水-草-土耦合边坡流场特性研究_陈彬.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月人 民 长 江 ,收稿日期:作者简介:陈 彬,男,高级工程师,博士,研究方向为水土保持与边坡开挖。:通信作者:姚锡伟,男,副教授,博士,研究方向为水土保持与边坡开挖。:文章编号:()引用本文:陈彬,姚锡伟,毛朝勋 水 草 土耦合边坡流场特性研究 人民长江,():水 草 土耦合边坡流场特性研究陈彬,姚 锡 伟,毛 朝 勋(内江职业技术学院,四川 内江)摘要:植被的存在会改变天然边坡的流场特性,其对水流产生的阻力较为复杂。将含植被边坡划分为水层、草层和土层,用 方程描述水层的流体运动,用 空隙理论描述草层和土层中的流体运动,在切向和法向的速度和应力保持连续性的条件下,推导出含
2、植被边坡立面二维情形下沿坡度方向的流速沿水深分布的解析解。研究表明:当草层孔隙度较大时,地面下水流流动不可忽略;随着草径的增大,流速逐渐变小,最大剪应力由地面过渡到草顶面。研究成果可为土壤侵蚀研究和水土流失防治提供参考。关 键 词:流场特性;植被边坡;流速分布;孔隙度;剪应力;土壤侵蚀中图法分类号:文献标志码:引 言随着绿色生态理念的深入人心,明渠或边坡中的植被流引起了大量研究者的关注。当地表水流经植被区域时,植被按水流条件主要分为淹没和非淹没两种类型。宋滢汀等通过玻璃棒模拟刚性植被,采用三维激光测速仪对含植被明渠的水流流速和紊动强度进行测量,得到了含刚性植被明渠水流特性。陈甜甜等将植被水流分
3、为树干层、树冠层和自由水层,在 涡流黏度理论和经典对数律流速公式的基础上,推求出淹没植被垂向流速分布解析解,并设计相应试验验证解析解的合理性。韩宇等通过随机森林、神经网络、支持向量回归 和 神经网络等机器学习算法研究了明渠出露刚性植被流速分布,发现模拟结果与试验结果吻合良好。任姗等利用人造草模拟柔性植被,通过 技术研究了柔性淹没植被的垂向流速、应力和紊流强度随曼宁系数的变化特性,发现应力的峰值出现在植被顶部,并与植被密度呈正相关。此外,一些研究者也通过数值模拟的方式研究含植被明渠或边坡中水流特性。采用大尺度格子玻尔兹曼方法分别模拟了刚性和柔性植被下明渠垂向流速分布。李雅琪等和丁雪采用 模拟含刚
4、性植被的明渠流动特性。由上述分析可知,对于含植被渠道内水流流动特性的研究大多是基于物理试验和数值模拟,并且研究流体对象都是地表上的水流,而忽视了地表下的水流。本文提出一个含植被边坡的流场计算模型,模型主要分为 层:地表上有水层和草层;地表下为土层。联立 方程和 空隙理论,推导出含刚性植被的垂向流速分布解析解。理论分析图 描绘了二维表面流在恒定情况下经过植被区的场景。在图中,很明显有 层区域:水层、草层和土壤层。液体是假设为黏性的、不可压缩的均匀流,草和土层假定为均质的多孔介质,而在孔隙中运动的水视为 第 期 陈 彬,等:水 草 土耦合边坡流场特性研究图 含植被边坡示意 多孔介质流。所有的物理变
5、量和参数在一个代表截面上取平均基本体积值(),从而在多孔介质内流动的流体可以用偏微分方程来描述。此外,地表流和地下流假设流动已达到稳定状态。当土层达到饱和状态时,流体的垂直速度可以忽略不计。由于流动长度比流动深度大得多,意味着切向导数比法向导数小,所以切向导数可以被忽略。基本控制方程基于上述假设,如果水层较浅,大部分冲击动量将转移到下垫层土壤中。如果忽略雨滴向水层的动量传递,同时忽略降雨在水流表层产生的水波,则 方程可以简化为 方向:,()方向:()式中:是水层流体在 方向(切向)上的速度,;是水层(即层)的流体压力,;和 分别为流体的密度和动力黏滞系数,();是重力加速度,;为坡脚,;()为
6、水层厚度,;是草的高度,;()为水深,;、为图 所示坐标。和 简化了 的孔隙弹性理论,以模拟植被覆盖的倾斜地面上的低雷诺数流动,尺度多孔介质内部孔隙水的动量方程可以表示为 方向:()方向:()式中:为孔隙水在 层 方向(切向)上的速度,;为 层孔隙介质内部孔隙水压力,;为水的动力黏滞系数,();为 层孔隙度;为 层的本征渗透率,;下标 表示草层();下标 表示土层();为土层厚度,。边界条件在无风力、无表面水波、恒定流和使用表面压力的假设下,本研究含有以下 种边界条件:()在自由液面处()。流体应力在法向(方向)上保持连续:()流体应力在切向(方向)上保持连续:()()在水层和草层的交界面处(
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