黄土坡面细沟水动力学特性试验研究

在室内放水冲刷试验的基础上,开展了不同流量和不同坡度条件下的均匀细沟和侵蚀细沟的水动力学特性研究,结果表明:在均匀细沟和侵蚀细沟下,平均流速均受坡度和流量的影响,且可用坡度和流量的幂函数来表示;在均匀细沟和侵蚀细沟中,水流雷诺数变化范围分别在252~1 965、248~1 903之间,均主要受流量的影响,且均随流量的增大呈线性关系;弗劳德数在均匀细沟和侵蚀细沟中随坡度的变化趋势基本一致,但随流量的变化趋势有较大差异;阻力系数在均匀细沟中随坡度、流量的增加而增大,且可以用坡度和流量的幂函数来表示,侵蚀细沟的阻力系数随坡度和流量的增大呈先增大后减小的趋势;阻力系数在均匀细沟和侵蚀细沟中随弗劳德数的变化趋势基本一致,但随雷诺数变化趋势有较大差异。     

上方来水来沙对细沟水流水力学参数的影响

利用供沙土槽和细沟土槽双土槽径流小区系统 ,定量分析了粘黄土陡坡地在 5 0、90和 1 30mm h降雨强度下上方来水来沙对坡下方细沟水流水力学参数变化的影响。结果表明 ,上方来水的汇入和降雨强度的增大 ,可使细沟水流流态由层流转变为紊流。上方来水来沙使细沟水流的流速、雷诺数、弗罗得数明显增大 ,而阻力系数明显减少 ,从而导致细沟侵蚀产沙量增大。定量分析了细沟水流流速、雷诺数和阻力系数与上坡来水引起坡下方净细沟侵蚀产沙量的关系 ,建立了一定条件下净细沟侵蚀产沙量与流速相对增量、雷诺数相对增量和阻力系数相对减量的数学统计模型     

工程堆积体坡面细沟流水力学参数特性研究

为采用水力学参数特性揭示黄土高原沟壑区工程堆积体坡面土壤侵蚀过程,开展了野外放水冲刷试验。通过组合不同流量(35、45、55L/min)、不同坡度(24°、28°、32°)的试验,对坡面沟蚀发生发展过程中的水力学参数特性进行了研究。结果表明,坡面细沟水流的平均流速与水深主要受流量控制,二者均与单宽流量呈幂函数关系,且流速随冲刷时间的持续和冲刷形态的变化呈现上下起伏—瞬时增大—稳定的波动或减小—趋于稳定的变化历程。在所有坡度和流量范围内,雷诺数Re在42.9~1 082.8之间变化,雷诺数Re随坡度的增大呈先减小后增大的抛物线趋势。由坡面流弗劳德数Fr随冲刷历时变化情况表明,坡面径流形态是由急流向缓流发展。阻力系数f在0.019~0.94之间变化,f随坡度的增加先减小后增加,且随雷诺数Re的增大而增大,二者之间呈显著的指数函数关系。粗糙系数n随雷诺数增大而增大,且其与雷诺数存在显著性的指数函数关系。研究结果可为工程堆积体土壤侵蚀预报模型的建立提供一定的参数,对解决生产建设项目弃土弃渣场、取土场等水土流失问题具有重要的作用。     

黄土陡坡土壤侵蚀临界动力机制试验研究

通过室内土槽放水冲刷试验,研究了黄土陡坡径流侵蚀产沙特性.结果表明陡坡径流平均流速随径流量和坡度的增大呈波动趋势增加,而径流雷诺数Re和Darcy-Weisbach阻力系数f随着坡度的增加呈现出先增后减的变化趋势.坡面径流平均含沙率随流量的增加波动增加,随坡度的增加而呈抛物线形式变化,临界坡度值出现在21°和24°之间.进一步的分析结果表明侵蚀量随坡度的变化趋势与Re的变化是一致的,坡面径流侵蚀临界坡度的出现与雷诺数具有密切的相关关系,二者之问的关系式为:W=0.2676Re-55.44.     

倒伏植被茎秆粗度对坡面水流特性的影响

为深入探索植被倒伏条件下水流结构的内在规律,开展植被茎秆直径对坡面流水流特性影响的试验研究。试验固定坡度为1. 0%,倒伏角度为20°,取茎秆直径为2 mm、3 mm、4 mm进行室内明渠流模拟试验。结果表明:在相同直径条件下,随水深增大,Darcy-Weisbach阻力系数逐渐增大,雷诺数呈线性增大,弗劳德数呈幂函数形式下降;在相同水深条件下,随茎秆直径增大,DarcyWeisbach阻力系数增大,雷诺数与弗劳德数随之而减小,且当茎秆直径每增加1 mm,阻力系数平均增大33. 76%,雷诺数平均减小2. 57%,弗劳德数平均减小8. 33%。     

坡面薄层水流侵蚀试验研究及土壤抗冲性评价

通过室内冲刷试验，研究了坡面薄层水流的水力学参数特征及产沙变化，结果表明，粒径的雷诺数和弗汝得数都随放水流量而增大，但其流型和流态仍保持不变。径流流速，产沙率均随着流量的增大而呈幂函数增大，阻力系数则随着雷诺数的增大呈幂函数减小。分析薄层水流下理想坡面土壤颗粒的受力情况得出坡面产沙与径流剪切力关系的概念模型。结合试验数据，确定出模型参数的值，并得出试验土壤的临界切应力。     

草被覆盖下坡面—沟坡系统坡面流阻力变化特征试验研究

本项研究旨在通过室内放水冲刷试验，揭示坡面—沟坡系统坡面不同草被覆盖面积比、不同空间配置、不同放水流量下坡面阻力的变化过程及特征。试验共涉及坡面—沟坡系统坡面5种草被覆盖面积比、3种空间配置和2种放水冲刷流量。结果表明：坡面—沟坡系统坡面流各段面平均曼宁糙率系数和平均阻力系数与放水流量关系密切，随流量的增大在有草被覆盖断面两系数呈减小趋势，在无草被覆盖断面呈增大趋势。有草覆盖面积大小对阻力影响较大，随面积比的增加阻力系数增大；坡面流阻力在整个坡面—沟坡系统中沿流程增加而下降。在有草覆盖条件下各断面径流平均曼宁糙率系数和平均阻力系数均呈增加趋势，无草坡面则变化不大。因此可得出结论认为草被覆盖和坡度对坡面流阻力大小起着决定性的影响。     

地表粗糙度对坡面流水动力学参数的影响

坡面流阻力的研究对于深入认识坡面流水力特性及土壤侵蚀产沙机理具有重要意义。采用变坡试验水槽,利用定床阻力冲刷试验系统研究了坡面流Darcy-Weisbach阻力系数与粗糙度、流量、坡度和水流型态之间的关系。结果表明:阻力系数随着床面粗糙度的增加呈指数函数增大;阻力系数随着雷诺数的增加呈幂函数减小,且随粗糙度的增加;阻力系数与弗劳德数呈良好幂函数关系,且粗糙度的影响不显著,流量为主要影响因素;人工模拟粗糙度床面下,阻力系数可由粗糙度、流量和坡度的简单幂函数良好表示,并且粗糙度为主要影响因素,流量和坡度的影响相对较小。由因子分析可知,阻力系数可由粗糙度和弗劳德数良好表示,经检验该模型可用来计算不同粗糙度坡面薄层水流的阻力系数。     

底坡变化对坡面流水动力学特性影响研究

坡度是影响坡面流水动力学特性的重要因素之一,采用变坡试验水槽在变化水深条件下模拟坡面流,用于研究7种不同坡度对水动力学特性的影响。结果表明:水力坡度、弗劳德数、雷诺数随坡度增大而增大,阻力系数随坡度增大先增大后减小;在相同坡度条件下,弗劳德数随水深增大先减小后趋于稳定,雷诺数随水深增大而增大;当0≤J≤1.5%时,水力坡度随水深增大先减小后趋于稳定;当2%≤J≤3%时,水力坡度随水深增大先基本不变后减小。     

汶川震区滑坡堆积体土石混合坡面细沟水动力学特征室内试验

野外测定汶川震区滑坡堆积体休止角，土石混合坡面容重、土壤(<2mm)与碎石(2~7mm)比例，以此作为模拟研究的参数范围，开展了室内土石混合高陡坡面放水冲刷试验，研究了不同流量，坡度，石土比例组合下的水动力学特征。结果表明：34°坡面各流量及36°坡面4L/min组合下，全土情况的水流流速均显著大于含碎石情况下的水流流速，在36°坡面8L/min，12L/min情况下，含碎石情况的水流流速逐渐增大并超过全土情况；各组合水流流速均随冲刷时间的延长而减小。石土比例对雷诺数的影响较复杂，在试验时段内各组合的水流基本属于伪层流或紊流。石土比例对弗汝德数的影响规律与流速相似，弗汝德数随冲刷时间延长而逐渐从急流转变为缓流，其中含碎石情况相比全土情况表现更加明显。Darcy-weisbach阻力系数f随冲刷时间先缓慢增加后迅速增加再急速下降，全土情况下的f值介于0.16~14.40，含碎石情况下f值介于0.16-29.68。Darcy-weisbach阻力系数f与雷诺数Re呈负相关关系。