理论教育 水流对河岸的动力作用导致的影响

水流对河岸的动力作用导致的影响

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:然而,之所以称为“有效功率”,是因为这个宏观的合力和在该时段内将崩岸的土体移走都是客观存在的。影响“有效功率”的因素有三个方面,即来水来沙条件、河床形态和河床边界条件。可以说,表达河道平面变形的崩岸“有效功率”在数值上仅占河流总能耗的一部分。

水流对河岸的动力作用导致的影响

冲积平原河流中,河道崩岸在大多数情况下都发生在弯道凹岸,顺直段发生崩岸情况较少。然而,随着不同的水文条件,在顺直段,特别是具有犬牙交错边滩的顺直段,主流线与岸线有一定的交角,因而也构成对河岸的顶冲作用,也会造成强度较弱的崩岸。作为一种典型的崩岸,这里主要讨论水流对弯道凹岸的动力作用。众所周知,河道水流在运动中都具有一定的动量,在河道不同的平面形态和断面形态条件下,水流的流速分布沿程将发生变化,从而使水流动量沿程产生变化。这样,从宏观上水流受弯道凹岸的约束作用时,由于动量的变化对河岸就会产生一个作用力。当水体质量越大,水流流速越大,水流方向变化越大,无疑这个作用力就越大。

为了在宏观上定性地分析水流对河岸的动力作用,建立了概化的水流对河岸的动力作用模型。假设水流为恒定均匀流,流量为Q,断面平均流速为v,弯道进口断面11和出口断面22的法线方向d1和d2经过弯道后变化的角度为β(即转折角),在单位时间内水流因动量变化对河岸的作用合力为R。取直角坐标X 、Y 轴(图5-3),则进、出口断面法线方向与X 轴的内交角分别为α1、α2,根据动量方程

ρ 为水的密度。由几何关系可知,α1+α2=β,经过三角函数的演算,可得

图5-3 弯道水流在动量变化下对河岸动力作用示意图(www.daowen.com)

显然,水流对河岸的作用力R 在宏观上与流量Q 、流速v 和转折角β 有关,就是说,与河流水体的质量(即河道的断面尺度)、流速和河道形态有关。当河道尺度越大,即水体的质量越大,对河岸作用力的惯性也越大;流速越大,凹岸近岸河槽的作用流速冲刷能力也越大;河道形态变化越大,特别是在较短河长内转折角越大,对水流控制和约束作用也越大,相应水流对河岸的顶冲作用越强。显然,以上都是促使崩岸不断发生的水流动力因素。

从以上分析可知,水流在宏观上对崩岸发生影响的几个因素实际上都是存在的,并在物理概念上也是合理的。但是这些因素如何通过具体的水流泥沙运动而导致河床冲刷、岸坡变陡,最后发生崩岸的过程和机理却是十分复杂的。这就需要通过崩岸河段的流速场和含沙量分布情况进行具体的分析,即对崩岸段近岸河床的水力泥沙运动条件进行分析。

我们暂且搁置整个过程中不同阶段的具体作用,仍然从宏观的角度来探讨水流对河岸的动力作用与崩岸的关系。假定该段弯道的崩岸强度,即河岸在单位时间内平均后退的距离(指河岸后退的宽度) 为ΔB/Δt,则水流对河岸的作用力R 在力的方向上单位时间内所做的功称为崩岸的“有效功率”,即为RΔB/Δt。显然,这是一个虚拟的功率,因为它概化了该时段内水流使河床不断冲深、岸坡不断变陡、崩岸的土体不断崩坍下滑并不断地被水流带向下游这一整个宏观做功的过程。然而,之所以称为“有效功率”,是因为这个宏观的合力和在该时段内将崩岸的土体移走都是客观存在的。可以说,RΔB/Δt 是一个综合性指标,体现了水流与河岸的相互作用对崩岸影响的结果。影响“有效功率”的因素有三个方面,即来水来沙条件、河床形态和河床边界条件。年径流量大使得水流的动力作用变大、来沙量少使挟沙力相对于含沙量趋大,河床平面和断面的形态使水流对岸顶冲强和近岸深槽水流更集中,以及在河床边界条件易冲等情况下,河流对崩岸做的“有效功率”就多,河道平面变形就大;反之,河流对崩岸做的“有效功率”就少,河道的平面变形相应就小。由以上三个方面的因素具体构成崩岸的直接影响因素,即构成近岸水深和流速等水力方面的因素,近岸含沙量及其粒径组成和近岸河床床沙组成等泥沙运动方面的因素,以及河岸二元结构抗冲性和岸坡稳定方面的因素等。这是在其他章节中需要进一步具体分析研究的问题。可以说,表达河道平面变形的崩岸“有效功率”在数值上仅占河流总能耗的一部分。在不同的河流、不同的河型和不同的河道特性中,其“有效功率”所占河流总能耗的比例也不会相同,它们之间可能具有一定的联系,也许还可能更好地反映河道的平面稳定性,建立某种新的横向稳定性指标。这是一个值得今后进一步研究的课题。

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