山区河流漂石阶梯阵列对水流结构影响的试验研究

漂石阶梯阵列是山区流域暴雨山洪过程常见河床形式,能显著影响水流结构,增大水流阻力和河床抗冲刷力,同时也制约着漂石河床演变过程。基于野外典型漂石河段调查,通过水槽试验,探讨了山区河流漂石阶梯阵列内的水动力特征。试验结果研究表明：不同的漂石阶梯行距对于水流流速及紊动强度影响明显,三向紊动强度大体呈现先增大后减小趋势,v及w方向紊动强度峰值点位置都位于0＜y/h≤0.2水深处,近底逆流在垂向及主流方向的作用范围分别为1D与2D（D为漂石粒径）,漂石下游的近底逆流作用范围与漂石粒径呈正相关。漂石阵列对近床湍流具有“均匀化”作用,试验资料表明随着漂石排列密度的增加从而显着降低了近底的湍流强度。     

山区多沙河流漂石河段洲滩发育特征试验研究

山区多沙河流漂石河段受水沙条件影响，洲滩发育丰富，改变了漂石河段的水沙运动规律及洲滩演变特征。基于野外调查与室内物理模型试验，探讨了漂石对多沙河段水动力特征及洲滩发育过程的影响。通过都江堰市岷江支流白沙河与龙溪河的野外调查，分析了典型漂石河段床沙组成及漂石河床形态特征。由于山区河流暴雨洪水及挟带的泥沙及河道地形多变等因素，大量上游来沙在漂石河段落淤，河床内洲滩的大量发育。通过系列室内物理模型试验，分析不同泥沙补给条件下漂石河床的洲滩形成过程及河床形态变化与水位响应过程。研究结果表明：暴雨山洪产生丰富的泥沙补给，导致白沙河与龙溪河的粗颗粒平均粒径粗大，存在大量漂石，形成漂石河段。漂石河段水力要素多变，河床形态剧烈调整。当上游泥沙补给时，受漂石周围水流变化影响，漂石河床局部以横向带状溯源淤积为主，下游段两侧淤积突出，极易形成漂石洲滩，从而增大局部河床比降，减缓河道下切。上游来沙不均匀过程显著改变了漂石河床局部水位及泥沙淤积规模。因此，通过野外调查与室内物理模型试验，揭示了水沙条件下的漂石河床形态变化特征，山区河流上游来沙与漂石共同影响洲滩发育过程，表明漂石对山区多沙河流的水沙运动产生突出影响。     

山区河流浅水河床漂石对局部水流结构影响试验研究

西南山区河道普遍分布着大量的卵砾石、漂石等大粒径床沙,漂石颗粒急剧调整局部水流结构与泥沙输移,从而制约着河床响应过程。以漂石河床水流结构为研究对象,结合野外典型河段调查和概化试验,利用3维多普勒流速仪（ADV）详细测量漂石区域的3维流速,探讨浅水条件下漂石颗粒对局部水流运动的影响。分析表明：漂石对水流结构的影响集中在其下游中心区域,尤其是远部尾流区内,其纵向范围主要集中在约–1<Δx/D<2区域,其中漂石附近的近底流速变化明显,远部尾流区边界高度也从受漂石影响较小的上游0.3～0.4倍水深发展到受漂石影响较大的下游0.5～0.7倍水深处;中心纵剖面紊动能和雷诺应力数值显著大于左右两侧,且其数值在漂石下游激增至1～10倍和1～16倍,两者出现峰值的位置都集中在漂石远部尾流区末端。研究还发现,漂石相对淹没度（H/D,平均水深与漂石有效直径之比）对漂石附近的水流结构有较大影响,随着相对淹没深度（H/D）的增加,其对流速、紊动能和雷诺应力的影响逐渐增强,在处于临界淹没度H/D = 1.2时最为强烈,之后强度递减。不同相对淹没度（H/D）下,流速、紊动能和雷诺应力恢复区长度相近,且与远部尾流区尺度变化基本一致。总体而言,漂石通过改变局部沿程流速、紊动参数和远部尾流区分布,从而显著影响浅水河床局部水流结构,其具体影响因子和响应规律有待进一步深入研究。     

山区河流浅水条件下漂石对河床响应与泥沙补给影响的试验研究

受暴雨洪水与滑坡、泥石流灾害的影响,山区河流床沙多为宽级配卵砾石泥沙,甚至出现较多的漂石,从而影响近底水流结构与推移质输移特性。基于野外漂石河流的调查,通过概化试验,探讨了漂石颗粒对河床冲淤的影响;对比分析了不同水沙条件下漂石对推移质输沙率过程的影响;根据床面粗化程度与漂石状态相异的两种类型对比试验,探讨了漂石对不同水沙条件下推移质输沙率的影响程度。初步表明：随着漂石颗粒相对暴露度（D/h,漂石等效粒径与平均水深之比）的减少,漂石对其尾部区域水流的混掺越加突出,从而对河床的冲刷能力变大;根据本试验采用的水沙参数,漂石对推移质输沙率的扩大效应为几倍至十几倍。     

山区河流河床形态与水沙变化下的水位响应机理研究

山区流域暴雨山洪、滑坡、泥石流等灾害频发,大量泥沙以不同方式进入河道,河床形态在极短时间内迅速调整。在宽窄相间河段水流输沙能力差异较大,展宽段常因挟沙能力的降低而淤高河床,致使水位陡增,引发洪水灾害。为探讨山区河流宽窄相间河段与泥沙补给变化下的水位变化致灾机理,以室内物理模型系列试验结果为依据,分析不同流量定床清水时河床形态参数与各水力参数的变化关系,以及泥沙补给变化对河床形态及水流参数的影响。试验表明：上游泥沙补给量及河床形态是影响水流流态、水位变化的重要因素;定床清水条件下,河宽与比降的局部急剧调整影响水流参数变化,水流对河床变化的响应具有滞后性;当上游有泥沙补给时,水深变化较清水来流明显;随着来沙量的增大,大量泥沙淤堵河道且呈现溯源淤积的趋势,并淤高河床;在淤积段顶端,水流发生水跃现象,水位陡增,甚至出现漫滩致灾。由此可见,上游来沙及水流挟沙能力的降低将引起河床不同程度的落淤,造成河床形态改变,特别是在宽窄相间河段泥沙易落淤,水位增幅较大,为洪灾泛滥区,应作为水沙灾害的重点防治区域。     

挑角对淹没丁坝附近河床变形影响的试验

挑角对淹没丁坝和非淹没丁坝坝头附近床面冲淤变形的影响不同.目前的研究成果多集中于非淹没丁坝,涉及淹没丁坝的研究成果相对偏少.为了研究淹没丁坝附近床面冲淤变形对挑角的响应,对粗、细2组非均匀沙,45°、90°、135°3个挑角进行了交叉水槽试验.通过图像对冲刷坑形态进行了对比;将冲刷坑长度、宽度、最大深度、体积等特征参数试验成果进行了统计分析;将挑角对冲刷深度的影响折算成挑角因子,与前人的挑角因子及试验资料进行了对比.试验成果表明,挑角对淹没丁坝坝头附近床面冲刷坑形态、位置、尺寸均有影响,而床沙粒度则主要影响冲刷坑的尺寸.     

堆积体作用下的河道冲淤规律

受地震、暴雨的影响,破碎的山体易发生滑坡、泥石流等,在河流岸边形成堆积体,改变了河道水流边界条件,引起堆积体附近的河道冲淤变化。本文通过动床水槽试验,结合前期堆积体定床试验研究成果,研究了堆积体附近河床变形与堆积体附近流速分区的对应关系,探讨了不同来流条件下受不同堆积体作用的河道冲淤范围、最大冲坑位置等的变化规律。得到以下主要认识：(1)受堆积体作用,靠近堆积边缘线略下游侧一般将形成明显的冲坑,淤积主要则集中在堆积体下游回流区;（2）河道的冲淤范围随堆积体尺度和来流流量的增加而增大;（3）堆积体附近水流的挤压,绕流掺混是形成堆积体附近河床变形的主要原因,水流的扩散调整则影响冲坑出现的位置。（4）最大冲淤位置主要受流量影响,而最大冲淤位置的间距则主要受堆积体尺度的影响。     

滑坡堵江弯道床沙分选及河床变形试验研究

为了对地震后弯曲河流的灾害防治提供科学依据,通过弯道不同水流条件清水冲刷试验,分析了弯道水流结构、床沙分选及其河床变形特征,得到结论:弯道进口顶冲位置具有较大的横向流速;对于非均匀床沙弯道,河段不同位置床沙粗细化现象极为显著;弯道河段地形冲淤变化不同区域存在较大的差异.深入揭示了弯道底沙运动、冲淤变形与水流特性的相互作用机制.     

挡潮闸下游河道冲淤的数值模拟

就挡潮闸下游河道水沙运动建立了一维水沙数学模型,采用Preissmann四点隐式差分格式离散非恒定水流方程,追赶法求解,并结合有限分析法思想离散求解悬移质泥沙方程.水流方程中,上游边界条件通过闸门的开度来控制.泥沙方程中,考虑床沙粒径变化并对床沙级配进行了调整.应用该模型对姚江陶家路闸闸下河道的水位、含沙量和河床变形进行了计算和验证.验证结果显示,水位与实测吻合,含沙量与实测增长趋势一致,河床断面反映了断面的基本变化,冲淤量与实测资料比较相符.表明该模型对挡潮闸闸门控制及闸下河床变形估算具有一定的指导意义.     

珠江南河道平面二维非恒定流水沙数值模拟

基于贴体正交曲线坐标系下沿水深积分的平面二维非恒定水沙数学模型对珠江南河道水沙运动和泥沙冲淤进行了数值模拟,在确定悬沙絮凝沉速时考虑了泥沙粒径、盐度、含沙量及水流紊动的影响,针对河口泥沙双向交换的特点,对泥沙冲淤函数φ作了改进,对挟沙力级配公式进行了调整,改进了现有模型,并利用河段实测水文资料及原型观测数据对模型进行验证,结果表明,模型计算的沿程水位、流速分布和泥沙输移以及河床冲淤演变与资料符合较好。     

分汊河道水沙输移特征试验

根据分流河道的水沙特性,对现有的水沙输移计算模式进行了分类,总结了分汊河道分流分沙计算模式在国内外研究发展的现状,并进行了简要的分析评论,继而通过水槽试验对分汊河道整体水流结构和底沙输移演化特征进行了初步的探讨.试验结果表明:在汊道洲头和洲尾的局部范围内流速减小较明显,洲尾处出现水流分离区且左右两侧为高流速区;主、支汊流量的分配决定底沙输移强度,最大冲刷深度在主汊分流口下游.     

卵石床面清水冲刷稳定形态及其水流结构试验研究

由于测试手段的局限性,对粗化稳定的水流结构,尤其是河床粗化层不断调整的水流结构变化研究较为缺乏。借用多普勒声速仪 (SontecADV)和尼康全站仪(NikonDTM),测试了不同水沙组合卵石床面,在清水冲刷条件下的稳定形态及其水流结构。试验表明：在相近的水流条件下,粗化稳定后粗颗粒在床面的暴露程度和排列位置受原始铺沙与前期粗化程度的影响。清水冲刷卵石推移质输沙过程、稳定形态及其相应的水流结构具有较强的相互作用关系。在一定的水沙、床面形态条件下,平均流速分布沿相对水深的变化可由单一的对数分布转变为S形曲线,且其流速极值转捩位置也受水沙及床面形态条件的影响。     

基于SFM方法的不同倾角桥墩绕流局部冲刷特性试验

桥墩绕流冲刷是水流、泥沙和桥墩三者相互作用的结果,桥墩周围复杂的水沙运动关系是造成桥梁水毁的重要原因。定量分析桥墩冲刷地形特征规律及其与水流之间的相互作用关系,是深入研究桥墩绕流水沙作用机理及实际工程应用的重要突破口。本文开展两种坡降条件下不同倾角均匀沙动床桥墩绕流冲刷试验,并沿下游方向设置四个模型倾角0°、5°、10°、15°。使用粒子图像测速系统（Particle Image Velocimetry,PIV）测量桥墩绕流二维流场,并基于运动摄像恢复结构技术（Structure From Motion,SFM）实现冲刷地形三维重构,在此基础上分析床面冲刷三维地形结构和绕流流场特征,以构建紊流结构与冲刷地形相互耦合作用关系。结果表明：（1）SFM方法可实现冲刷地形三维结构重构,冲刷试验平衡时,模型前方和两侧冲刷坑较深,后方冲刷坑出现凸起,沿水流方向倾斜顺延上升至床面。（2）冲刷坑尺寸、面积和体积均随水流强度增大而增大,随倾角增大而减小。不同截面处冲刷坑面积、体积随坑深呈开口向上抛物线趋势增大。（3）桥墩模型对后方流向流速扰动范围随倾角增大而减小,对展向流速影响范围随倾角增大而增大。（4）随模型倾角增加,旋转强度与剪切应力影响范围均减小。剪切应力下切较易形成桥墩周围较深冲刷坑,而位于桥墩两侧大尺度流向涡向下游延伸,将促使桥墩后侧方浅长凹槽形成。     

CFD prediction of local scour hole around bridge piers

In order to predict the local scour hole and its evaluation around a cylindrical bridge pier, the computational fluid dynamics (CFD) and theories of sediment movement and transport were employed to carry out numerical simulations. In the numerical method, the time-averaged Reynolds Navier-Stokes equations and the standard k-ɛ model were first used to simulate the three-dimensional flow field around a bridge pier fixed on river bed. The transient shear stress on river bed was treated as a crucial hydrodynamic mechanism when handling sediment incipience and transport. Then, river-bed volumetric sediment transport was calculated, followed by the modification of the river bed altitude and configuration. Boundary adaptive mesh technique was employed to modify the grid system with changed river-bed boundary. The evolution of local scour around a cylindrical bridge pier was presented. The numerical results represent the flow pattern and mechanism during the pier scouring, with a good prediction of the maximum scour hole depth compared with test results.     

An experimental study of the incipient bed shear stress partition in mobile bed channels filled with emergent rigid vegetation

This paper investigates the bed shear stress based on the condition of the incipient motion of sediment in a uniform-flow flume covered with emergent rigid vegetation,which is represented by arrays of circular cylinders arranged in a regular pattern.A total of 148 tests are performed to observe the influence of the vegetation density,bed slope,flow depth and sediment size on the bed shear stress.The tests reveal that when the sediment is in incipient motion,the resistances acting on the flow passing the rigid vegetation contain the vegetation resistance and the bed shear stress.This shear stress could be divided into two parts:the grain shear stress and the shear stress caused by sand dunes,which are the deformed bedform with the sediment incipient motion.An empirical relationship between the shear stress of the sand dune and vegetation density,the Froude number,the apparent vegetation layer velocity is developed.     

Equilibrium scour depth at offshore monopile foundation in combined waves and current

Unlike the pier scour in bridge waterways,the local scour at offshore monopile foundations should take into account the effect of wave-current combination.Under the condition of wave-current coexistence,the water-soil interfacial scouring is usually coupled with the pore-pressure dynamics inside of the seabed.The aforementioned wave/current-pile-soil coupling process was physically modeled with a specially designed flow-structure-soil interaction flume.Experimental results indicate that superimposing a current onto the waves obviously changes the pore-pressure and the flow velocity at the bed around the pile.The concomitance of horseshoe vortex and local scour hole around a monopile proves that the horseshoe vortex is one of the main controlling mechanisms for scouring development under the combined waves and current.Based on similarity analyses,an average-velocity based Froude number(Fra)is proposed to correlate with the equilibrium scour depth(S/D)at offshore monopile foundation in the combined waves and current.An empirical expression for the correlation between S/D and Fra is given for predicting equilibrium scour depth,which may provide a guide for offshore engineering practice.     

来沙条件变化对河床形态及推移质运动的影响

摘要：针对山区河流的来沙条件的不确定性导致的河流形态变化的问题,根据J . G. Venditti的系列来沙条件变化水槽试验成果,引入无量纲参数河床结构强度Sp,充分考虑推移质泥沙运动特性,探讨了来沙条件变化对卵石河床形态、推移质输沙率和河床级配的影响。结果表明:在已经粗化的河床上加入细沙会对河床形态、推移质输沙率和河床级配产生影响。加入细沙会造成河床重新出现冲淤变化,底坡变大,冲刷变严重,最终降低河床结构强度Sp;加沙会增大推移质输沙率,其中中值粒径为3mm的细沙运动表现为行进推移质,而中值粒径为8mm的粗沙运动表现为结构推移质;加入细沙后会细化河床,且加入的粒径越小,细化效果越明显,加入中值粒径为3mm的细沙后推移质的中值粒径先减小后增大,与加入中值粒径为8mm的粗沙后推移质的中值粒径先增大后减小相反。     

沉水植物对水流结构与泥沙淤积的影响

为了研究水生植物对水流结构和泥沙淤积的影响,针对不同布置的沉水植物进行33组浑水水槽试验. 结果表明,矮株植物区流速冠顶下为二次多项式分布,以上为对数分布;考虑相对株距的影响,建立矮株植物区紊动强度的双高斯垂线分布公式,按该公式计算的流速和紊动强度与实测资料较吻合. 高株植物区流速呈“C”型分布,紊动强度以冠顶附近最大. 3种株距布置时,混合植物冠顶以下平均流速为无植物时的32.5%~72.3%. 提出小弗汝德数（Fr≤0.18）条件下矮株植物区相对淤积增量与水流强度和相对株距的非线性关系. 在相同水流和株距下,混合植物淤积量高达无植物时的7倍,高株植物次之,随着株距的减小促淤效果逐渐增强.     

丁坝绕流及局部冲刷坑二维数值模拟

针对以往常用的丁坝绕流流场计算方法存在的不足，建立了边界拟和曲线坐标变换下的平面二维变水深流函数-涡量数值模型。给出的坐标变换可用于三维；计算紊动扩散系数采用F分布，模型可用于变水深情况。用本文的模型，研究了单个丁坝与不同个数、不同形式的丁坝群产生的流速场与涡量场，给出涡量与局部冲刷坑范围及最大冲深部位。结果表明：计算得出的流函数、涡量、流速合乎规律；丁坝坝头处涡量较大，是形成冲坑的主要原因。方法较通常紊流模型及原参数解简便，为丁坝绕流及局部冲刷坑的数值模拟，开辟了一条新途径。