基于能量守恒理论的波浪侵蚀土质岸坡范围预测方法

摘要

波浪对三峡库区土质岸坡的侵蚀极大影响了库区生态与地质环境安全，预测波浪对岸坡的侵蚀范围是库区防灾减灾工作的重要措施，然而现有的侵蚀预测主要是以经验方法为主，难以获得准确的结果。为此，采用能量守恒理论，考虑波浪上爬过程中的层厚及流速变化，分别构建波浪上爬势能方程与摩擦耗能方程，最终联立建立波浪作用土质岸坡侵蚀范围预测方程。为获取预测方程的关键参数，开展波浪上爬岸坡模型试验，研究波浪上爬岸坡时的流速、层厚及爬高变化规律。结果表明：岸坡坡度越大，波浪爬高越大，爬坡水流厚度也随之增大，但爬坡水流流速随之减小；根据试验结果获取了水流厚度参数与流速参数的分布区间，构建了水流厚度参数、流速参数与岸坡坡度间的关系方程。为验证侵蚀范围预测方程的可靠性，开展波浪侵蚀岸坡模型试验，获取土质岸坡侵蚀演化进程。结果表明：土体干密度越大，岸坡的抗侵蚀能力越强，且岸坡达到最终稳态所需的时间越长；由于碎石护面作用使得岸坡侵蚀稳定的时间缩短，碎石含量越多，岸坡的抗侵蚀能力越强。将岸坡侵蚀稳定终态结果与预测方程结果进行了对比，验证了本文提出的侵蚀范围预测方程的可靠性。本文提出的波浪侵蚀范围预测方程可广泛应用于国内外水库土质岸坡的侵蚀灾害防治工作。

关键词

能量守恒 / 波浪侵蚀 / 三峡库区 / 模型试验

基金资助

国家自然科学基金联合基金重点项目（U21A2031）; 中国博士后科学基金（2021M701969）; 三峡库区地质灾害教育部重点实验室开放基金（2022KDZ19）