适用于明渠流及冰盖流的统一泥沙颗粒起动流速公式

为得到冰盖流条件下的非黏性泥沙起动公式,揭示冰期河道断面强烈冲淤变化的机理,基于Einstein假定,推导得到了同时适用于明渠流及冰盖流的统一的非黏性泥沙颗粒起动流速公式,所得公式与已有冰下泥沙起动流速试验数据符合良好。当冰盖糙率为0时,冰盖流泥沙颗粒起动流速公式即化为明渠流泥沙颗粒起动流速公式。应用所得公式,比较了明渠流、冰盖流、冰塞条件下的起动流速及可起动最大泥沙粒径关系,冰塞条件下起动流速最小,可起动最大泥沙粒径最大。2014年冰期黄河头道拐断面发生强烈冲淤变化,是冰花集聚形成冰塞引起可起动最大泥沙粒径增大所致。所得公式及所揭示机理,将为进一步深入研究河道冰期泥沙输移规律提供重要思路和参考。     

冲积河流粗化后的床面沙粒阻力

通过理论分析提出了与泥沙起动水力条件及泥沙重度有关的泥沙等效粒径的概念及其计算方法,并在此基础上提出了一种计算粗化后床面沙粒粗糙尺度的简化公式,对其取值方法及区间进行了说明。该式表明床面上沙粒粗糙尺度不仅与泥沙颗粒的重度及水的重度有关,且与一定水流条件下形成粗化层时床面上泥沙颗粒的最大起动粒径有关。采用国内外70组天然河道及试验室实测资料,对本文提出的床面沙粒阻力计算公式进行了验证,结果表明该公式的计算精度令人满意。该公式可以用来计算冲积河流粗化后的床面沙粒阻力。     

基于全概率的推移质输沙率公式

对于床面泥沙而言,起动过程中主要受水流随机性及床面泥沙颗粒相对位置的随机性等两方面因素的影响,其中床面泥沙颗粒相对位置的随机性用相对暴露度表示。在前人研究的基础上,同时将水流的随机性及泥沙相对位置的随机性考虑到起动概率的研究中,采用滑动起动模型,从理论上推导出泥沙起动的全概率公式,弥补了已有研究的不足。然后根据Einstein的假定,从单宽输沙率的定义出发,引入泥沙起动的全概率,得到了床面上泥沙起动的单宽推移质输沙率公式及输沙强度计算公式;通过水槽试验及野外实测资料验证表明,本文公式结构合理,计算精度较高,适用范围更广。     

泥沙起动条件分析及推移质输沙率公式

基于床面均匀泥沙颗粒相对位置关系,确定了瞬时作用流速及有效作用高度,建立了平坡泥沙起动条件与床面泥沙暴露度的关系。从理论上分析得到,泥沙跃移起动要求水流条件最高,滚动起动及滑动起动取决于泥沙颗粒的暴露角,且暴露角θ不随拖曳力系数C_D和上举力系数C_L的变化而变化。当暴露角θ小于42.8°时,泥沙更易于滚动起动;当暴露角θ大于42.8°时,泥沙更易于滑动起动。在此基础上,推导出了考虑两种起动模式的起动全概率公式,建立了床面推移质单宽输沙率公式。通过经典的推移质输沙率实测资料验证及误差计算表明,公式结构合理,计算精度较高,对于高、中、低输沙率都具有较好的适用性。     

长江口北槽泥沙起动流速研究

在大量实测资料分析、室内水槽试验和现场坐底观测试验的基础上,对长江口北槽泥沙起动流速特性进行了分析研究。首先分析了北槽河床质实测资料,明确了北槽中段河床组成特性。通过北槽天然沙的室内水槽试验研究了天然沙在浅水区的起动特性。通过北槽现场坐底观测的实测结果分析了北槽实际的泥沙起动特征,其中泥沙起动状态主要通过近底泥沙浓度变化和床面冲淤变化的判定。在以上实测资料的基础上分析了北槽的泥沙起动规律,推荐了在浅水区和深水区适宜的泥沙起动流速经验公式。     

非均匀沙荫暴作用及起动流速

引入表征床沙位置的泥沙切点公切线与水平面的交角为参数，依据泥沙起动研究床面表层泥沙由静止到运动的临界条件，确定了以公切角变化范围表征的泥沙起动的判别条件。建立了公切角与颗粒暴露度关系式，推导了在平均情况下，以平均粒径代替起动颗粒上游泥沙时的颗粒平均暴露度。把非均匀沙的荫暴作用与其在床面位置和起动粒径相联系，起动力臂以公切角表示，按照指数流速公式形式，根据滚动平衡条件推导、建立了与床面位置相关的非均匀沙起动流速公式。给出了平均情况下相应于不同粒径的公切角计算式。利用13组共133次实验资料对公式进行了验证，证明公式具有较高的精度。     

球体泥沙暴露度分布规律及其应用

将泥沙颗粒简化为三维球体,通过理论分析计算,得到了泥沙自然堆积状态下的相对暴露度Δ'的取值范围为[0.091 8,0.5],暴露角θ的取值范围为[35.26°,90°]。在滚动起动模式条件下,将三维泥沙暴露度计算结果应用到泥沙起动流速的研究中,引入泥沙起动概率及中动起动标准,得到了相应起动标准的起动流速公式。通过河流实测流速资料及水槽试验资料验证表明,本文公式与实测数据符合较好,计算精度较高,可应用于计算实际河道中泥沙起动流速。     

泥沙起动过程中床面切应力与含沙量关系的试验研究

以长江口细颗粒泥沙为样本进行环形水槽起动试验,给出了三组不同中值粒径泥沙的起动流速和临界起动应力,同时用湍动能法(TKE)估算不同含沙量水体的床面切应力,给出了泥沙起动过程中床面切应力与含沙量之间的关系。床面切应力随着含沙量的增加而增加,当含沙量达到某一浓度后,床面切应力增长缓慢,随着含沙量的再增加,床面切应力再次迅速增高,而不同中值粒径的泥沙,增长速度并不一致,说明泥沙对床面切应力的影响并不仅仅表现在含沙量上,粒径大小也是影响床面切应力的重要因子之一。     

甬江河口细颗粒泥沙起动流速研究

通过收集的甬江河口洪枯季细颗粒泥沙运动实测资料,基于垂线平均含沙量突变处对应的垂线平均流速作为该时刻泥沙起动流速的概念,统计获得不同水沙条件下的细颗粒泥沙起动流速数据;比较经典细颗粒泥沙起动流速公式对甬江河口泥沙的适用性,发现张瑞瑾、沙玉清、窦国仁经典公式的计算结果偏大,唐存本、张红武公式的计算结果偏小,窦国仁公式的计算精度最高。通过分析各公式出现误差的原因,引入泥沙水下容重对黏结力影响的修正项,对窦国仁公式进行修正,收集与甬江河口泥沙粒径范围接近的系列水深变化范围内包括粉沙质和淤泥质的细颗粒泥沙起动流速资料对修正公式进行验证,最终拟合得到可适用于大、小水深下的黏性细颗粒泥沙起动流速公式。     

壅水条件下推移质泥沙输沙率变化规律初步研究

壅水条件下水流结构特征及推移质泥沙输移规律问题目前尚未得到很好的解决,如天然壅水河段、水库库区壅水等条件下的泥沙输移、河床冲淤等问题,亟需这方面的理论支撑。利用理论分析、实测资料、水槽试验等方法进行对比分析首先分析不同条件下推移质输沙率变化的差异性;然后利用水槽试验观测壅水条件下非均匀流水流结构特征;最后结合天然实测资料和水槽试验资料,回归分析得出了适合在水库库区壅水河道的推移质输沙率计算公式。研究结果为当壅水程度指标β达到1.3以上时,现有各家公式已基本不能用来计算壅水条件下的推移质输沙率;利用水槽试验资料得到了相对床面切应力与壅水程度指标β的定量关系;回归分析得出壅水河道推移质输沙率计算公式可以在三峡库区河段适用。     

北江清远河段推移质运动规律初步研究

采用理论分析、变坡水槽试验与实体模型试验相结合的研究方法,针对北江清远河段推移质泥沙特性及运动特性,进行了泥沙起动及输移的水槽试验,并对泥沙的起动与输移规律进行了初步研究。根据起动试验结果,得出了反映颗粒隐蔽和暴露作用的隐暴系数表达式;根据输移试验结果分析了推移质输沙率的特性,并通过与其它公式进行比较,得到适应于该河段的推移质输沙率公式。     

河床冲刷粗化计算

本文首先分析了沙质河床和卵石夹沙河床不同的冲刷粗化机理．讨论了卵石夹沙河床发生粗化的条件，探讨了粗颗粒对小于起动粒径的细颗粒不同程度的隐蔽作用，针对现有非均匀沙起动公式存在的不足，得到了一个能反映河床冲刷粗化特点的起动流速公式，建立了粗化过程中床沙级配的计算公式．在此基础上按冲刷过程中水位不变和水位下降两种情况提出了河床清水冲刷粗化计算方法，文中选用水槽和天然资料对两种情况下的粗化计算方法进行了验证．计算结果表明，无论是冲刷深度、粗化层级配还是水位下降值均与实测值接近     

Sediment rarefaction resuspension and contaminant release under tidal curren- ts

Based on experiment in tidal flume, this paper analyzes the sediment rarefactive phenomenon and hydraulic characteristics of sediment resuspension with different physical properties under the effect of tidal current. According to this experiment, sediment resuspension is related to the hydraulic characteristics of overlying water and its own dry density, namely the moisture content of sediment and deposition time. Generally, river sediment can be classified into the upper layer of floating sludge and lower layer of deposit sediment. Incipient velocity goes higher as the sediment layer goes thicker. Based on the experiment, incipient velocity formula of sediment can be obtained. There is a cohesive force among natural fine sediment whose resuspension is almost irrelevant to their diameters. Therefore, the critical incipient velocity is determined by the cohesive force instead of particle diameter. The lower layer of deposit sediment is generally not so easy to start up. And it will be rarified and release into the overlying water when contacting with overlying water. However, this rarefaction release velocity is gentle and slow. Under the same flow condition, annual loss amount of lower layer deposited sediment is about one fifth of upper layer of floating sediment. Flow velocity of tidal river and variation of the water level are asymmetrical, both of which vary under different tidal cycles. During long tidal cycle, flow velocity and water level change in the same phase and amplitude with tide. During the whole ebb and flow, flow direction does not change as the water level goes under the influence of acceleration and deceleration. As the tide cycle increases, the incipient velocity of sediment goes higher. This means that the long period tide cycle plays buffer effect on the resuspension of sediment, which makes the sediment not so easy both to start up and to suspend.     

泥沙运动统计理论前沿研究成果

本文是作者数十年来以力学和概率论相结合的途径,广泛、深入研究泥沙运动统计理论的主要成果。其中包括泥沙运动的概化模式;单颗泥沙运动力学及统计规律;床面泥沙4种状态之间的转移概率及交换强度;不同状态之间的多种输沙率(而不是现有的两种)研究;泥沙起动规律及起动流速;从理论上导出的床面泥沙的边界条件;一维不平衡输沙规律及相应的数学模型;推移质与床沙和悬沙同时交换的不平衡输沙;床沙冲刷粗化与交换粗化规律;推移质点源、线源及退化面源扩散。另外,文中还给出了由泥沙运动统计理论带动的泥沙研究领域其他成果,如挟沙能力级配及有效床沙级配、粗细泥沙交换、挟沙能力多值性以及黄河高含沙量时的"揭底冲刷"。     

INCIPIENT MOTION OF NON-COHESIVE SEDIMENT UNDER ICE COVER - AN EXPERIMENTAL STUDY

Based on a series of experiments under both ice-covered and free surface conditions, the present article discusses the role of flow velocity and critical shear Reynolds number for incipient motion of bed material. The influence of the resistance coefficients of both the underside of the ice cover and the channel bed on the location of the maximum velocity has been discussed. In addition, the impacts of ice and composite resistance coefficients on flow velocity for incipient motion of bed material have been assessed. The diagram describing the critical shear Reynolds number and the dimensionless shear stress for the incipient motion of sediment under ice covered conditions with different under cover resistance coefficient has been established. The effects of grain size on densimetric Froude number for incipient motion of bed material have been investigated. A relationship between the densimetric Froude number for incipient motion of bed material and the median grain size of bed material as well as the roughness coefficient of channel bed and roughness coefficient of ice cover has been established.     

三峡坝区非粘性均匀花岗岩砂粒起动条件研究

由花岗岩风化而成的砂粒质地粗，石英、长石颗粒的粒径较大。通过实验室对非粘性均匀花岗岩砂粒起动条件研究，得到特定条件下不同砂粒粒径在薄层水流紊流流态时的起动流速。实验结果表明，同一粒径组的非粘性花岗岩风化砂粒随底坡坡度的增加其起动流速变小；同一边界条件时，细粒砂随坡度的增加，其起动流速降低幅度较小，相应地随着砂粒粒径变大坡度增加时，其起动流速降低幅度较大。     

回流泥沙起动规律的试验研究

本文利用水槽概化模型，对回流的泥沙起动规律进行了试验研究，讨论了它与一般顺直明渠流中泥沙起动的差异，分析了回流泥沙起动的基本特性和规律，建立了回流泥沙起动的临界判别公式，经验证与试验资料吻合良好。     

图像处理技术在推移质运动颗粒参数提取中的应用

非均匀推移质颗粒运动规律一直是泥沙研究领域的难点,提取非均匀推移质颗粒的参数信息则是推进该难点研究的基础性工作。通过进行粗化床面非均匀沙水槽试验,拍摄了大量的泥沙颗粒运动视频,选取其中部分视频进行处理和研究:先通过图像转换软件将拍摄的视频转化为图片;然后利用图像处理技术对泥沙颗粒运动图像的空间变化特征进行识别,对转化后的图片进行畸形矫正和背景除噪;最后通过选取合理阈值将图片上泥沙颗粒提取出来,并计算泥沙颗粒粒径、体积等相关参数信息。研究成果可为获取推移质颗粒输沙运动基本信息提供基础,为非均匀推移质输沙机理研究提供更科学、完善、可靠的数据。     

非均匀沙分级起动规律研究

本文对非均匀沙起动机理作了分析，提出适合非均匀沙分级起动的判别标准，运用概率论与力学结合的方法，对起动颗粒的作用力臂进行随机分析，导出考虑非均匀沙隐暴效应的起动概率表达式，藉此建立非均匀沙第ｋ粒级的起动公式，在水槽中对天然水徊颜色沙进行分级起动试验，据以确定隐暴系数，从而获得与均匀沙兼容的起动切应力和起动流速公式。     

鄱阳湖实体动床模型设计

模型沙选择是动床模型设计的关键因素.鄱阳湖模型变率大、入湖泥沙细,动床模型宜选用轻质模型沙.本文采用泥沙运动相似条件的研究成果,进行模型沙粒径比尺的初步设计,结合水槽起动流速试验,选取适合的模型沙,并和国内几种轻质塑料沙起动流速计算公式对比,推荐了估算塑料沙起动流速的计算公式.经选取的模型沙满足起动流速相似,全沙相似条件较好,各相似比尺合理,为提高动床模型试验模拟精度奠定了基础.