新水沙條件下彎曲和分汊河段沖淤調整特點與機理 陳立 9787030768599 【台灣高等教育出版社】

目錄

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第1章 緒論1
1 1新水沙條件下河道沖淤調整特徵概述2
1 2彎曲河段水沙輸移及演變規律研究現狀4
1 2 1彎曲河段水流運動特性4
1 2 2彎曲河段”撇彎切灘”特性7
1 2 3水庫下游彎曲河段演變10
1 3分汊河段水沙輸移及演變規律研究現狀13
1 3 1分汊河段水沙輸移規律13
1 3 2水庫下游分汊河段演變17
1 4本書主要內容21
上篇新水沙條件下彎曲河段沖淤調整特點與機理
第2章 新水沙條件下彎曲河段沖淤調整特點25
2 1三峽水庫蓄水前後彎曲河段演變規律26
2 1 1第I類彎曲河道演變規律調整27
2 1 2第II類彎曲河道演變規律調整28
2 2典型彎曲河段河床演變特性29
2 2 1典型彎曲河段的選取29
2 2 2三峽水庫蓄水後調關彎道、萊家鋪彎道河床演變規律30
2 2 3三峽水庫蓄水後尺八口河段河床演變規律31
2 3本章 小結34
第3章 不同因素對彎道水流結構的影響35
3 1彎道水流動力特性試驗設計36
3 1 1彎道水槽平面及橫斷面設計36
3 1 2試驗條件設計38
3 1 3流速測量及數據處理39
3 2不同流量下180°彎道水流動力特性41
3 2 1垂線平均流速的變化41
3 2 2床面切應力的變化43
3 2 3水流挾沙能力的變化44
3 2 4近底環流強度的變化45
3 3不同流量下90°彎道水流動力特性46
3 3 1垂線平均流速的變化46
3 3 2床面切應力的變化48
3 3 3水流挾沙能力的變化49
3 3 4近底環流強度的變化50
3 4不同流量下45°彎道水流動力特性51
3 4 1垂線平均流速的變化51
3 4 2床面切應力的變化52
3 4 3水流挾沙能力的變化54
3 4 4近底環流強度的變化55
3 5流量對彎道水流動力特性的影響56
3 5 1流量對縱向水流動力特性的影響56
3 5 2流量對近底環流強度的影響57
3 6圓心角對彎道水流動力特性的影響58
3 6 1圓心角對流速的影響58
3 6 2圓心角對床面切應力的影響59
3 6 3圓心角對水流挾沙能力的影響60
3 6 4圓心角對近底環流強度的影響61
3 7本章 小結63
第4章 不同因素對彎道凸岸邊灘沖淤的影響65
4 1彎道凸岸邊灘沖淤演變試驗設計66
4 1 1選沙設計66
4 1 2試驗條件設計68
4 1 3地形測量方法69
4 2180°彎道凸岸邊灘的沖淤變化特點69
4 2 1持續時間對凸岸邊灘沖淤的影響69
4 2 2流量對凸岸邊灘沖淤的影響71
4 2 3含沙飽和度對凸岸邊灘沖淤的影響72
4 390°彎道凸岸邊灘的沖淤變化特點75
4 3 1流量對凸岸邊灘沖淤的影響75
4 3 2含沙飽和度對凸岸邊灘沖淤的影響76
4 445°彎道凸岸邊灘的沖淤變化特點77
4 4 1流量對凸岸邊灘沖淤的影響77
4 4 2含沙飽和度對凸岸邊灘沖淤的影響78
4 5彎道凸岸邊灘沖淤影響因素分析80
4 5 1流量對彎道凸岸邊灘沖淤的影響80
4 5 2含沙飽和度對彎道凸岸邊灘沖淤的影響80
4 5 3圓心角對彎道凸岸邊灘沖淤的影響82
4 6本章 小結83
第5章 水庫下游彎曲河段”撇彎切灘”現象的驅動機制85
5 1”撇彎切灘”的內因86
5 2”撇彎切灘”的驅動因子86
5 2 1來流含沙飽和度對彎道凸岸邊灘沖刷的驅動86
5 2 2大流量大小及其持續時間對凸岸邊灘”切灘”的驅動87
5 2 3中枯水流量大小及其持續時間對凸岸邊灘”撇彎”的驅動87
5 2 4進口河勢變化對彎道凸岸邊灘沖刷的驅動87
5 3決定”切灘”部位的影響因子88
5 4水庫下游彎曲河段凸岸邊灘沖刷切割實例89
5 4 1尺八口河段凸岸邊灘”切灘”的驅動機制89
5 4 2沙洲水道微彎河段凸岸邊灘沖刷切割的驅動機制95
5 5本章 小結101
下篇新水沙條件下分汊河段沖淤調整特點與機理
第6章 新水沙條件下分汊河段沖淤調整特點105
6 1新水沙條件下分汊河段河床調整的形態特徵106
6 1 1河床沖淤部位的調整特徵106
6 1 2洲灘變形特徵107
6 1 3斷面形態特徵109
6 2新水沙條件下分汊河段主支汊沖淤調整特點112
6 2 1分汊河段汊道分流比變化112
6 2 2不同平面形態的分汊河段主支汊沖淤調整特點112
6 2 3上下游分汊河段主支汊沖淤調整分異性特點115
6 3本章 小結116
第7章 分汊河段演變數值模擬關鍵技術117
7 1分汊河段阻力計算公式118
7 1 1動床阻力計算研究進展118
7 1 2現有動床阻力計算公式在分汊河段的適應性122
7 1 3分汊河段阻力計算公式的建立及驗證127v
7 1 4分汊河段阻力計算公式對數學模型的改進135
7 2分汊河段分流比計算公式的改進及應用141
7 2 1現有分流比計算公式的精度142
7 2 2分流比計算公式的改進145
7 2 3改進後的分流比計算公式對分汊河段數值模擬的改進150
7 3本章 小結153
第8章 新水沙條件下分汊河段沖淤調整數值模擬155
8 1數學模型的建立與驗證156
8 1 1水沙條件的選取156
8 1 2模型簡介159
8 1 3模型驗證164
8 2水沙條件變化對分汊河段總體沖淤的影響166
8 2 1水沙條件變化對河道沖淤量的影響166
8 2 2水沙條件變化對河道沖淤部位的影響170
8 3水沙條件變化對分汊河段斷面形態的影響172
8 4水沙條件變化對分汊河段主支汊沖淤調整的影響175
8 4 1主支汊淨沖淤量變化175
8 4 2汊道分流比變化178
8 5本章 小結180
第9章 長江中游分汊河段沖淤調整與驅動因子183
9 1洲灘變形特徵流量識別184
9 2分汊河段主支消長變化的驅動因子186
9 2 1汊道沖淤變化的臨界條件186
9 2 2主支消長的驅動因素187
9 3驅動因子對分汊河段主支消長的影響規律190
9 3 1分汊格局的影響190
9 3 2流量大小及持續時間的影響190
9 3 3來沙飽和度的影響192
9 3 4河床抗沖性的影響193
9 4本章 小結194
參考文獻195
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精彩書摘
第1章 緒論
1 1新水沙條件下河道沖淤調整特徵概述
大江大河是生命的起源，孕育了人類文明，推動了人類經濟社會的發展。長江是我國第1、世界第三長河，流域面積約180萬km2，具有豐富的空間資源、能源資源和生態資源。作為我國南方文化的發祥地，長江數千年來與人類社會共同發展演變、奔流不息，時至今日，長江沿線仍是我國的經濟重心與活力所在。
為滿足經濟發展的需求，人類與河流的關係從曲初的受制於河流逐步演變至利用河流、改造河流，在充分挖掘河流各項功能的實踐中，攔河大壩的修建一度被視作人類征服大自然的傑作。歷史上第1座大壩修建於5000年前（Petts and Gurnell，2005），隨後世界上的主要河流陸續被10萬多座大壩攔截。在帶來防洪、灌溉、航運、發電效益的同時，大壩修建也帶來了水沙條件的變化，引發了水庫淤積、水庫下游河道清水沖刷、江湖關係轉變、入海泥沙減少、生物多樣性降低等新的問題，給河流生態系統的健康狀態造成了損害。以長江幹流上的三峽水庫為例，三峽水庫蓄水後，約70% 的泥沙被攔截在壩前，宜昌—大通河段各水文站的年輸沙量較蓄水前減少67%∼92%，水沙關係明顯改變，水庫下游河道面臨新的來水來沙條件，原有的動態沖淤平衡被打破，由此引發了河床縱向下切、斷面形態和洲灘格局變化等一系列河床沖淤調整，對河流原有的防洪、航運、生態等產生了重大影響。
針對變異水沙條件對下游河道沖淤調整所造成的影響，眾多學者從壩下游河道沖淤響應過程、斷面形態變化特點、新平衡態河相關係等方面開展了細緻的研究，但受水文地質、河床邊界條件及人類活動干預程度差異的影響，不同河流展現出的調整特點不盡相同（Shin and Julien，2010；Zahar et al ，2008；Yang et al ，2007），在研究壩下游河道沖淤調整機制時，考慮地理背景和流域特徵對河床演變影響的重要性逐漸凸顯。從影響河床演變的主要因素來看，下游侵蝕基準面的變化在壩下游河道調整響應過程中為次要因素，進口水沙條件的變化為主導因素，河道邊界條件雖受制于進口水沙條件，但其一旦形成，將直接對水沙輸移規律產生影響，在決定壩下游河床沖淤演變方面發揮曲立的作用（謝鑒衡，1997）。因此，越來越多的學者通過區分河型來研究水庫下游的河床重塑過程（鄭珊等，2014；倪晉仁和張仁，1991）。
根據謝鑒衡（1997）提出的河型劃分方法，沖積河流一般可以劃分為順直型、彎曲型、分汊型和遊蕩型四類。在三峽水庫下游分佈曲多的為分汊型和彎曲型，其中，分汊河段更是占到全長的75%以上（李明和胡春宏，2017）。無論是緊鄰三峽水庫下游的砂卵石河段，還是河床可沖層厚度更大的沙質河床段，彎曲和分汊河段的沖淤調整普遍較為劇烈，對防洪、航運等產生了重要的影響。
本書以長江中游彎曲和分汊河段分佈較多的宜昌—九江河段為研究對象，其全長約950km，根據河床組成及河道形態，一般可分為宜昌—枝城河段、枝城—城陵磯河段和城陵磯—九江河段。宜昌—枝城河段為山區河流向平原河流過渡的河段，兩岸地貌以低山丘陵、河流階地為主，對河道邊界、河谷走向的控制作用較強，河床組成以砂卵石為主，局部基岩出露。枝城—城陵磯河段俗稱荊江河段，橫貫江漢平原與洞庭湖平原，南岸有松滋口、太平口、藕池口和調弦口分流分沙進入洞庭湖，江湖關係較為複雜。以藕池口為界，上段稱上荊江，為微彎分汊河段，下段稱下荊江，為蜿蜒型河段。其中，枝城—楊家腦河段屬?砂卵石河段，河床由卵石夾砂或砂夾卵石組成；楊家腦以下河段為沙質河段，河床組成以粉細沙或細沙為主。三峽水庫蓄水攔沙後，來沙量的減少使得長江中游河段整體以沖刷為主，荊江河段的沖刷尤為劇烈。
從20世紀60年代末開始，荊江河段遭遇了下荊江人工裁彎、自然裁彎和葛洲壩水利樞紐運行等人類活動與突變性自然調整，河道總體沖刷，1966∼2002年河段平均沖刷強度約3/3/
為3 95萬m（km a）。尤其是1998年大水後，上荊江沖刷強度一度達到12 2萬m（km a）。
三峽水庫蓄水後，2002∼2014年河段平均沖刷強度高達19萬m3/（km a），較1966∼20023/3/年均值增大約3 8倍，上、下荊江的沖刷強度分別為21 6萬m（km a）、16 5萬m（km a），沖刷強度均較蓄水前顯著增大。沖刷自上而下發展的規律明顯，尤其是在三峽水庫175m 試驗性蓄水階段，從枝江河段至監利河段，河床沖刷強度沿程遞減，其中，砂卵石河床過渡段枝江河段的沖刷強度達到36 1萬m3/（km a），沙質河床起始段沙市河段的沖刷強度次之，為29 4萬m3/（km a）。受護岸工程的限制，河段兩岸沖刷展寬的現象並不明顯，僅局部崩岸段河寬發生變化，沖刷以河床下切為主要形式，至2014年11月，河段深泓縱剖面高程沖刷下切約2 13m，曲大沖刷深度達16 5m （調弦口附近），平灘水位以下河床高程下降約1 56m，枯水位以下河床高程下降約1 39m 。
上荊江的分汊河段在三峽水庫蓄水運用後，大多出現了明顯的中枯水短支汊沖刷發展的現象。上荊江6個分汊河段中枯水期的分流比均不同幅度增大。分流比統計起始時段為三峽水庫蓄水前，考慮到部分重點分汊淺灘河段實施了支汊限制工程，這些河段分流比統計的末時段為工程實施前。來流條件相近時，上荊江各類型汊道支汊分流比的增幅均在9%以上，順直分汊河段支汊發展強度曲大，蘆家河汊道、太平口汊道支汊分流比的增幅分別達到20 5% 和18%，太平口心灘河段的右汊2005年末