坡面径流对斜坡散粒体稳定性影响的试验分析

坡面径流是松散介质斜坡上颗粒发生搬运滚动的水动力条件。为研究坡面径流对斜坡散粒体颗粒稳定性的影响,开展室内水槽冲刷试验。试验设置3种粒径和4种坡度,通过高清摄像捕获斜坡散粒体受水流冲刷起动过程,获得不同条件下颗粒冲刷起动的临界径流水深h_cr。实验结果表明：在同一粒径条件下,起动水深h_cr随着斜坡坡度的增大而减小;而在同一坡度条件下,起动水深h_cr随着粒径的增大,出现先增大后减小的情况,这主要是由于随着颗粒粒径的增大,坡体的渗透性增强,在水流的渗透作用下,颗粒更容易发生运移造成的。为合理解释实验现象,建立斜坡径流-渗流耦合模型来分析坡面径流条件下颗粒的稳定性变化情况,通过将水流的流速特征与土颗粒的受力起动特性结合起来,给出临界水深h_cr的理论表达式,其主要受颗粒粒径、颗粒比重、孔隙率、坡体渗透率和斜坡坡度等因素共同控制。通过将实验结果与计算结果进一步对比发现,在同一粒径区间内,临界水深h_cr的实测值与理论值均随坡度的增大而减小,而理论值与实测值之间的相对误差随坡度的增大而增大,但其均控制在35%以内,并对产生该误差的原因进行了分析。为修正实测值与计算值之间的误差,应用MATLAB的神经网络模块对数据进行拟合,建立含两个神经网络结构的临界水深h_cr修正公式,精度较高。     

黏性非均匀沙的起动概率

基于概率论与力学结合的方法，探讨了黏性非均匀沙的起动问题．将促使颗粒运动的外力矩大于颗粒保持静止的外力矩视为泥沙起动的临界力学条件，通过作用力臂的统计处理以反映颗粒在床面排列的随机性，并基于瞬时底流速的概率分布和试验资料建立起适合黏性非均匀沙的起动概率公式．其中作用力包括推移力、上举力、水下重力和黏性力，而黏性力表达式则根据因次分析和交叉石英丝试验得到，涉及到泥沙非均匀性、干密度和水压力等影响因子．摩阻流速的计算值与试验值的比较表明，起动概率和相应临界摩阻流速公式合理地刻画了非均匀沙起动的随机力学特性，考虑因素较为全面，对无黏性和黏性的非均匀沙均适用，可供潮汐河口非均匀沙冲刷预测时使用．     

径流条件下散粒体斜坡的颗粒冲刷启动机理

摘 要：为研究地表径流对散粒体斜坡的冲刷侵蚀效应,根据斜坡坡面径流和坡内渗流特征建立了散粒体斜坡径流-渗流耦合模型。该模型用Navier?Stokes方程描述淹没区坡面径流,用Brinkman-extended Darcy方程描述散粒体斜坡坡内渗流。径流区和渗流区的流体运动均满足连续性方程,且在交界面处的流体满足Neal和Nader提出的流速相等和剪应力连续双边界条件。采用Navier?Stokes方程和Brinkman-extended Darcy方程分别联立连续性方程推求出径流区和渗流区的流速分布。分析流速理论表达式可知,影响斜坡表部径流流速和坡体内部渗流流速的主要因素有斜坡坡度、径流水深、斜坡散粒体的孔隙率和渗透率,且流速随它们的增大而增大。为探究在径流条件下散粒体斜坡坡面颗粒的冲刷启动机理,引入Newton内摩擦定律求得径流区和渗流区交界面上的切应力,并对颗粒发生滑动和滚动两种情况分别进行受力分析,给出了颗粒滑动和滚动两种运动方式相应的失稳判据。分析两种判据可知：(1)颗粒发生滑动时,其抗滑稳定安全系数主要受散粒体斜坡坡度、颗粒的内摩擦角、颗粒半径、径流水深、散粒体斜坡孔隙率和渗透率的影响,且随颗粒的内摩擦角、颗粒半径、散粒体斜坡孔隙率和渗透率的增大而增大,随散粒体斜坡坡度和径流水深的增大而减小;(2)颗粒发生滚动与否主要取决于散粒体斜坡坡度、径流水深、颗粒半径、散粒体斜坡孔隙率和渗透率,且它们的值越大,颗粒越容易失稳。     

基于能量守恒理论的波浪侵蚀土质岸坡范围预测方法

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将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;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。波浪上爬模型试验结果表明：岸坡坡度越大,则波浪爬高越大,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。波浪侵蚀岸坡模型试验结果表明：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;碎石含量越多,岸坡的抗侵蚀能力越强,由于碎石护面作用使得岸坡侵蚀稳定的时间缩短;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是可靠的。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中。     

冲刷过程中岸坡条件对塌岸淤床交互作用影响的试验研究

在弯道水槽中开展系列试验,研究不同的岸坡条件对岸坡稳定性以及崩塌体与河床交换作用所产生的影响。试验成果表明：岸坡崩塌及崩塌体的分解输移与近岸水流的紊动能关系密切。水流冲刷过程中岸坡破坏是水流淘刷岸坡坡脚、岸坡崩塌及崩塌体淤积坡脚并在河床上输移的反复循环过程。无论岸坡是黏性土组成还是非黏性土组成,坡脚附近河床并没有与崩塌土体发生掺混。在岸坡形态、河床组成及水力条件相同的情况下,黏性岸坡坡脚处河床冲刷量明显大于非黏性岸坡坡脚处河床冲刷量;黏性岸坡崩塌量小于非黏性岸坡崩塌量。在岸坡材料相近、河床组成及水力条件相同的情况下,较陡岸坡经水流淘刷后更易失稳,岸坡冲刷坍塌量及崩塌物质在河床上的淤积量明显大于较缓岸坡情况。     

洪水起动泥石流沟床物质形成泥石流的试验

以研究震后强震区泥石流起动的临界水力条件为目的,在实验室内模拟了洪水起动沟床物质形成泥石流的条件,对比前人研究的颗粒起动的临界水流速度条件后得出：泥石流形成时的颗粒起动条件介于少量起动和大量起动之间,临界起动概率为0.05,约为少量起动的2倍,大量起动的1/3;泥石流形成的临界流速随起动颗粒中值粒径的增加而增加,随沟床坡度的增加而减小;颗粒的不均匀系数越大,起动所需要的临界流速也越大;修正的泥沙起动和泥石流起动公式适用于较大的泥沙颗粒粒径和泥沙不均匀系数的泥沙起动条件.     

坡面非均匀沙起动规律研究综述

系统地分析与总结了国内外关于坡面非均匀沙起动研究的新成果及进展情况,并分析了泥沙起动的河床组成、岸坡坡度、渗流以及近底水流结构等主要影响因素.在此基础上,指出了3种泥沙起动临界判别条件(起动切应力、起动流速和起动功率)研究与应用中存在的问题,并以非均匀沙的暴露度分析为例,对比了不同学者关于暴露度表达式与分布形式的异同,认为坡面非均匀沙的起动是水力泥沙等多因素综合作用的结果,需要识别坡面非均匀沙起动的主要影响因子,探求多因素作用下的泥沙起动条件,才能进一步揭示泥沙起动的内在规律,完善复杂条件下的泥沙起动判别条件.     

微生物作用下含有机质沉积物起动的定量研究

为了探究微生物作用对沉积物起动规律的影响，提出考虑微生物培养时间和有机质含量的沉积物临界起动剪切应力计算方法.通过明渠冲刷试验分析了微生物培养时间及有机质含量对沉积物临界起动剪切应力的影响规律；引入絮体强度常数γ值对微生物黏性作用进行定量表征；基于沉积物起动理论，提出在微生物作用下沉积物的临界起动剪切应力经验公式.结果表明，随着微生物作用时间的增加，临界起动剪切应力先增大后减小，并在10或15 d左右达到峰值，最终达到0.072～0.117 N/m².临界起动剪切应力随着有机质含量的增大而减小.微生物黏性作用与γ值呈现显著的负相关，皮尔逊相关系数为-0.767，临界起动剪切应力公式计算值与实验值较为吻合.     

波浪作用下岸坡泥沙起动机理初探

波浪在库岸边坡破碎时,由水体紊动、破波压力和波能产生的上举力使库岸泥沙颗粒处于悬浮起动状态,并在沿岸坡向的破波回流作用下被带走,最终造成库岸边坡的冲刷变形.在实测各向破波压力和岸坡变形的基础上,得到了波浪作用下岸坡泥沙起动公式,并对其进行了修正.     

非均匀沙起动流速研究与比较

在现有泥沙起动研究成果的基础上,通过理论分析、公式转换和比较,得出即使对均匀沙,起动流速公式的起动系数K也不应是常数,K应随着起动环境的改变而变化,现有各公式的起动系数K是不同的常数,这就影响了各公式的适用范围.分析表明,影响起动环境的因素有水流条件、床面泥沙颗粒特性、泥沙颗粒和水流条件之间的相对关系等,给出了各影响因素的数理表达式,建立了非均匀沙起动流速公式,公式计算值与实测资料符合良好.本文公式与几个常用的起动流速公式的比较结果表明,公式精度较高.     

干容重对粘性淤积物起动和冲刷的影响

根据粘性淤积物的本质特性,从粘性淤积物起动机理入手,结合粘性泥沙起动与土力学粘性土边坡滑动的相似性,建立相应的微观起动模式,通过理论分析辅以试验资料,分别研究干容重对粘性淤积物临界起动切应力、起动流速以及冲刷率的影响.研究结果表明:干容重对粘性淤积物起动和冲刷的影响非常大.     

大比降河道均匀沙起动流速研究

在讨论床面均匀沙颗粒起动标准的基础上,引入休止角的表达式和随机性理论推导出不同底坡下均匀沙起动概率,进而导出泥沙起动流速;通过已有的研究成果验证本公式的合理性,结果表明：本文公式适用于大比降河道,而且对普通河道的适用性也较强;同时文章初步分析了典型无粘性均匀沙起动公式差异性的原因。     

动床沙粒阻力计算的研究

沙粒阻力的计算是泥沙运动力学的重要问题。基于泥沙的起动阻力来研究沙粒阻力的计算，是一种较为直接的方法。利用泥沙起动的Shields曲线与明渠阻力特性之间的相似性，结合实测泥沙起动资料给出了沙粒阻力的计算公式。该公式表示的沙粒阻力系数仅是能坡的函数，从而避免了采用相对水深时床沙代表粒径选择的困难。验证结果表明，该公式要优于其他沙粒阻力的计算公式。     

An experimental study of the incipient bed shear stress partition in mobile bed channels filled with emergent rigid vegetation

This paper investigates the bed shear stress based on the condition of the incipient motion of sediment in a uniform-flow flume covered with emergent rigid vegetation,which is represented by arrays of circular cylinders arranged in a regular pattern.A total of 148 tests are performed to observe the influence of the vegetation density,bed slope,flow depth and sediment size on the bed shear stress.The tests reveal that when the sediment is in incipient motion,the resistances acting on the flow passing the rigid vegetation contain the vegetation resistance and the bed shear stress.This shear stress could be divided into two parts:the grain shear stress and the shear stress caused by sand dunes,which are the deformed bedform with the sediment incipient motion.An empirical relationship between the shear stress of the sand dune and vegetation density,the Froude number,the apparent vegetation layer velocity is developed.     

Incipient motion of sediment by waves

In this paper, the forces acting on sediment particles are analyzed in all the aspects. Considering the cohesive force between particles, the additional static water pressure induced by the solid-body characteristics of film water and the inertia force of waves, a unified formula of the incipient motion for both coarse and fine particles is defined. The formula can reflect the variation in the initial velocity of fine particles with the volume weight of sediment. The verification of the formula is carried out by use of both experimental data and field observation data accumulated by experts at home and abroad. The verification shows that the formula expresses the law governing the incipient motion of sediment of all particle sizes inclusive of natural sediment and light-weight materials, and thus a basic formula for the study and solution of sediment problems in estuarine and coastal regions is provided.     

泥沙起动条件的模糊分析

泥沙的起动具有模糊性,本文在种模糊随机现象的基础上,根据近代摩擦理论,应用模糊规划模型,对水平床面及斜坡上泥沙起动条件进行了分析,导出了泥沙颗粒在水平床面及斜坡上保持静止的条件。     

非均匀沙起动标准的比较研究

本文介绍了泥沙起动的多种判断标准。文中指出，定性标准不宜作为非均匀沙的分级起动标准。对推移质输沙率标准和取样标准的比较研究结果表明，ＰＫＭ标准要求的输沙率偏低，就试验的实际起动粒径而言，ＡＷ标准要求的输沙率比ＨＨ标准要求的输沙率低。最后对如何采用起动标准提出了建议     

纵向剪切波作用下长型地下结构与Pasternak地基相互作用研究

为了研究在剪切波沿地下长型结构纵向传播情况下,惯性力对于结构与地基动力相互作用的影响,采用Pasternak地基模型,分别建立长型地下结构静力平衡方程、自由振动方程和强迫振动方程.通过振型叠加法将偏微分方程简化为常微分方程,利用微分算子法分别求得静力平衡方程、自由振动方程和强迫振动方程的解析解.通过算例计算,考虑地基土硬度对于地基基床系数k0、剪切波速vs、泊松比υ、地基土剪切模量G0的影响,比较并分析静力平衡方程解与强迫振动方程解的差别,得出当地基土硬度较大的情况下惯性力影响较小的结论.