非均匀推移质级配研究

根据脉动流速服从正态分布和输沙平衡时床沙与推移质泥沙颗粒的交换处于平衡状态的概念，经理论分析得到了适用于宽级配非均匀沙河槽的推移质输沙率及其级配计算，由非均匀推移质输沙率及其级配计算公式的计算值与Davies、Day、Gessler、Little和Mayer等水槽试验值及美国东汊河、Tanana河、Snake河及长江宜昌等河道实测值吻合较好。     

典型非均匀推移质输沙率公式适用性比较

基于等中值粒径的“单、双峰型级配”推移质输沙试验以及“驼峰”输沙率试验数据,选择Einstein、吴伟明、Wilcock和吴保生等4种典型非均匀推移质输沙率公式计算“单、双峰型级配”推移质输沙率,将两种级配的输沙率比值及曲线形态与试验成果对比分析。结果表明：吴伟明公式在反映“单、双峰型级配”推移质输沙差异上表现最好,这4种公式均无法反映“驼峰”输沙率现象。基于多参数考虑的Patel公式较这4种公式能更好地反映上述两种现象。充分考虑床沙级配对分组沙起动切应力和输沙有效Shields数的影响,是提高非均匀推移质输沙率公式精度和适用性的关键。     

推移质级配的确定方法

基于对推移质级配的主要影响因素的分析,从推移质与床沙交换平衡原理出发,获得了推移质级配的计算公式.其中推移质输沙率公式沿用恩格隆公式,非均匀沙起动对于中、粗沙采用孙志林公式,中、细沙则对窦国仁公式进行修正,修正系数仍采用孙志林提出的隐暴系数.用长江新厂等实测资料进行了验算,计算结果与实测资料吻合良好.     

非均匀推移质瞬时输沙率试验研究

推移质输沙率是泥沙运动力学的重要内容。目前,推移质输沙率的研究大多集中于时均输沙率,对瞬时输沙率的研究则相对较少。首先,介绍了Ballio提出的均匀沙瞬时输沙率的计算方法,对其进行推导得到非均匀沙瞬时输沙率计算公式;其次,通过非均匀沙水槽试验中得到不同颗粒泥沙的瞬时运动速度,代入改进的Ballio输沙率公式中,计算得到瞬时输沙率;然后,采用定义方法计算瞬时推移质输沙率,并与Ballio方法进行比较,结果表明两种方法得到的推移质瞬时输沙率较为接近,说明采用改进的Ballio方法计算非均匀推移质瞬时输沙率是可行的。同时,通过大量试验,揭示了非均匀推移质瞬时输沙率在时间上不稳定性、在空间上不均匀性以及运动过程中间歇性等特性。     

非均匀沙推移质输沙率的实验研究

本文利用输沙率自动连续测量装置,对宽级配非均匀推移质输沙率进行了较为系统的实验研究.基于室内实验结果,讨论了床沙不动百分数和补给条件对输沙率的影响,提出了适用于床沙部分可动、部分不可动条件下的非均匀推移质输沙率计算公式.     

均匀流条件下沙卵双峰型推移质输移特性试验研究

根据长江上游宽级配不连续床沙结构,概化为沙卵双峰泥沙。通过推移质输移特性水槽试验,体现了沙粒和卵粒的相互隐暴作用。对比分析了采用王兴奎公式和孙志林非均匀沙分级输沙率公式计算沙卵双峰泥沙输沙率的方法。在王兴奎公式的基础上引入考虑隐暴系数的水流参数来计算沙卵双峰泥沙输沙率,通过误差对比分析说明修正后的王兴奎公式计算结果与实验数据更加吻合。     

长江寸滩站卵石推移质输沙规律

寸滩站是长江干流主要水文测站之一，经分析实测资料，建立了流量与流速、水深、水面宽、卵石推移质输沙率、推移质最大粒径的相关，分别写成指数议程，通过实测资料检验，现有的均匀沙起动流速公式不能反映雨滩推移质起动规律，引进床沙隐暴系数，建立了不均匀库沙级配的起动流速公式，根据流计平均和多元回归分析，建立了雨滩卵石多质分组输沙率的计算公式。按公式计算的卵石推移质输沙率和实测值比较，获得满意结果；根据分组输沙率公式算出的卵石推移质级配线与实测的比较，也得到满意结果。     

非均匀沙起动机理及起动流速

首先指出所谓宽级配泥沙,包括卵石等的起动流速必须按非均匀沙来研究。进而阐述了非均匀沙推移质低输沙率规律,导出了其理论表达式,并进行了数值计算。根据这个低输沙率关系,只需要选定起动标准就能确定起动流速。接着引进了非均匀床沙综合起动流速概念,给出了综合起动流速公式,并以实例说明其合理性。最后讨论了非均匀沙处于起动状态时的分选情况。     

河床表层冻融作用下推移质输移特征研究

高纬度河流系统常会经历季节性冻结与融化。为揭示冻融作用对床面推移质运动的影响，本研究以未经历冻融过程的常规室温(20 ℃)推移质输沙实验结果为基准，保证实验条件不变，开展了均匀沙与非均匀沙床表层冻融后的室温(20 ℃)推移质输沙实验，综合比较了冻融作用影响下推移质输沙率与级配组成特征。结果表明，河床表层冻融后的推移质输沙率均高于无冻融作用的推移质输沙率，据此提出了有冻融影响与无冻融影响下的推移质输沙率比值ζ。研究显示，冻融作用下的推移质输沙率呈有规律变化：剪切力较小时ζ较大，剪切力较大时ζ减小并逐渐趋于1.0;非均匀沙中，随着泥沙粒径增大，各粒径组的ζ逐渐减小;低流量驱动时，冻融作用对非均匀输沙级配组成的影响显著，并随着流量增大而逐渐减弱。本研究剖析了冻融作用对推移质输沙率与级配组成的影响，有助于认识冰冻区河流的河床稳定性与河床演变情势。     

用水槽模拟试验求卵石河床推移质输沙率

不均匀级配的卵石河床的推移质输沙率是生产中的一个重要课题.由于测验困难,许多河流尚无系统的原型观测资料.用一般的公式计算,结果相差较大.从1965年以来,为满足水电站工程设计需要,我们曾多次采用水槽模拟试验方法,以推求卵石河床的推移质输沙率,积累了一些经验. 水槽的床沙及水流条件均按模型相似率设计.试验时根据水槽出口的输沙测验值,调整进口的加沙量和级配,直到进出口的输沙率及级配相近,作为平衡输沙的控制条件.用水槽试验结果推算天然时,考虑了水槽侧壁的影响.当床沙中的细颗粒难以完全满足相似条件时,可用试验资料检验和修正输沙率公式,再用公式计算天然.     

推移质运动的二维数学模型

本文建立了一个模拟推移质运动的二维数学模型，水流运动方程中考虑了河流弯曲处环流所引起的动量交换，推移质运动方程中则考虑了推移质运动的随机性、床沙粗细颗粒的相互影响及床沙级配沿河宽的调整。利用连续弯道清水冲刷河床变形试验资料对模型进行了检验，检验结果表明，数值计算结果在定床及动床水面线、流速沿河宽分布、冲刷过程中水位下降过程、河床的平面变形、出口断面推移质输沙率及其级配、床沙沿纵横向的分选等方面与试验结果吻合较好。     

不连续宽级配床沙推移质输沙率特性试验分析

通过水槽试验对不连续宽级配床沙的推移质输沙率进行试验研究.深入分析、探讨了不同水流强度及不同床沙组成对连续与不连续宽级配床沙输沙率的影响.在已有研究成果的基础上,构造了考虑床沙不均匀性的相对水流强度表达式,着重研究了相对水流强度与推移质输沙率函数的关系.利用试验资料对提出的表达式进行回归分析,确定了有关参数.最终确定的...     

非均匀沙分级推移质公式

根据近底泥沙交换的随机-力学模式及输沙率概率分布，从理论上建立了非均匀沙任意粒级推移质输沙率的新公式。采用作者提出的分级起动概率和颗粒跳跃速度表达式处理有关参数，而公式所及常数则由均匀沙输移试验资料确定。由此获得的非均匀沙分级推移质公式物理概念清楚、数学处理严密、能自动适应均匀沙情形。用非均匀沙分级输移试验资料的验证结果表明，理论能合理地描述非均匀沙推移质运动的客观规律。     

A STUDY ON NONEQUILIBRIUM TRANSPORT OF NONUNIFORM BEDLOAD IN STEADY FLOW

In the case of steady flow, an equilibrium state for an alluvial reach referring tothe input of sediment over a sufficiently long time (time interval in the order of months) is equalto the output of sediment. A nonequilibrium state exists under steady flow when the sedimenttransport rate changes with time and space, so that there is no balance between input and outputof sediment. The experiments were performed in an open circuit tilting flume with the bed slope of 0.001-0. 009, the flume length of 30m and flume width of 0. 5m. The boundary condition atupstream and in all experiments, the rate of sedimant supply was zero. The coal or sand was se-lected as the Wed material. The grain diameter of the bed material varied in the range of 0.05-20. 00ram. The equation of nonequilibrium transport of nonuniform bedload is derived. Thegrain distribution of the size distribution of bedload is calculated by modified Gessler's formula.The grain size distribution of bed material is calculated by CARICHAR mixed layer model. These equations are applied to numerical simulation of armoring of riverbeds. The results ofthe bedload transport rate and the grain size distribution of the bedload at the end of the down-stream in the process of time, as well as the grain size distribution of the bed material in the pro-cess of time and distance are all in close agreement with the measurements.     

基于床面层能量平衡关系的推移质输沙率计算式

基于床面层内的水流能量关系,推导了推移质输沙率与床面层内有效水流功率的关系式.实测资料表明,推移质输沙率与床面层内有效水流功率有良好的相关性,且高于推移质输沙率与水流功率的相关性.经2 800组试验资料与天然河流资料的检验表明,该关系式的适应性良好,计算精度较高,并优于同类型的基于水流功率的推移质输沙率公式.     

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。     

浑水推移质分组输沙研究

天然河流的泥沙输移大多在浑水条件下进行,浑水条件与清水条件下的输沙机理存在一定差异。基于近底泥沙交换三状态随机-力学模式,考虑了床沙与推移质向悬移质的净交换,引入扬动概率,建立了浑水中非均匀推移质分级输沙率公式,进而导出总输沙率及推移质级配的计算式。浑水条件下进行的推移质输移水槽试验和野外实测资料验证了该理论公式的合理性与可靠性,并发现浑水条件下推移质级配可能粗于原始床沙级配。研究结果表明:在浑水中,以悬移质形式存在的砂质泥沙含量对有效估算推移质输沙率有着不容忽视的影响。在某粒级运动泥沙总量不变的前提下,由于一部分沙粒悬浮于水体中,将使得推移质数量相对减少。     

冲泻区形态动力学耦合模型研究Ⅰ:分段输沙率公式建立

海岸泥沙运动的床面推移质输沙率公式多采用修正的单向流泥沙输运的计算公式,难以描述近岸带往复急变非恒定流作用下冲泻区床面泥沙运动规律及其力学机理。本文在总结分析3家冲泻区泥沙运动希尔兹参数修正公式的基础上,对比分析垂向流速、岸坡、渗流等因素对岸滩形态改变的影响,提出符合冲泻区水沙动力特征的瞬时希尔兹参数修正公式,确定了公式所含参数的计算方法,建立了表征冲泻区泥沙运动的推移质分段输沙率公式,并基于理论分析设计水槽实验对公式参数进行计算,拟合得到的分段参数L表征量位于低冲泻区和中冲泻区的衔接处。结果显示,分段进行冲泻区推移质输沙率的计算是可行的,为后续岸滩形态动力学模型的建立奠定了基础。     

泥沙输移矢量式及其应用

本文基于Parker等人泥沙输移矢量式的分析和研究，增加了上举力的作用，并考虑了泥沙颗粒受力非平衡条件，采用牛顿力学的矢量分析法，推导了泥沙输移的通用矢量式。经对公式简化，且用Ikeda和笔者试验资料的验证，证明计算值与试验值吻合较好。