砂卵石河流粗化完成后细沙补给对河床阻力的影响

结合Venditti关于细沙补给对河床活动性影响的分析,引用修正后的Einstein-Barbarossa方法对河床阻力进行划分,探讨了细沙补给对砂卵石河流冲刷粗化完成后河床阻力变化的影响。研究结果表明:在一定量细沙补给的条件下,沙粒阻力与床面阻力的比值先减小后增大,形状阻力与床面阻力的比值先增大后减小;水流克服表面阻力损失的能量随沙粒阻力减小而减少,进一步导致水流损失的机械能减小,河床上大颗粒泥沙获得的能量增大进而导致其活动性增强;河床上活动的泥沙颗粒与裸露大颗粒泥沙之间不断接触碰撞形成局部能量交换,裸露大颗粒泥沙通过水流方向的动量交换所产生的颗粒剪应力增大,这可能也是河床上大颗粒泥沙活动性增强的一个原因。     

风沙流中沙粒粒度的垂直和水平分布特征

鉴于现有对风沙流中沙粒粒度分布特征的研究很少,本文通过风洞实验,在粗沙和细沙两种床面上、五种风速条件下,采集中垂线垂向集沙及其后水平方向集沙的沙样,并对沙样进行沙粒粒度分析实验。实验结果发现,沙粒粒度频率曲线形态为单峰偏态分布,并与其对应的床面沙粒组成有关。沙粒粒度的平均粒径在垂直方向和水平方向上,均呈指数递减;气流风速越大,平均粒径越大;当风速增加到一定程度时,气流对沙粒平均粒径变化的影响逐渐减小;沙粒在垂直方向上的平均粒径,均大于其对应的床面沙粒平均粒径。沙粒粒度的标准偏差,随着平均粒径的增大而增加。沙粒粒度的偏度系数和平均粒径的相关关系,与其对应的床面沙粒组成有关。由实验结果讨论得出,在非均匀风沙流的沙粒起动中,细颗粒沙粒的平均起跳速度大于粗沙粒,而粗颗粒泥沙的起跳率大于细沙粒。     

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。     

受泥石流入汇影响主河床冲刷粗化稳定试验研究

受泥石流入汇影响，主河床随不同河段级配常呈显著差别，特设计了10组床沙分段组成的粗化模式进行试验，认为清水冲刷只有在该段上游没有泥沙起动输移动研究区域时，才是严格意义上的清水冲刷粗化，否则应研究上游区段冲刷输移量及其沿程沉积量和对下游区域的影响程度，此外，还研究了受分段影响区域的初始和粗化稳定后床面高度统计量变化幅度以及稳定后沙粒阻力的表示方法，得出了利用床面高度变化统计量均方差σ比用床面糙度尺寸Ks选取的代表粒径更能体现综合糙率曼宁系数n值。     

无粘性泥沙颗粒起动流速公式探讨

文章从无粘性泥沙颗粒起动的特点出发,在颗粒粒径相差不大的基础上,参考前人的泥沙起动临界状态的定性标准,用泥沙颗粒的最大和最小起动流速来定义泥沙的起动标准,用角度表征泥沙颗粒在床面的绝对暴露度,采用经典力学与数学分析相结合的方法,采用指数型垂线分布流速,得到了粗颗粒散体泥沙颗粒的最大和最小起动流速的公式。     

减速流条件下床面泥沙起动试验研究

减速流在工程上称为壅水,为非均匀流的一种流态形式。减速流下的床面泥沙起动研究成果,在水利工程中有着重要的应用价值。通过该条件下的河道开展概化水槽试验,结合天然实测资料以及4家经典的起动流速公式对比分析,结果表明4家经典公式均较适用于水槽试验中的减速流条件,只是在起动粒径的选择上略有差异。根据水槽试验的成果得出选取取样标准为床面泥沙起动标准具有较好的精确性,选取d₉₅作为起动的代表粒径;并验证了减速流条件下泥沙起动大体满足希尔兹曲线;通过功率起动公式的验证,得到无量纲起动功率为0.019 1,可以将其作为床面泥沙起动的标准。     

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。     

床面粗化层粒径级配的研究

本文研究了清水冲刷条件下宽级配非均匀床沙粗化的规律性。研究中不仅考虑了水流的紊动性和泥沙非均匀性对其起动规律的影响,而且还考虑了不同粒径泥沙起动引起水流相对脉动强度的变化。通过试验,分别就单峰型和双峰型初始床沙级配,给出了粗化后床面层粒径组成的计算方法,并与已有的试验资料和计算结果进行了比较。     

不同重率轻质沙的床面形态和阻力的试验研究

本文通过动床水槽试验，研究了白色塑料沙，磺化塑料沙，电木粉三种轻质沙的床面冲淤形态和阻力特性，观察了各种材料床面冲淤形态的发展过程，并分析了各种材料沙波形态参数与水流参数的关系，从理论上分析了沙粒阻力和沙波阻力的影响因素，表明沙粒阻力与颗粒粒径和水面比降有关，沙波阻力与沙波的相对高度和沙波背水面的坡角成正比，而沙波背水面坡角的大小又只与颗粒几何性质有关，本文的试验资料和多家水槽试验资料的比较结果证     

基于概率统计理论的泥沙起动流速研究

为充分考虑泥沙起动的随机性,基于相对暴露度概率密度分布,结合瞬时水流流速及床面泥沙颗粒排列的随机特性,并采用泥沙滚动起动模型,建立了适用于散粒体及黏性细沙统一起动流速公式。通过与实测资料及经典的泥沙起动公式比较发现,本文公式计算值与实测资料吻合更好,验证了该公式在预测散粒体及黏性细沙起动流速的可靠性和优越性。     

TURBULENT FLOWS AROUND SAND DUNES IN ALLUVIAL RIVERS

The sand dunes are typical bed forms of natural alluvial rivers.In this article,a vertical 2-D Reynolds stress model is established for the simulation of turbulent flows around sand dunes,and water-sand boundary conditions are set with particular attention.By numerical simulations,the following conclusions can be drawn.(1) The flow resistance in rivers with sand dunes could be divided into the sand-grain resistance and the sand dune resistance,and the sand-grain resistance coefficient mainly depends on Reyn...     

冲积河流糙率由来与计算方法研究

为在水力学及河流学科教学与研究中减少误解,本文在系统回顾了前人明渠流速计算公式研究成就的艰辛过程中,指出教科书与文献存在的误解;并在述评糙率公式优缺点后,指出了现有方法存在的问题。认为在曼宁水流阻力公式是纯经验公式和糙率测验精度实难保证的状况下,且今后相当长时期内人们尚难科学描述沙波兴衰机理及沙粒沙波阻力转换关系,给出糙率理论公式很不现实;建立实用性公式需抓住Fr这个同其他判别沙波运动状态的参数有关联性与可替代性的首要参数;构建出可适应模型试验反映的"n随Fr增大而减小,Fr很小时n会较大"变化趋势的公式形式后,根据冲积河流"糙率最大值一般为糙率较小值的10倍"的实际情况与"Fr=0.5时糙率接近动平床糙率"的动床模型试验结果,确定待定系数与参考糙率,建立了糙率简便公式(21)。为提高公式精度和适用范围,以沙粒阻力因子反映沙粒肤面阻力作用,遂给出体现沙粒肤面摩擦影响的动床糙率公式(22),并通过引入浑水卡门常数适当考虑含沙量对水流能耗的影响,进一步给出了考虑床面沙粒与含沙量共同影响的糙率计算公式(23)。大量冲积河流实测资料系统验证表明,本文建立的糙率公式明显比现有公式更符合实际。     

冲积河流河床综合稳定性指标研究

根据河床演变理论，利用已有的基本公式，导出了冲积河流河床绝对稳定应满足的水沙床无量纲数（量）条件，由此建立了由水沙床因素构成的实用冲积河流稳定程度函数公式。基于该公式建立了冲积河流河床综合稳定性指标以及对应的河型判别准则，然后利用黄河下游11年资料和渭河部分资料进行了初步验证。计算表明，建立的冲积河流河床综合稳定性指标以及对应的河型判别准则是合理和有效的，可以利用该判别方法预测大型河流因水沙条件改变而导致的河型变化趋势。     

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。     

含植物河道等效床面阻力试验研究

植物广泛存在于滩地和河槽中,可有效改善水环境,但同时也增加了水流阻力。通常采用不同材料的棍状物或仿生植物模拟实际植物进行试验研究,将植物阻力附加于床面上与原床面阻力一起构成等效床面阻力,因模拟实际植物的不相似导致含植物河道等效床面阻力的研究不够完善。本文提出了对实际植物分区施加实际流速条件进行试验的思路,即按河道现场调研的植物密度布置,沿横向和垂向对河道横断面分区,对实际植物区域施加实际流速条件,试验研究分区水体中的植物阻力,最后换算得到表征等效床面阻力的等效床面糙率。以独流减河上游河道为对象,选用乔木、灌木和芦苇三种典型植物,考虑河道横断面不同分区的流速条件进行了试验,结果表明,当遭遇100年一遇洪水时,乔木种植区域的等效床面糙率为0.060～0.066,灌木种植区域的等效床面糙率为0.083～0.099,芦苇种植区域的等效床面糙率为0.698～0.989。研究成果可为防洪计算和水环境治理提供理论支持。     

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     

冲积河床的河床阻力

本文利用520组水槽实验资料对修正的Engelund-Fredsoe(1982)床面阻力公式进行了检验，该公式虽然反映了阻力变化的趋势，但公式的总体精度有待进一步提高。作者通过分析影响床面阻力的水沙因子，利用泥沙实验数据建立了新的床面阻力公式，并利用第一作者收集整理的国内外2261组水槽实验资料和592组河渠观测资料进行了检验，检验结果表明该公式的精度令人满意     

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。     

新疆宽浅变迁河流桥墩局部冲刷研究

新疆宽浅变迁河流水深小、比降大、水流急,河床容易冲刷。建桥后,桥墩局部冲刷与一般冲积河流不同。论文通过概化动床模型试验,得出了新疆宽浅变迁河流桥墩局部冲刷计算公式。动床模型公式充分反映了这类河流的特点,因而与实际情况较为符合。     

冲积河流长距离冲刷不平衡输沙过程初步研究

本文从悬移质扩散方程出发, 研究冲积河流长距离冲刷不平衡输沙过程. 对于天然沙质河流, 床沙均为非均匀沙, 由于较细泥沙的冲刷率总大于较粗泥沙, 因此在床面薄层内泥沙随冲刷迅速粗比, 致使挟沙力降低, 不平衡输沙距离比均匀沙情况大大延长. 文中同时提出了表层床沙粗化的概化计算模式及床沙交换速率计算公式. 床沙交换速率的大小是决定含沙量恢复饱和距离的重要因素. 本文对不同类型底部边界条件进行了计算比较, 并与黄河下游的实际冲刷资料进行了对比, 结果表明, 应用梯度型底部边界条件, 且在考虑表层床沙粗化中以作者提出的公式计算床沙交换速率, 则计算含沙量和实际符合良好.