Page 79 - 水利学报2021年第52卷第6期

初始地形 冲刷后地形
2.5
2.0 N T
高程/m 1.5

1.0
N C
i
0.5
0.0
0 5 10 15 20 25 30 35
y/m
图 3 横断面坡角及临界失稳点示意

（2）确定崩塌失稳土体质量。以临界失稳点为起点、静泥沙休止角为坡角，确定崩塌后稳定的坡
面，计算崩岸土体的质量，具体示意见图 4。图中， N 为失稳坡面上端起点； N e 为结束河床调整
s
的下端网格点； A 为崩岸破坏土体面积， m ； A 为崩岸土体重新分布的面积， m ； ∆z 为不同
2
2
s
ai
f
网格点崩塌岸滩调整的高程变化， m ； ∆z 为不同网格点崩岸土体再分布后的岸滩调整高程变化，
bi
m 。崩塌失稳土体的面积采用下式计算：
N c ( y - y )(∆z + ∆z )
A = å i i - 1 bi bi - 1 （14）
s
i = N + 1 2
s
（3）失稳土体堤脚再分布：在保证土体质量守恒的基础上（ A = A ），确定落淤土体分布位置，
s
f
更新岸坡再平衡后各点的地形高程，见图 4。通过试算法确定再平衡后堤脚的落淤土体分布。先假定
'
落淤土体以静泥沙休止角为坡角平铺在临界失稳点 N 以下，计算相应的再分布土体面积 A 。如果
c
f
'
试算的土体面积等于崩塌的土体面积 A ，则假定的稳定坡面为最终落淤坡面。如果 A ¹ A ，则采
s s f
用式（15）平行调整临界失稳点以下的落淤高程变化。
A′ - A
∆z = y f - y f （15）
ai
N
e N c
岸滩侵蚀模块通过坡面各点坡角与动泥沙休止角的对比，判断坡面的稳定与否；利用静泥沙休
止角确定崩岸坡面，计算崩塌土体的质量；再通过土体质量守恒计算堤脚落淤土体分布，进而为水
沙计算提供更新的河床地形。
3.6 各模块耦合步骤 水冰沙耦合模型实施 2.5 初始地形 冲刷后地形 最终地形
步骤和计算方法是：（1）在满足显格式稳定性 2.0 N T
的时间步长下运行二维水沙数值模块，直到 高程/m 1.5
1.0
给定的耦合时间，提供计算区域的水位、流 0.5 N C
i
速、水温、水流拖曳力、挟沙力和床面高程 0.0
0 5 10 15 20 25 30 35
等水沙要素，并传递给河冰动力学模块；（2） y/m
运 行 河 冰 动 力 学 模 块 获 得 耦 合 时 间 的 冰 厚 、 N C A f
A S DZ ai
冰速、冰浓度及冰摩擦力等河冰要素；（3）将 N S
DZ bi
前两步计算的结果传递给岸滩侵蚀模块，并 N e
N C
计算水冰沙影响下的岸滩侵蚀速率、岸坡稳
图 4 失稳坡面崩塌及再平衡示意
定坡面及崩岸土体再分布位置，直至给定的
耦合时间；（4）将第三步计算结果反馈给二维水沙数值模块，校正更新岸坡和地形下的水位、流量和
输沙过程；（5）重复以上 4 个步骤至计算结束，通过 3 个模块的信息传递和反馈实现水冰沙耦合模拟。

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