学术论文 | 《Bull Eng Geol Environ》基于能量法的土质岸坡波浪侵蚀速率预测方法

百科   科学   2024-08-02 17:06   湖北  

王力 何玟 贺元源* 王世梅 陈勇 李小伟 田东方




摘要





波浪侵蚀是影响水库安全的重大地质灾害之一,随着水库的长期运行,波浪对土质岸坡的侵蚀必将愈发显著。预测波浪的侵蚀过程,是针对性进行灾害防治的重要保障,然而,现有的预测方法多是以经验方程为主,其普适性受限。为此,本文从能量的角度创新地提出波浪“侵蚀能”和土体“抗侵蚀能”的概念,构建了波浪作用土质岸坡的侵蚀速率预测方程,开展了波浪侵蚀岸坡模型试验,求解了预测方程参数,并验证了方程的可靠性。结果表明:波浪侵蚀过程中,波浪爬高与岸坡坡度近似线性相关,波浪能量越大,其函数斜率越大;随着岸坡坡度变缓,波浪的侵蚀能随之减小,土体抗侵蚀能随之增大,对应的岸坡侵蚀速率变缓减小,当侵蚀能与抗侵蚀能相等时,岸坡侵蚀即达到了最终的稳定状态。本文提出的土质岸坡波浪侵蚀速率预测方法是可靠的,可广泛应用于水库岸坡的侵蚀预测。




论文部分插图








Fig.3 波浪上爬厚度分布示意图





Fig.4 模型试验装置: a 装置示意图, b 装置照片, c 高速摄像装置





Fig.5 试验土的颗粒级配曲线





Fig.6 Test-3试验组的侵蚀进程平面图





Fig.7 Test-3试验组侵蚀演化进程剖面图




Fig.8 各组试验的侵蚀深度随时间的变化





Fig.9 各组试验波浪与爬高的关系





Fig.10 各试验组抗侵蚀能量与摩擦耗能相关曲线: a Test-1, b Test-2, c Test-3





Fig. 11 侵蚀稳定系数与侵蚀速率的关系





Fig. 12  预测值与试验值对比





Fig.13 kachugin法示意图





Fig.14 扩展的侵蚀速率曲线




结论




1)基于波浪剪切力建立了波浪侵蚀能方程,采用土体的临界起动流速建立了土体抗侵蚀能方程,最终构建了波浪作用土质岸坡的侵蚀速率预测方程。开展了模型试验求解了方程参数,并验证了方程的可靠性,该方程可应用于水库土质岸坡的侵蚀过程预测。

2)为了确定侵蚀能与抗侵蚀能的大小,基于能量守恒理论研究了波浪侵蚀过程中爬高与坡度的关系,波浪爬高与岸坡坡度近似线性相关,波浪能量越大,其函数斜率越大。

3)波浪侵蚀过程中,随着岸坡坡度变缓,波浪的侵蚀能随之减小,土体抗侵蚀能随之增大;即侵蚀稳定系数随侵蚀过程不断增大,对应的岸坡侵蚀速率减小,当侵蚀能与抗侵蚀能相等时,岸坡侵蚀即达到了最终的稳定状态。



引用格式




Wang, L., He, W., He, Y. et al. Predicting wave erosion rates of soil bank based on energy method. Bull Eng Geol Environ 83, 344 (2024). https://doi.org/10.1007/s10064-024-03844-1

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