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水 利 学 报

2021 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 7 期

文章编号：0559-9350（2021）07-0841-10

河流水冰沙耦合模型研究Ⅱ：验证与应用

潘佳佳 ，Hung Tao Shen ，郭新蕾 1
2
1，2
（1. 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，中国水利水电科学研究院，北京 100038；
2. Department of Civil and Environmental Engineering，Clarkson University，Potsdam，NY 13699-5710）

摘要：北方河流冬季河冰运动会带来凌汛灾害威胁，研究流凌运动对水流、泥沙和河道的影响具有重要工程意
义。本文在平面二维河冰动力学模型基础上，建立二维水冰沙耦合数值模型。基于三角形的非结构网格，采用具
有迎风特性的 Petrov-Galerkin 型有限元法计算非恒定水流过程、非恒定非均匀沙输运和河床冲淤变化，利用无网
格的 SPH 法计算河冰运动，基于河冰对岸滩的刮擦切应力计算岸坡侵蚀，再利用双泥沙休止角法分析不同含水层
岸坡的稳定坡面。该模型创新性地耦合水沙理论和河冰理论，能模拟北方河流全季节及河冰全过程的水位流量波
动、河冰运动、泥沙输移、河床冲淤及岸滩崩塌过程。通过实验条件下溃坝引起的岸坡崩塌侵蚀验证了模型的准
确性和可靠性，研究结果显示该模型能再现水流、河冰、泥沙、河床及河岸间的复杂耦合作用，揭示河冰刮擦对
岸滩侵蚀破坏的促进机理，可进一步支撑冬季河道防凌减灾和岸滩水土保持研究。
关键词：河冰运动；岸滩侵蚀；水冰沙耦合；泥沙休止角；北方河流
中图分类号： TV143 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200843

1 研究背景

北方河流冬季流凌能引起严重岸滩刮擦侵蚀和崩塌破坏，伴随着河冰运动的洪水威胁着河道堤
防安全。例如，我国黄河和黑龙江等河流的凌汛时有发生，给人民生命和财产安全带来巨大隐患 ［1-3］ 。
黄河部分河段遇到不利气温和大水条件时，流凌或冰坝能造成堤防溃决，进而引起漫堤洪水，形成
严重凌灾 ［4-7］ 。此外，流凌刮擦不仅影响岸滩稳定性，也能破坏水工建筑物，危及沿岸建筑或房屋安
全。研究冬季河冰运动和岸滩刮擦侵蚀的作用机制对防凌减灾具有重要意义。
国内外很少有研究关注河冰运动对岸滩的刮擦侵蚀机制，已有的部分研究仅定性分析了河冰运
动规律或岸滩侵蚀现象 ［8-9］ 。Lawler 在南威尔士伊尔斯顿河的两个弯道上开展了长达两年的连续监
测，揭示该河道弯道的岸滩侵蚀后退主要发生在冬季 ［10］ 。该研究表明冬季河道水沙运动过程对岸滩
演变具有重要影响，但没有从机理上解释引起岸滩冬季侵蚀的原因。Zabilansky 等在 1998—1999 年冬
季对美国中部密苏里河的 7 个代表性断面开展现场观测，发现这些断面均存在显著的流凌刮擦侵蚀 ［11］ 。
该研究揭示了河冰运动与冬季岸滩侵蚀后退的联系，解释了冬季河道岸滩侵蚀频发的诱因。他们的
研究主要侧重于现场观察分析，并没有从机理上解释河冰运动对岸滩侵蚀的促进机制。Beltaos 等在
加拿大阿萨巴斯卡河下游的冰塞观察中也发现冰塞体的释放能引起巨大的泥沙输运，并伴随着严重
的河岸刮擦侵蚀 ［12］ 。这些研究均强调河冰运动对岸滩侵蚀的影响，但缺少对河冰与岸滩作用力的分
析，也没有分析岸滩崩塌破坏机制。
关于河岸崩塌破坏的研究大部分集中在无河冰影响的工况。Simon 等将土力学坡体稳定性分析中

收稿日期：2020-10-15；网络首发时间：2021-04-19
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网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210416.1614.003.html
基金项目：国 家 重 点 研 发 计 划 项 目（2018YFC1508403）； 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目（51979291， 52009144）； 中 国 水 科 院 科 研
专 项（HY0145B642017，HY0145B912017）
作者简介：潘佳佳（1988-），高级工程师，主要从事水力学及河冰动力学研究。E-mail：panjj@iwhr.com
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