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重力侵蚀与沟道输沙能力变化的理论分析与计算

丁富平  
【摘要】: 沟道侵蚀是土壤侵蚀的主要形式之一,在我国黄土高原区,沟道侵蚀量一般占流域总侵蚀量的50-70%以上,而且沟道岸坡的失稳将在上游造成壅水或在下游形成洪水,对人民的生命与财产安全造成巨大的威胁;土壤侵蚀的预测能够为水土保持与防灾减灾提供技术支持,不过,目前的土壤侵蚀计算方法(或模型)大都是基于坡面或小流域尺度的预测模型,而专门探讨沟道侵蚀的理论研究相对较少,基于此,本文通过土坡稳定分析、水流演算的理论推导和输沙量计算,建立了考虑重力侵蚀影响的沟道输沙量计算方法,并取得了如下成果: (1)探讨了砂土、粘土、结构性的抗剪强度的计算公式及影响因素。鉴于土体结构性的重要性,从细观形态学途径、固体力学途径和土力学途径三个方面对其进行了总结,在此基础上,首次提出了结构性尺度转换的概念及有关方法,建立了基于结构性尺度转换的土体本构概念性模型。 (2)分析了非饱和土的普遍极限平衡的计算方法及其简化形式,并将其推广到饱和土极限平衡的计算;提出了基于损伤函数和强度准则的土体整体破坏的判断方法;根据耗散能方程和能量平衡原理,建立了计算滑坡体运动距离的预测模型;以陕西省泾阳县东风村黄土塬边的滑坡为例,采用整体法和普遍极限平衡分析法对其安全系数进行了实例计算,确定了滑坡圆弧的圆心,最危险滑动面,滑坡体断面面积等成果。 (3)根据W.M.戴维斯侵蚀轮回学说和W.彭克山坡平行后退理论,结合黄土高原沟道侵蚀的特点,提出了平行后退和非平行后退的沟坡和沟底下切侵蚀量的计算模型,在此基础上又分别推导了平行后退、沟底发生侧蚀和局部沟坡失稳等三种情况下的计算公式。 (4)总结了水平蓄水池水库演算、特征河长法、Musingum法、马斯京根法分段流量演算法、马斯京根法非线性流量演算、河道的相应水位(流量)法等集总式水流演算方法,在此基础上,剖析了特征河长的概念,并将其推广到任意河长,最后提出了确定特征河长的新方法—绘图法;以水文学原理和水力学知识为基础,通过建立河段槽蓄方程,找到了特征河长、Musingum法和扩散波动力方程联结的纽带,鉴于此,本文提出了提高Musingum法水流演算精度的方法;通过对河道水力特征的假设,推导出计算流量比重系数X的三种公式,并探索了X与整个河道长度无关的机理,得到了X与计算步长、河底比降等水流要素的关系。 (5)在综合考虑水流演算结果和岸坡稳定性的基础上,确定了水沙计算的平衡输沙能力公式和非平衡输沙能力公式。


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