床沙组成对水流阻力的影响

天然情况下，河流泥沙组成多为非均匀沙。河流床沙及其级配组成的非均匀性是影响水流阻力的主要因素之一，研究床沙组成的非均匀性对水流阻力的影响，具有重要的理论和现实意义，本文在大量实验和实测资料的基础上，首次定量探讨床沙级配及其组成的非均匀性对水流阻力的影响，得出非均匀性对水流阻力影响的规律。同时，简要探讨了泥沙颗粒间相互作用关系，为进一步深入研究提供了可靠的依据。     

非均匀沙床面阻力特性及计算方法

天然情况下，河流泥沙组成多为非均匀沙．研究床沙组成非均匀性对水流阻力的影响，具有重要的理论和现实意义．以Keulegan流速公式为理论依据，分析可靠的2174组试验和国外1404组河流实测资料，系统考虑庆沙组成的非均匀性对水流阻力的影响关系，建立了非均匀沙床面阻力系数的计算方法．通过长江中下游678组现场资料验证，得知计算结果有较高的精度，可供确定非均匀沙床面阻力时参考．     

非均匀沙起动条件探讨

在考虑水流条件、床沙组成的基础上,通过对泥沙颗粒受力分析。建立了滚动平衡方程式,得出了非均匀沙 分级起动切应力公式。在建立公式的过程中考虑了床沙非均匀性的影响。定义了附加作用力G,并将其引入公式中。 通过实验数据的验证表明公式的计算结果与实验数据符合良好。     

非均匀沙分级起动切应力探讨

在考虑水流条件、床沙组成的基础上,通过对泥沙颗粒受力分析,建立了滚动平衡方程式,得出非均匀沙分级起动切应力公式.在建立公式的过程中考虑了床沙非均匀性对起动的影响,定义了附加作用力G,并将其引入公式中.通过实验数据的验证表明公式的计算结果与实验数据符合良好.     

床沙代表粒径与输移泥沙中值粒径的关系

本文分析了输移泥沙床沙质中值粒径D50i的变化规律和计算方法，指出由于水流的分选作用，输移泥沙的中径D50i一般较床沙中值粒径D50为细，且相对中值粒径D50i/D50随床沙标准方差σg的增大而减小。还分析了床沙非均匀性对输沙能力的影响，结果在相同的D50条件下，输沙能力随σg的增大而增大。此外，对采用D50i作为床沙代表粒径的输沙能力计算进行了探讨，结果可以大大提高输沙能力的计算精度。研究表明，用于非均匀沙输沙能力计算的床沙代表粒径，不应是一个固定不变的粒径，床沙代表粒径及相应的沙重百分数应随σg的增大而减小，Einstein等建议的D35仅在σg值为1．5左右才适用。     

泥沙粒径对其均匀系数分布影响的试验研究

在挟沙水流中，泥沙颗粒的运动是随机的。对于不同的点，泥沙组成是不一样的，即泥沙颗粒组成具有不同均匀程度，它的非均匀系数φ沿垂向存在一定规律性。通过水槽试验，分别对3种粒径泥沙颗粒探求泥沙组成的非均匀系数沿水深方向的规律。试验表明：对于粗颗粒试验泥沙，其非均匀系数随水深的增加而增大；中、细颗粒试验泥沙，非均匀系数随水深的增加而减小，但二者的减小梯度存在差异。     

泥沙起动判别标准的研究

本对泥沙起动判别标准的研究现状进行了分析，指出了所存在的问题，并根据水流紊动底速符合正态分布的特点，分别提出了均匀沙和非均匀沙起动的判别标准。     

引黄灌区非均匀沙运动数学模型研究

泥沙问题是制约引黄灌区可持续发展的重要因素，灌渠的规划设计阶段和日常的运行管理中都需要掌握渠道的泥沙冲淤情况。本文根据一维水流非均匀沙运动方程，结合灌区灌溉特点和测量资料情况作了概化处理，建立了适合于灌区的非均匀沙冲淤计算的数学模型。模型中考虑渠系沿程的分水分沙和冲淤交换，将断面流量按渠段划分并计算，悬移质泥沙按粒径分组计算，根据分组水流挟沙力和非均匀悬移质不平衡输沙公式计算泥沙含沙量。模型采用山东簸箕李灌区的实测资料进行验证，表明模型可用于预测不同来水来沙条件下非均匀沙在渠道内的运动淤积分布情况。     

非均匀沙起动规律研究

从非均匀沙受力分析出发，将非均匀泥沙起动所受到的附加作用力分为两部分。用滚动平衡方程式建立了能反映非均匀沙不均匀性的起动流速公式。利用天然河流实测资料和水槽实验资料率定计算公式中的系数，并用其它天然河流和水槽资料进行了验证。结果表明，公式的计算值与天然河流的实测值和水槽实验的实验值符合较好。     

粗化床面非均匀沙推移质运动扩散特性研究

对泥沙颗粒运动规律的把握是准确估算推移质输沙率的基础。本文开展了粗化床面条件下的水槽试验，分析了非均匀沙颗粒的均方位移和速度自相关系数变化，并与已有均匀沙试验进行了对比。结果表明，粗化床面存在着由单个或多个粗颗粒组成的粗化结构体，形成比平整床面更复杂的底部边界，粗化结构体对泥沙颗粒运动造成较大影响，颗粒在运动过程中与水流动量交换强度大，泥沙颗粒运动与均匀沙试验“类弹道扩散”存在一定差异；受床面结构影响，部分颗粒表现出较强的横向运动，颗粒的横向扩散特性与流向扩散特性类似。与均匀沙平整床面不同，粗化床面上颗粒运动可能会相应改变床面结构，从而改变水流底部边界条件，进而对泥沙颗粒运动造成影响，泥沙颗粒运动存在较明显的记忆效应和反常扩散现象。     

Experimental study on the bed topography evolution in alluvial meandering rivers with various sinuousnesses

The bed morphology in alluvial meandering rivers is composed of both alternatively distributed free bars and curvature related point bars. To study the influence of channel sinuousness on the flow and sediment transport, and consequently the bed morphology in meandering rivers, experiments were carried out in a series of curved channels with erodible bed fixed side walls. Measurements on the surface flow field, bed topography evolution and sediment transport rate were performed. Experimental results show a high velocity area near convex bank at a streamwise position a little bit upstream of the apex and the increasing in sinuousness of channel tends to increase the cross-sectional variation of flow velocity at the apex of bends. Point bars and pools appear in the channel bends in all experimental runs the bedform has an obvious tendency of downstream migration as a whole. The quasi-equilibrium bedform in the channel bends are dominated by two independent factors: the influence of curvature and the influence of flow-bed instability inside the channel. The increasing of flow rate leads to a faster development of bars and pools, as well as faster downstream migration of the entire bedform. The increase of sinuousness in channel bends leads to the increase of both the spatial and the temporal fluctuation of bedforms. Bedload is dominant in the sediment transport and the sediment transport rate tends to increase with the increasing of the inlet flow rate but decrease with the increasing of the channel sinuousness. Computational results on the bed topography in river bends was also presented based on empirical models, showing that the highly sinuous channels have more uncertainty in bed morphology and more difficult to be predicted with mathematical models when compared with slightly sinuous channel bends. The coupled interaction of point bars, mid-channel bars, alternative bars and even sand ripples are thought to complicate the mechanism and make the bed morphology difficult to predict. The experiment results can be useful for further theoretical study on the dynamics of river meanders with water depth-width ratio as small as 1/10 to 1/20 and bedload dominated sediment transport.     

EXPERIMENTAL STUDY ON BED RESISTANCE CHARACTERISTICS OF NONUNIFORM SEDIMENT

1.　 INTRODUCTIONThe resistance characteristics of a fluvial river are in close relation with the dischargeand sediment-carrying capacity of the flow and it is a basic problem of river dynamics.Un-der natural circumstances,the bed of a fluvial river is composed of nonuniform sediment.Bed material size and nonuniform property are important factors affecting bed roughnesswhich is the most importantfactor of surface resistance.Early studieson bed resistance characteristicswasfocused on unifo…     

挟沙水流的冲刷率及河床惯性的研究

在清水水流河床冲刷率的实验研究基础上，本文进一步研究了挟涉水流来沙率对冲刷率的影响。结果说明挟抄水流的冲刷率随来沙率与水流输沙力欠饱和度之比以负指数律降低。当来水挟抄率与水流饱和输抄率相等时，冲刷率降刊0。河床惯性是河床在非恒定流中一种重要的动力学性质。利用河床惯性与冲刷率的关系测量了各种沙样的河床惯性值。发现河床惯性随床沙颗粒分选系数增大而增大，分选系数很大时趋近于极限值50t／Tn0。利用河床惯性和河床变形方程得出了冲刷过程中水流输沙率沿程和随时间的变化规律，结果说明水流输沙率欠饱和度向下游以负指数律下降，这与冲刷率随实际水流挟沙率与欠饱和度之比以指数率下降的规律有耜同意义。河床惯性愈大，实际水流输沙率增长得愈慢。河床惯性与于容重及摩阻流速之比构成的无困次数A。代表河床变形和水流实际挟沙量对水流挟沙力变化的响应程度。     

河岸与河底相对粗糙度对河道平衡形态的影响研究

边界条件对河流地貌形态具有重要影响,基于河道边界阻力水力半径分割方法,利用变分方法研究河岸与河底相对粗糙度对冲积河流平衡河道形态的影响。结果表明,河岸与河底相对粗糙度对河流达到平衡时的最大输沙率有一定的影响,但对河道平衡形态的影响非常显著。在临界和平均水力几何形态关系式中,随着河岸与河底相对粗糙度的增大,河宽关系式的系数逐渐减小,水深关系式的系数逐渐增大,但控制变量,特别是流量的指数变幅很小。     

清水冲刷不连续宽级配床面阻力特性及输沙规律试验研究(Ⅰ)——床面阻力特性

不连续宽级配床沙在天然河道中广泛存在,作为非均匀沙的特殊类型,其床面阻力与一般意义上的非均匀床面相比具有不同的特性。本文通过水槽试验对不连续宽级配床面阻力特性进行了探讨,引入峰度系数表征粗糙床面床沙粒径的非均匀性,将不连续宽级配床面与连续宽级配床面统一起来,根据试验数据拟合得到不连续宽级配床面阻力系数表达式,具有较好的精度。     

A method for improving predictions of bed-load discharges to reservoirs

Effective management options for mitigating the loss of reservoir water storage capacity to sedimentation depend on improved predictions of bed‐load discharges into the reservoirs. Most predictions of bed‐load discharges, however, are based on the assumption that the rates of bed‐load sediment availability equal the transport capacity of the flow, ignoring the spatio‐temporal variability of the sediment supply. This paper develops a semiquantitative method to characterize bed‐load sediment transport in alluvial channels, assuming a channel reach is non‐supply limited when the bed‐load discharge of a given sediment particle‐size class is functionally related to the energy that is available to transport that fraction of the total bed‐load. The method was applied to 22 alluvial stream channels in the USA to determine whether a channel reach had a supply‐limited or non‐supply‐limited bed‐load transport regime. The non‐supply‐limited transport regime was further subdivided into two groups on the basis of statistical tests. The results indicated the pattern of bed‐load sediment transport in alluvial channels depends on the complete spectrum of sediment particle sizes available for transport rather than individual particle‐size fractions represented by one characteristic particle size. The application of the method developed in this paper should assist reservoir managers in selecting bed‐load sediment transport equations to improve predictions of bed‐load discharge in alluvial streams, thereby significantly increasing the efficiency of management options for maintaining the storage capacity of waterbodies.     

冲积河流稳定平衡条件与断面几何形态的数理分析

冲积河流稳定平衡条件长期以来被认为无闭合解,致使众多经验假说得以应用。本文通过将两个无量纲断面形态参数宽深比和边坡角度引入到冲积河流三大基本运动方程中,详细分析了推移质输沙率与这两个变量之间的复杂关系,从数学上推导得出冲积河流达到稳定平衡的水动力学条件是推移质输沙率最大。河流达到稳定平衡时的过水断面形态数学表达式表明,天然冲积河流在平滩水位时所展现的水力几何关系是河流通过调整过水断面形态达到的稳定平衡的结果。     

冲积河流推移质输沙最优河道形态影响因素理论分析

为从理论上确定水沙动力、阻力和边界条件对冲积河流推移质输沙最优河道形态和最小比降的影响,基于 水力半径分割方法将河床整体糙率划分为河岸糙率和河底糙率;采用河道形态自动调整变分方法,以等腰梯形为 河道过水断面,推导推移质输沙率与河道形态的关系,分析河岸与河底相对糙率、河岸坡角、流量、输沙率、中值 粒径和河底糙率对最优河道形态和最小比降的影响。结果表明：最优河道形态和最小比降随河岸与河底相对糙 率的增大而减小,随河岸坡角的增大而增大。流量或者河底糙率的增加将使最小比降减小,同时造成最优河道形 态趋向窄深。输沙率或者中值粒径的增加将使最小比降增大,但两者对最优河道形态演变的影响不同,输沙率增 大将使最优河道形态向宽浅发展,而中值粒径增加将使最优河道形态向窄深发展。     

基于阻力规律的床面形态判别方法

床面形态变化是河床演变的重要方面。如何根据水流和泥沙条件,预测床面可能出现的形态,一直是航道整治与泥沙研究所关心的实际问题。水流阻力规律是水流流动及床面形态等综合特征的反映,反演适当的阻力规律表达式,应能够区分出不同的床面形态。本文正是基于这一理念,通过建立包含床面形态参数的河流水流阻力规律表达形式,并结合水槽试验,得到了确定床面形态的无量纲特征参数,以此对不同床面形态进行区分,绘制出相应床面形态划分图,进而得到了高、低能态时不同床面形态间的分界线方程。该方程可用于对河床形态进行判别与预测,对河流整治具有指导作用。     

复式渠槽水沙输移特性研究综述

水流运动特性受边界的影响较大,由于复式渠槽特有的几何特征和边界条件,当发生漫滩流时,水流结构比较复杂,水流特性和泥沙输移规律均不同于单一渠槽。分别对顺直和弯曲复式渠槽漫滩情况下的流速分布、剪切力分布、水流阻力及泥沙输移特性进行归纳和分析。从复式断面形态、滩槽交互区动量交换、推移质泥沙运动特性以及自然因素条件对水沙输移特性的影响4个方面,对复式渠槽水沙输移特性的研究趋势进行了展望。