二维坡面雨洪水动力模型研究

由降雨产生的坡面洪水运动过程复杂,其可靠模拟仍有待深入。该文建立了基于浅水方程的二维坡面雨洪动力过程模拟的动力波模型,选用单坡、三阶坡面和复杂起伏多变坡面的雨洪运动为数值算例,进行了数值检验并与忽略惯性项的扩散波模型进行了对比分析。结果表明:动力波模型可以较好地模拟洪水过程,在峰现时间,洪峰水位的捕捉和退水过程等方面都表现出优良的特性;而且动力波模型在复杂坡面雨洪过程计算的适应性方面表现更佳。而扩散波模型在计算精度和稳定性方面都相对要差。虽然扩散波模型在单坡面算例中的计算精度也较高,但因受忽略惯性项的影响,退水过程有明显偏离。     

颗粒间相互作用对宽浅坡面流输移能力影响的试验观测

流域上游地区的土壤侵蚀及与其相关的泥沙运移是影响流域地表径流水质的重要过程，被侵蚀的泥沙大部分由坡面流输移，目前的泥沙输移关系都是从剪切力概念或河道能量概念引出的，而这些概念却都是仅仅基于流体力学的。泥沙的运移都单一地依赖于水流剪切力或能量的阈值条件，这一理论的前提是：①泥沙初始运移需要的最小剪切力或临界剪切力，或者最小、临界河道能量；②泥沙输移率和剪切力或河道能量与其临界值的差值密切相关。这些关系或许可以用来描述泥沙在河道中的输移，却不能反映出泥沙在宽浅坡面流中输移的微观机制或物理过程。流域的上游地区，在上临界弗如德数的水力条件下，坡面流含沙量的变化范围非常大。在宽浅坡面流的试验研究中，泥沙按照逐步控制方式添加到坡面流中，并且通过测量来确定颗粒速度与含沙量之问的关系。在不同的水力条件下，存在最大的泥沙输移率，对泥沙颗粒运移的观测表明：泥沙输移方式是跳跃式的，在这些条件下，水流状态受控于包含了很大部分动能的滚动波，因此滚动波是薄层流泥沙侵蚀及输移过程中的主要能量来源。     

人工植被分布变化对坡面流阻力及局部水头损失系数的影响研究

基于室内坡面流实验,研究了人工植被分布变化对坡面流水动力学特性的影响。试验包括"细管整齐排列"、"细管1/2错开排列"、"细管1/4错开排列"、"粗管1/2错开排列"等植被分布方式。研究结果表明植被分布变化对坡面流扰动程度的影响显著,从而使得不同植被分布方式下的坡面流达西阻力系数、局部水头损失系数差异性很大。而随流量增大达西阻力系数、局部水头损失系数都呈现先减小后增大的趋势。     

植被护坡水流冲刷稳定性试验研究

从植被护坡水流冲刷稳定性设计的角度出发,对紫羊茅草皮及早熟禾草皮分别从坡面流与有压流两个方面进行了水流冲刷稳定性试验。试验结果表明:坡面流间歇冲刷8次,瞬时流速达6.0 m/s,累积冲刷时间120 s,紫羊茅草皮可发生IV级的冲蚀破坏。早熟禾草皮在5.0 m/s的流速下,冲刷1 h后,其草皮层出现最高级别的破坏,测定其发生破坏时的床面剪应力为103.13 Pa,摩阻流速为0.32 m/s。     

汶川地震灾区帽壳子滑坡形成泥石流的过程和特征

实地调查了汶川地震灾区北川县帽壳子滑坡转化为坡面泥石流和沟道泥石流的基本特征和形成过程,并利用能量守恒原理和Takahashi泥石流运动模型对其运动特征进行了分析。结果表明：对于强震诱发的滑坡,其层间碎块石土体强度低,滑坡体内部裂隙发育,在强降雨作用下容易转化为泥石流;滑坡转化为坡面泥石流的过程为岩土体沿基岩面下滑→撞击→强碎屑化→流动→快速停积;滑坡转化为沟道泥石流的过程为滑坡体崩滑→弱碎屑化→水流掺混→掏蚀沟道→流动堆积;滑坡转化为坡面泥石流后,起始速度较快,但没有沟道限制和水力作用,因此运动阻力较大,冲出距离远小于沟道泥石流;利用Takahashi泥石流运动模型计算得到的沟道泥石流冲出距离与实际观察值比较吻合。     

植被排列方式及坡度对坡面流Fr影响的试验研究

为探究植被的排列方式及坡度大小对坡面流弗劳德数Fr的影响,以期揭示坡面流弗劳德数Fr的内在规律。利用人工模拟试验,系统研究了6个坡度、3种植物排列方向与水流方向呈不同走向角的条件下Fr与单位底面积的空间摩阻表面积K值的特征关系。表明在非淹没状态下,Fr与K值的关系为随K值的增大Fr呈现先减小后趋于平稳的趋势;Fr的取值随坡度的增大而增大;在一定的坡度范围内,同一坡度下,当Fr1时,同一K值下,走向角越大对应的Fr值越小,当Fr1时则相反;同一走向角下,在同一K值下,坡度越大对应的Fr就越大。得出在坡度一定的条件下,坡面植被的排列方式不同,弗劳德数Fr的取值也不相同;坡度是影响Fr取值范围的重要因素之一。     

植被配置对坡面流阻力规律的影响分析

为探明卵石耦合不同植被类型下坡面流阻力变化规律,基于明渠水力学理论,在5°缓坡条件下,通过5个流量和3个覆盖度组合条件下的室内放水冲刷试验,系统研究了卵石压盖坡面下植被水流的阻力特征.结果表明,卵石压盖下,曼宁系数n随单宽流量q的增加而缓慢增加,最后趋于稳定值0.027;卵石耦合植被作用下n随q先有一个缓慢下降的过程,...     

坡面流阻力研究进展

主要从坡面流流态对坡面流阻力的影响、坡面流阻力与雷诺数的关系、降雨对坡面流阻力的影响、坡面流阻力公式4个方面对前人关于坡面流阻力的研究成果进行了总结。结果表明:坡面流流态的不确定性导致了坡面流阻力变化更为复杂;坡面流阻力与雷诺数之间并无良好单一的相关关系;降雨对坡面流阻力有很大的影响作用但具体影响机理并未有明确的结论;坡面流阻力公式表征仍用明渠水流概念及表达方式,并且3个阻力系数n、f、C哪个更适合表征坡面流阻力尚无统一的结论。进而对目前存在的问题进行了分析,对今后的发展进行了展望,认为需在研究方法和实验设备及量测技术方面有所突破,才可以更好的对坡面流阻力进行全面系统的研究。     

不同黑麦草覆盖密度对坡面水流能量特征的影响研究

四川省是长江上游水土流失的策源地,也是长江流域主要泥沙来源区,而且该地区降水集中、坡耕地多,坡面能量汇聚过程是产生水土流失的主要成因。为了治理坡耕地的土壤侵蚀并合理配置植物措施,依据四川省植被及土壤侵蚀分布情况,设计多组坡面覆盖条件,研究了水流在不同黑麦草覆盖密度下流动时的坡面水流能量、能耗及动能变化规律。试验结果表明:卵石覆盖坡面水流能量大于植被与卵石耦合坡面,且坡面植被密度为中等时水流能量最小,阻水效果最好。坡面流量较小时,坡面上部为卵石坡面的水流能耗较大,下部则是植被与卵石耦合坡面能耗大;流量较大时,能耗变化规律与小流量时相反。     

植被影响下坡面流阻力变化特征研究

坡面流阻力是反映坡面流水力学特性的重要特征值.利用人工模拟降雨试验,定量研究了在45、87和127mm/h降雨强度下,20°陡坡面裸地、草地和灌木地的坡面流阻力变化特征.结果表明,由于植被覆盖措施的阻滞作用,相对于裸地坡面,草地和灌木地坡面径流阻力系数明显增大.草地和灌木坡面阻力系数分别是裸地坡面的5.58 ～ 7.45倍和5.61 ～6.26倍.不同被覆条件下坡面平均阻力系数与降雨强度关系密切,随降雨强度的增大呈减小趋势.同时,坡面流阻力系数受到降雨强度和下垫面条件发育形态的共同影响.建立了不同被覆坡面的复合非线性阻力系数计算公式,变量系数表明草被覆盖度和降雨强度对坡面流阻力大小有着决定性的影响.该研究对于揭示植被调控坡面产流产沙机理,为生态修复工程建设提供科学依据具有一定的科学意义.