明渠弯道水流运动规律研究现状

自然界中河流经常是弯曲的,使得弯道环流研究成为水力学及河流动力学最重要的课题之一。明渠弯道水流运动规律的研究主要包括弯道水面横比降、横向环流垂线分布和环流流速沿程分布等方面。本文对这三方面的研究成果进行了归纳与分析,并对弯道水流运动规律的研究现状进行了评述。通过罗索夫斯基的实验资料对弯道环流流速分布公式和环流流速沿程分布公式进行了检验比较,向工程界推荐出相应的计算公式。     

考虑环流横向输沙及河岸变形的平面二维扩展数学模型

本文考虑弯道环流输沙效应，在泥沙运动基本方程中增加了反映环流横向输沙附加项，对平面二维水沙数学模型的悬移质、推移质输沙方程和河床变形过程进行了扩展。借助土力学中关于边坡稳定性理论中的圆弧滑动法，并引入多杈树搜索方法，建立了适用于平面二维数学模型的河岸崩塌变形计算方法。经扩展后的平面二维水沙数学模型能模拟环流横向输沙及由其引起的河床冲淤和河岸变形，并应用该模型模拟了弯道发生、发展过程，计算结果与已有的认识是一致的。     

计算弯道环流的通用公式

针对罗索夫斯基弯道环流公式推导过程中存在的问题，在其模型方程中，增加底床不可滑动条件，耦合求解得到了弯道环流公式和水面横比降公式，并应用数值逼近方法，对弯道环流公式进行了简化，以便于弯道环流的理论计算和工程应用。通过对光滑和粗糙床面条件下弯道环流实验资料的验证，并与罗索夫斯基公式、Odgaard公式、张红武公式进行了比较，表明本文公式与实际值最为符合。因此，本文得到的弯道环流公式，形式较为简洁，易于计算，而且适合不同粗糙度的床面，是计算弯道环流的通用公式。     

黄河下游河岸横向变形数值模拟研究

通过在水流运动方程中增加弥散应力源项,考虑弯道二次流的影响,引入横向环流输沙对河床冲淤变化的影响,对悬移质不平衡输沙方程、推移质输沙方程及河床变形方程进行了修正.根据黄河的特点建立了模拟河岸侵蚀、崩塌的计算方法,应用所扩展的平面二维数学模型对黄河下游河道的横向变形及河势演变进行了数值模拟,结果表明该计算模型能较好地模拟河道横向变形.     

弯道环流流速公式的验证与比较

弯道环流流速公式是弯道水力学理论研究的重要内容.给出了弯道环流流速公式的一般理论推导过程,归纳了国内外5种具有代表性的环流流速公式,即罗索夫斯基公式、张红武公式、Odgaard公式、孙东坡公式以及罗索夫斯基修正公式,并采用弯道水槽及模型资料予以验证和比较,同时对3种罗氏公式的近似式进行了验证.验证结果表明,罗氏公式的3种近似式中,只有丁君松的近似式是精度较高,其它两种均有较大偏差.5种代表性的环流流速公式,张红武公式的精度高和可靠性强,其次是罗氏公式和Odgaard公式,孙东坡公式与张红武的实测资料存在一定偏差,而罗索夫斯基修正公式的形式不尽合理,在近底区域与实测资料分歧较大,甚至与定性规律相悖.     

弯曲河道纵向垂线平均流速平面分布的研究

本文以弯道水流运动方程作为分析的基础，根据弯道水流纵向流速沿垂线分布在凸岸区域眼从对数分布律，在四岸区域眼从抛物分布律，导出了分区域变自率动床弯道水流纵向垂线平均流速计算公式，并从理论上对河湾纵向垂线平均流速的横向分布和沿程变化规律进行了分析，同时给出了适用于定半经弯道的纵向垂线平均流速平面分布公式的简化形式。最后采用美国ＦａｌｌＲｉｖｅｒ野外水流观测资料对纵向垂线平均流速计算公式进行了验证计算，结果令人满意。     

弯曲河道推移质输沙带的研究

本文建立了适用于弯曲程度不同时的河道泥沙起动流速公式，对环流非充分发展的，床面达到动平衡状态的弯曲河道推移质强烈输沙带进行了研究。导出了弯曲河道内呆烈输沙带的曲线方程，经模型连续弯道内实测输沙带的位置和计算强烈输沙带曲线的比较，结果令人满意。     

非均匀悬移质输沙率

结合Jasmund-Nikurads对数流速分布和作者提出的非均匀悬移质含沙量垂线分布规律,建立了非均匀悬移质输沙率公式。公式为显式函数形式,结构简单,适用于非均匀沙任意粒级,对D_i=D_m且σ_D=1的均匀沙情形具有自适应性。考虑近底层床面至z=a处的输沙率,理论上精度有所提高。与以往积分形式的输沙率计算公式相比具有优越性。根据长江口2005至2012年实测水沙资料与计算结果的比较,两者符合良好。     

基于能量原理的悬移质泥沙沿岸输沙率横向分布公式

基于能量原理建立波流共存时的挟沙力公式,用于计算悬移质泥沙沿岸输沙率的横向分布。收集了共382个实测数据,确定公式中的能量传递系数。建立了波浪破碎能量传递系数与Dean数之间的关系。将公式计算结果与现场观测悬移质沿岸输沙率比较,结果表明计算值与测量值吻合较好,公式能较合理地反映不同波浪条件下悬移质沿岸输沙率的横向分布规律。     

弯道推移质泥沙运动特性及其对河道演变的影响

弯曲河道水流、泥沙的运动特性与顺直段不同,存在横向流速与横向输沙。在考虑了弯道河段横向水流影响的条件下,导出了弯道河段泥沙的起动流速公式,并进行了合理性分析,认为在相同的纵向流速条件下,弯道段凹岸侧泥沙的起动粒径和泥沙输移速率均较顺直段大。同时结合弯道段水流和泥沙的运动特性阐明了弯道河段的演变规律。     

弯道推移质泥沙运动特性及其对河道演变的影响

弯曲河道水流、泥沙的运动特性与顺直段不同 ,存在横向流速与横向输沙。在考虑了弯道河段横向水流影响的条件下 ,导出了弯道河段泥沙的起动流速公式 ,并进行了合理性分析 ,认为在相同的纵向流速条件下 ,弯道段凹岸侧泥沙的起动粒径和泥沙输移速率均较顺直段大。同时结合弯道段水流和泥沙的运动特性阐明了弯道河段的演变规律。     

小宽深比U型弯道环流试验研究

采用多普勒超声测速仪(ADV),对小宽深比的U型弯道沿程断面上各不同垂线位置上的点进行了三维流速测量,并基于所测数据分析了主流线位置、横向流速沿垂线分布、环流结构以及环流强度等水力特性。研究结果表明:在60°断面后,水流的表层与底层主流线开始分离,形成复杂螺旋结构。水流进入弯道后,沿程各断面均形成一逆时针主环流,并且从75°断面开始,凹岸表层又出现与主环流方向相反的次生环流;环流强度最大值位置出现在弯道弯曲度1/3处附近。研究结果为进一步深入研究弯道水流紊动特性和泥沙运动提供了有效参考。     

河湾水流与凹岸路基侵蚀机理探讨

笔者利用弯道概化模型试验成果对河湾螺旋水流特性及凹岸路基的侵蚀机理进行研究。对河湾水流的形态和环流的形成、发展规律及凹岸水下路基边坡泥沙运动特性进行了分析。提出了凹岸路基的侵蚀主要是由河湾水流对路基边坡的淘刷以及路基的崩塌而引起,得出了河湾凹岸路基防冲范围。     

180°弯曲水槽内床面冲淤演化过程数值模拟

为准确掌握180°弯曲水槽内床面冲淤特征及其演化过程,采用基于非结构化三角形网格的三维流动和地形冲淤数值模型对180°弯曲水槽内床面的冲淤演化过程进行复演。运用标准k-ε紊流模型和显式2步投影方法求解RANS方程,推移质输沙率选取VanRijn输沙公式计算,对于二次流强度较强、横向坡度对输沙方向影响较大的强弯曲水槽,采用方便实用的Engelund方法计算横向底坡所引起的输沙方向的偏移,同时对河床变形所引起的河床临界起动切应力变化进行修正及对流动和地形冲淤相同时间步模拟非恒定的河床冲淤演化过程。与试验测量结果对比显示数值模型对强弯曲水槽冲淤特征有较好的模拟效果;Engelund方法对计算输沙方向偏移角度具有明显的改进;模型同样也具备复演内床面非恒定冲淤演化过程的能力。     

弯曲型河道挟沙水流运动规律研究进展

弯道水流 (包括挟沙水流 )运动规律的研究 ,在水利工程学的许多领域中 ,占有重要的位置。本文着重对弯道水流水面横比降、横向环流、纵向垂线平均流速分布规律及弯道输沙特性研究进展进行了阐述分析 ,以便为生产科研方面服务。     

不同入射角对河流弯曲演变的影响

水流经一定的入射角进入河道后,引起横、纵向的泥沙运动,导致床面形态发生剧烈变化,这对河道初始阶段的弯曲演变具有显著影响。通过自然模型实验的方法,借助模型小河来探讨这一过程。实验表明,入射角对河道初始阶段的弯曲演变具有显著作用,入射角改变了起始阶段的弯曲度和输沙规律,加速了河弯的出现,且随着入射角的增大,河道的弯曲度呈增...     

新疆人工弯道式引水枢纽的设计与运行

新疆河流多系山溪性多沙内陆河,其特点是河床纵坡陡,洪枯流量变化大,含沙量大,推移质泥沙占年总输沙量的20%左右.为了解决引水与排沙的矛盾,采用人工弯道式引水枢纽,使其产生横向环流,因而上层清水主流靠近凹岸的进水闸,底层水挟带了泥沙和推移质向凸岸移动,最后从排沙闸排出.实践证明:这种正面引水,侧面排沙的人工弯道式引水枢纽的设计适合新疆河流特点.     

兴化湾悬沙输移机理分析

隧道工程所在位置河床的最大冲刷深度是过江隧道方案设计的关键参数之一,合理确定最大冲刷深度能为保证工程安全和减少投资提供重要设计依据。在分析近年来河道演变特点和前人所做研究的基础上,以长江下游仪征水道世业洲河段拟建过江隧道为例,分析工程河段的来水来沙特点,采用二维水流泥沙数学模型对不同水文年条件下河段河床最大冲刷深度进行了研究。在验证模型水流和泥沙冲淤相似的前提下,确定了动床模拟的不利水沙系列为2007—2010年+1998年+300年一遇洪水流量过程,并结合地质勘测资料对模拟结果进行了合理预测。最终确定过江隧道断面河床左汊最大冲深为10.85 m,右汊最大冲深为8.87 m,该结果对拟建过江隧道工程而言偏于安全。