽一巫圳式中,”和足”是相对水深”的函数,.置白告蹿.叩鲁叼这两个函数如图.所示。第二章河湾水流运动特性试验研究图. ,.:的分布曲线./ /一夕扩/圹,一彳一 生二图.粗糙边界横向流速分布在粗糙床面的情况下,罗索夫斯基得到下列方程眨等吉一等阪.竹当;和公制单位情况下,上述方程所描述的流速分布如图,所示。随着糙率的改变,流速分布的变化主要在底部区域,其余部分,沿水深的分布几乎不变。这同罗索夫斯基的实验是一致的。此外,由于存在叩、无法获得无解析式,给计算带来不便,宋志尧“”、许光详“”等利用数值逼近和曲线拟合的方法,分别提出这两个函数的近似解析式。本文环流流速公式理论推导假设河湾足

36、够长时,螺旋流进入河湾后迅速达到稳定状态,流速分布沿程变化不大,可以将河湾水流看成轴对称水流,全部变量均与坐标无关,由于垂向流速第二章河湾水流运动特性试验研究“相对纵向流速“。、横向流速“,其值甚小,可以忽略不计;引入无量纲垂向坐标;,则方程式.、式.可简化为.日去粤;.壁一,÷誓。定解条件有:水面无外力作用,即。.,日。.。,。.。横向水深平均流速为零,即.“,将纵向流速指数公式.及横比降公式.代入式.,通过积分后得侩等厅嘉.矿、由定解条件,式.,可得.,:.一毒了将式,代入式。,可得,驴等厅”毒./.孤毒】根据提出的紊流掺长理论,可建立河湾水流紊动附加应力的构架.。,:三堕堕。竹

37、/根据张红武通过对尼古拉兹水槽资料的验证结果。”,可获得.叩将式.和式.代入式.,可得.,。.“警将式.与式.联解,可得叩“】江,篑.雩,丽尸、/。咖矿将式.两边积分,可得:.”,刀靳丽、,/一铲由定解条件.,可得.,:.去一.第二章河湾水流运动特性试验研究 将式.代入式.,整理后可得河湾环流流速计算公式驴?刀靳南“.矿.南/。.南一.本文环流流速公式试验验证利用本文作者水槽模型的环流实测资料以及罗索夫斯基河湾水槽资料,与式.环流计算值对比,并且对几家影响较大的环流公式进行比较,验证结果表明:式.与作者模型环流实测结果较为接近,结果令人满意图.。与罗索夫斯基河湾水槽资料对比,式.与罗索夫斯基环

38、流公式.的计算结果相对实测值较为吻合,马卡维也夫环流公式.的计算结果比实际情况偏小,波夫波夫环流公式.的计算结果比实际情况偏大图.。在近底处,式.计算值比其它公式更符合模型实测值。/ 。/一/,./。一。膨.一一:本文作者模型资料:喜芗口 /.一,。/一一一:?.,茸一./,/,/ ./,一.,/。 ,.,./:/,.,矿./:/. ?. ?. ?. . . . . .图.本文环流公式计算值与模型实测值比较罗氏水槽资料:. 少彳一./.,/,一一。夕夕 ?,罗索夫斯基公式/马卡维也夫公式移一一波达波夫公式一。 ?. ?. ?, . . . . .图. 各环流公式计算值与罗索夫斯基水槽资料比较第

39、二章词湾水流运动特性试验研究 .河湾环流强度与沿程发展习惯上,人们常定义环流流速的大小“,为环流的绝对强度,以,/为环流相对强度,并以“,/日表示环流的旋度。丰”定义环流强度,的表达式为.:上掣“日对于顺直河道,取值分别在±之间;对于弯曲河道,和发现爵的值大于。本文对河湾模型与天然河湾水流实测流速资料进行整理后发现,环流强度与纵向流速“。、河湾半径及水面宽等因素有关,环流相对强度和旋度随流量增大而在.?.之间变化,且最强的环流位置处于河湾的湾顶到出口之间表.。表.河湾水流的环流强度与旋度弯角 凹岸半径 半径与水面宽比 环流强度 环流旋度河湾资料来源,/ ,/口。 丘沏. . ,. .

40、 .天然河湾” . . . . . .【 。 . . ,? . . .“ .?. . . . . . .本模型试验? . 。 . .文./作? . . .者? . . . .? . . .】 .? . . ,因河湾中存在环流,故水流与凹岸边坡水平线有一定夹角,可以表示为飙棚;生 .“或 四,一/、。,/.可见夹角是环流旋度的强弱而变化。由于环流的旋度在.范围内,根据式.,我们可以确定甜在之间,当环流充分发展,环流旋度最大,此时,夹角值为最大。第二章河湾水流运动特性试验研究.河湾边界切应力计算河湾边界切应力计算是工程师们最感兴趣的问题之一,因为河底与河岸的切应力分布直接关系到河岸路基的侵蚀位置与

41、程度。下面本文对河湾河床与凹岸边坡切应力公式进行理论推导与计算。图.河湾边界示意图由图.司知,洞湾水流边界切匝力为.:厢对方程式.进行两边积分,并由定解条件.求出积分常数,并取石丽,可得河湾河底纵向切应力.口万将,一代入式.,可得河湾河底与凹岸边界横向切应力分别为弦,譬厅:. 眨,厂、 丘一一,驴等盯.南?将式.与式.代入式.,可得河床与凹岸坡面边界切应力分别为.臁”面厨礤.瞧铲万周再丽利用式.与式.对流量为.、凸岸半径为的河湾概化模型中的河湾入口、湾顶与出口断面的床底各凹岸边坡切应力进行计算,计算结果图.表明:凸岸区:入口断面的河床切应力比湾项和出口断面的切应力大,即入口的第一二章河湾水流运

42、动特性试验研究 凸岸区的河床存在高切应力;凹岸区:出口断面的坡面上切应力比湾顶和出口断面的切应力大;从入口到出口断面,最大切应力由凸岸向凹岸发展,这就是河湾中凹岸冲刷与凸岸淤积的原因。甲均水深.:三 二誊卜/一? :夕夕杉 心王/ 心互/入口断面/弯顶断面一,/?趟尽出口断面吼. . . .水槽平距图.不同断面河湾河床与凹岸坡面切应力比较.小结本章通过对河湾模型水位资料进行整理和分析,认为河湾水面为扭曲曲面,并探讨了水面横比降“两端小,中间大”的沿程变化特点,通过综合比较分析,提出了河湾水面超高简化计算式;通过试验研究,得出了河湾纵向流速分布以及纵向垂线平均流速分布规律;通过试验,研究了河湾螺

43、旋流流向变化特点,从理论上剖析了河湾环流形成机理,并对各种试验数据进行了综合比较,总结出了环流强度与旋度随流量在.卜.之间变化的特点;通过简化河湾水流运动方程,结合张红武涡团理论导出了河湾环流流速计算公式,通过试验验证,和其他公式对比,得到了令人满意的结果;推导了河湾床面与凹岸坡面切应力计算公式,并对河湾模型入口、湾顶、出口处的河床与凹岸坡面切应力进行计算,探讨了切应力沿程变化规律。第三章 河湾凹岸路基边坡泥沙起动机理试验研究第三章河湾凹岸路基边坡泥沙起动机理试验研究河湾凹岸路基边坡泥沙的起动问题的研究是河岸路基病害研究的重点。可以说,凹岸路基边坡泥沙起动是水流对河湾路基发生冲刷侵蚀的开端。因

44、此,从泥沙的基本性质,泥沙运动的基本问题入手,通过研究凹岸坡面泥沙起动流速,来揭示凹岸路基边坡泥沙起动机理成为了本文的研究重点。.泥沙的基本性质通常所谓的泥沙,并不是指单粒的泥沙颗粒,而是指无数不同大小、不同形状及不同矿物成分的泥沙颗粒混合体“”。泥沙在受水流、风力、波浪、冰川及重力作用,特性包括颗粒性质及群体性质。前者包括颗粒大小、形状等,后者包括级配、均匀程度、空隙率、水下休止角等。.颗粒大小与形状天然泥沙颗粒的形状是不规则的,其粒径常用同体积的球体直径来表示。下面为通常情况下所采用的粒径。平均粒径对于粗颗粒泥沙,习惯采用颗粒的长、中、短三个轴的算术平均值或几何平均值来代表泥沙颗粒直径,称

45、为平均粒径,其表达式为.一兰口,筛孔粒径对于细颗粒泥沙.,习惯采用筛析法,其球体直径长度等于已给颗粒刚能通过的正方形筛孑的边长称为筛孔粒径。实际上用筛析法得到的是介于上下二筛间的平均粒径。沉降粒径对于极细颗粒的泥沙. .,习惯采用水析法,如粒径计法、比重计法实测静水中的单颗粒沉速,再应用沉速公式反推求得相当的球体直径,称为沉速粒径。泥沙颗粒的大小是对泥沙进行分类所依据的物理特性。表.给出了泥沙按颗粒大小的一种分类标准。泥沙颗粒的形状或总的几何外形可用球度来描述。球度可定义为与颗粒同体积的球体的表面积与颗粒的表面积之比。由于测量表面积或尖锐程度上的困难,第三章 河湾凹岸路基边坡泥沙起动机理试验研

46、究 及用形状系数表示颗粒的形状”“,其定义为.,面式中,分别为泥沙颗粒相互垂直的长轴、中轴及短轴的长度;,反映颗粒接近球体的程度,越接近于.,颗粒越接近于球体。表.泥沙颗粒的分类标准砂砾石种类 粘土 粉沙细 细极细 中 粗 中. .加.粒径 .一 .?. .一. . . .砾石卵石 顽石种类粗 小 中 大 小极大 中 犬粒径 ? 一 .沙样筛分累计频率曲线累积频率曲线以泥沙粒径或粒径的对数为横坐标,以小于某一粒径的泥沙重量与泥沙总重量的百分比为纵坐标。累积频率曲线也就是频率曲线的积分曲线。从累计频率曲线上可以求算泥沙群体的各种代表粒径,如中值粒径,。和其它代表粒径未、。等。.泥沙粒径的选定在泥

47、沙运动问题的研究和工程实践中,人们可以根据泥沙累计频率曲线来确定所需要的代表粒径,主要有以下几种:算述平均粒径,可表示为限,訾几何平均粒径,可表示为限。,磷竽式.和式.中,只为;粒径组的沙粒重量占总重量的百分数。中值粒径由于。和。计算不方便,受极端值的影响较大。河流工程实验中,一般较常用的是取泥沙的中值粒径,。用。作为泥沙的代表粒径是数值比较稳定,受第三章河湾凹岸路基边坡泥沙起动机理试验研究 极端值影响小,有较高的精度,确定也方便。另外,也可在累计频率曲线上,确定其它代表粒径,如,等;但在国内外泥沙运动力学的研究和工程试验中,通常把;。作为泥沙的代表粒径。.粒径均匀程度河流泥沙的均匀程度可以用

48、分选系数、偏度、峰态和均方差来反映。分选系数,.沁偏度止.沁。峰态.丽均方差盯.盯击痧其中,偏度。和峰态反映泥沙相对于平均粒径的的对称性以及集中程度:分选系数。和均方差盯反映各级粒径相对于平均粒径的分散程度,其值越小越均”匀。.孑隙率泥沙中孔隙的容积占总容积的百分比称为孔隙率。泥沙孔隙率因沙粒的大小及均匀度、沙粒的形状、堆积的情况以及堆积后受力大小及历时久暂而不同。表.各级沙样孔隙率范围表种类 粗沙 中沙 细沙 极细沙%一% %一% %孔隙率 %一%由表.可知,细颗粒泥沙往往比粗颗粒泥沙含有更多的孔隙,这是由于细颗粒的表面积相对较大,使颗粒间的摩擦、吸附以及搭成格架作用增大的缘故。第三章 河湾

49、凹岸路基边坡泥沙起动机理试验研究 .水下休止角休角西是泥沙在静水中,堆积成丘时,在滑动临界平衡情况下,斜坡与水平面所形成的坡角,其正切等于泥沙的水下摩擦系数,即.,泥沙的休止角在研究河岸路基稳定边坡的设计以及其他水力问题中是一个重要因素。下面介绍几家单位对泥沙休止角的研究成果:根据天津大学室内试验成果,休止角妒随粒径增大而增加,其关系为西一. .黄委会水科院的研究结果为天然沙: 毋 .弦“ .煤屑: 咖一.式中,一泥沙粒径,;西一泥沙水下休止角,。.泥沙运动的基本问题.泥沙的受力情况天然河道中的泥沙颗粒除了有效重力、拖曳力、上举力,还受渗透压力、粘着力只的作用图.,在运动过程中还会受到粒间离散

50、力的作用。在这些力的共同作用下,土壤颗粒表现为失稳起动、运移、沉积。,.泥沙颗粒受力图拖曳力和上举力拖曳力和上举力为液相水流对固相颗粒的作用力。水流和土壤颗粒表面接触时将产生摩擦力只,当路基边坡上水流雷诺数稍大时,颗粒顶部流线将发生分离,第三章 河湾凹岸路基边坡泥沙起动机理试验研究并在土壤颗粒背水面产生涡辊,从而在土壤颗粒前后产生压力差,形成形状阻力。只和的合力为拖曳力。在路基坡面冲刷过程中,土壤颗粒顶部的流速显著大于底部土壤颗粒间渗透水流的流速,产生压力差即上举力。.: 口:。雌.吒; ×掣式中,一水的密度/:肛一水流底速,/.一土壤粒径,;。一阻力系数;,一上举力系数;,一面积系

51、数,对于球体,口/土壤颗粒有效重力.;,一式中,见一土壤颡粒密度;取./。,一颗粒体积系数,石/。渗透压力当床面表层渗透条件较好、入渗率较大时,坡面水流入渗会产生与入渗方向一致渗透压力.;式中:。一土壤中渗透水流的水力坡度;其它符号意义同上。粒间粘结力粒间粘接力为固相颗粒之间的力,表现为颗粒问具有亲和力,是土壤颗粒的吸附作用、薄膜水不传递静水压力、颗粒的电化学作用和水的化学作用等综合作用的结果。韩其为对粒间粘结力作用进行了研究“,提出粘着力的计算式为.。镪叫砉一嘉式中,一颗粒的半径;,全部结合水的厚度,.×。;一时单位面积上的粘着力;颗粒间的密实程度;,时,薄膜水接触处于临界状态;第

52、三章 河湾凹岸路基边坡泥沙起动机理试验研究、粒间离散力当大量颗粒产生推移运动时,这些颗粒有的刚起动,速度还很小,有的则已从水流中获得较大动能,以较快速度运动,运动方向也不完全相同。这样以来,它们在运动过程中便不可避免地相互碰撞,由此发生能量交换,从而产生一定的作用力,称为粒问离散力。.泥沙的运动形式河流中,当河槽内的水流速度较小,水流对床面的作用力还不足以起动床面泥沙时,床面泥沙将静止不动。流速逐渐增大,水流对床面泥沙的作用力达到一定程度后,床面上一些泥沙开始沿水流方向运动。河流中的泥沙运动,按照它们的运动形式,可以分为两大类型:推移运动和悬移运动:相应的泥沙可分为:推移质和悬移质。推移质,是指在床面或岸坡发生滚动、跳跃或滑动的那部分泥沙。悬移质,是指悬浮于水中,随着水流浮游前进的泥沙。推移质运动的研究,应主要研究泥沙的起动、沙波的运动和推移质输沙率。对沿河公路浸水路基,我们主要侧重于对河湾路基边坡上泥沙推移运动规律进行研究,并着重对凹岸路基坡面泥沙起动发生条件进行探讨。.泥沙起动判别标准河床床面上原处于静止状态的泥沙,所受到的水动力一旦大于维持其静止的力,泥沙颗粒即获得一定的初速,转化成迁移状态,即为起动。然而,河床表面是由无数不同的泥沙颗粒组成的,它们