宽级配泥沙分形特性及其输移规律试验研究

为了探寻宽级配泥沙粒度分形特性及其输移规律,通过水槽冲刷试验,分析了床沙和推移质的分形特征,并对不同床沙、不同流速条件下的泥沙粒度分维值进行了定量的计算和对比。结果表明:不论床沙还是推移质的级配都具有良好的统计自相似性,具有分形特征;级配是否连续对于粒度分维值的变化存在显著影响,床沙粗化后粒度分维值变小,且随着冲刷流速的增大,非连续级配时粒度分维值逐渐变小,而连续级配时粒度分维值逐渐变大。推移质粒度分维值与其所对应的中值粒径存在显著的负相关性。     

基于三维泥沙颗粒相对隐蔽度的底坡上散体沙起动初步研究

以三维泥沙颗粒相对隐蔽度为基础,推导了以颗粒隐蔽度和床面坡度为参数的散体沙起动流速公式,证明了宽级配散体非均匀沙的起动特性,论证了一系列诸如“完全隐蔽”、“极限跳跃”、“临界暴露”等概念的物理意义,分析了紊流粗糙区Shields带状曲线的成因,最后建立了底坡上散体均匀沙起动条件不同起动标准下对应的数值关系,并进行了讨论.     

不连续宽级配河床垂线流速分布试验研究

不连续宽级配床沙在天然河道中广泛存在,作为非均匀沙的特殊类型,其床面水流特性与一般意义上的非均匀床面相比具有不同的特性.以不连续宽级配床沙为例对其床面垂线流速结构进行了试验研究,结果表明不连续宽级配近底床面垂线水流结构出现S型转折,S型位置与水流强度和床面形态有关.并提出了基于近底S型的水流垂线流速分段表示的流速公式及垂线流速S型平均转捩位置的计算公式.     

淤积和冲刷河流中的床沙分选过程

在对数概率座标图中,河床组成的级配曲线常常出现被两个不连续点分成的三段直线。本文研究表明:在淤积和冲刷河流中,通过床沙分选过程,原河床组成的对数正态级配曲线将变形为此种形式,并可根据爱因斯坦堆移质函数进行计算。相应于粗沙和中沙两段直线间的不连续点接近泥沙的起动粒径;另一个不连续点则与小颗粒泥沙受大颗粒泥沙的掩护有关。原床沙粒径级配的标准偏差对级配曲线的变形程度具有一定的影响。可以发现,在淤积河流中经过较长时间以后,床沙级配的中间直线段将变回到初始河床床沙级配的对数正态分布形式。在淤积河床沙级配出现三段直线是一种暂时现象。河流的输水能力可根据与床沙开始起动时的临界摩阻流速有关的不连续点和河槽坡降进行估算。本文研究结果与李特(Little)和梅叶(Mayer)1976年为冲刷河流所做试验的成果进行了验证。     

清水冲刷不连续宽级配床面阻力特性及输沙规律试验研究(Ⅰ)——床面阻力特性

不连续宽级配床沙在天然河道中广泛存在,作为非均匀沙的特殊类型,其床面阻力与一般意义上的非均匀床面相比具有不同的特性。本文通过水槽试验对不连续宽级配床面阻力特性进行了探讨,引入峰度系数表征粗糙床面床沙粒径的非均匀性,将不连续宽级配床面与连续宽级配床面统一起来,根据试验数据拟合得到不连续宽级配床面阻力系数表达式,具有较好的精度。     

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。     

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。     

不均匀沙的推移质输移规律的研究

本文详细地分析了不均匀沙与均匀沙翅动和输移规律的主要不同点。指出：不均匀沙的起动和输移过程又是一个床沙粗化或细化过程，两者互相制约。具有不恒定的特性。使得不均匀沙的起动和输移复杂多变，与同粒径的均匀沙相比较，较细颗粒的动动流速高于均匀沙；较粗颗粒的起动流速又低于均匀沙。这一临界粒径的大小，随不同的床沙而异，床沙越粗、组成越不均匀。粗化作用越大，这临界粒径也越大。     

粗细化过程中的非均匀沙起动流速

本文对处于淤交替（粗化细化）过程下的宽级配非均匀沙起动特点进行了分析，文中首先探讨了均匀沙起动流速的表达方式，然后引入非均匀沙暴露高度和泥沙粒径的关系和研究成果，导出了宽级配非均匀沙分级起动流速的计算公式，通过实验资料检验符合良好。     

非均匀沙起动规律研究

非均匀沙运动规律与均匀沙存在明显的不同。本文从非均匀沙运动特点出发，简要阐述了非均匀沙的运动机理，利用滚动平衡方程式建立了能反映非均匀沙粗化，细化过程和床沙受暴露，隐蔽作用和起动流速公式，利用实测资料率定计算公式中的系数。与其它起动流速公式相比，本文推导的起动流速公式较好地反映了非均匀沙的起动特性；较细的非均匀床沙较粒径均匀的同粒径床沙难于起动，而较粗的非均匀床沙较粒径均匀的同粒径床沙易于起动。     

非均质泥流的输移特性

非均质泥流是一种含有大量悬浮细颗粒的高浓度固液两相流体，也是泥石流的一种特例。作者依据水槽输沙试验资料建立的泥流不淤流速公式，通过实测资料检验了其可靠性。在此基础上考虑推移部分影响，推导得出非均质泥流的不淤流速、临界坡降、沟道断面形态指标等重要的输移临界参数计算公式。最后列举计算实例，提出应用计算方法，并据此进一步揭示了非均质泥流的输移特性。     

双峰型非均匀沙粗细颗粒相互作用对推移质输移的影响

为研究粗细颗粒间相互作用对非均匀沙输移的影响,采用推移质动态采集、图像识别和多普勒测速技术,实现了瞬时输沙量、颗粒组成与近壁脉动流速的实时同步监测。针对双峰型非均匀沙进行了211组推移质系列水槽试验,分析表明:推移质输移量与粗沙拣选度的随机波动与紊动猝发引起的流速脉动具有响应关系;推移质中细粒基本保持持续输移,而粗粒输移则具阵发性,并遵循促发、触发与失怙3种模式;颗粒组成结构对3种模式的实施过程有重要影响;它制约着泥沙中细粒对粗粒的激励、碰撞和解怙强度,使得推移质总沙、细沙和粗沙输移率随床沙组成的改变各自呈现出不同的变化规律;水流强度一定时,随床沙粗细比的减小,输沙率呈驼峰型曲线变化;只有适宜的粗细颗粒搭配(ηc)才能使非均匀推移质输沙率达到峰值,且大于该床沙组成中任一均匀沙的输沙率。     

离子型表面活性剂对细颗粒泥沙起动的影响

表面活性剂是天然水体中常见污染物。泥沙吸附表面活性剂后,泥沙表面性质发生变化,从而影响泥沙起动规律。以长江武汉段细颗粒泥沙为研究对象,通过循环水槽装置模拟泥沙起动过程的试验,从定性和定量两方面研究了离子型表面活性剂对泥沙起动的影响机理。结果表明:①泥沙的起动过程可细分为7个阶段,当流速为15.0~20.0 cm/s时,水明显浑浊,泥沙起动;②由于表面活性剂的存在,泥沙悬浮相对减少,平衡含沙量明显降低,只达到初始含沙量的50%左右;③随着阴离子表面活性剂浓度升高,泥沙临界起动流速从19.37 cm/s增加到23.05 cm/s,而完全起动流速略微减小,从37.06 cm/s降至36.15 cm/s;④随着阳离子表面活性剂浓度升高,泥沙临界起动流速从19.37 cm/s增加到23.32 cm/s,完全起动流速从37.06 cm/s降至32.12 cm/s。电子显微镜观测结果表明,表面活性剂促进了泥沙絮凝,从而显著影响了泥沙的起动规律,且阳离子表面活性剂对泥沙的影响较阴离子表面活性剂大。研究结果不仅具有现实意义,而且为进一步完善泥沙运动体系提供了理论依据。     

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。     

天然河道不连续宽级配床沙特性及形成条件探讨

选取我国有代表性的几个河段对不连续宽级配床沙特性及形成条件进行了初步探讨,为不连续宽级配床沙运动规律研究提供了基础。认为不连续宽级配床沙特性为：泥沙粒径范围很宽,某一粒径范围泥沙较少甚至缺失,床沙粒径重量百分数具有明显的双峰分布特征。不连续宽级配床沙形成的一般条件为：河床床沙本身具有一定的不均匀性,河床有一定的覆盖层厚度,上游具有补给性的来沙条件,河段水流速度具有一定的变化幅度。     

Measurements of the sediment flocculation characteristics in the Three Gorges Reservoir,Yangtze River

The flocculation of fine sediments in the Three Gorges Reservoir (TGR) was confirmed in previous studies, but the flocculation characteristics have yet to be fully clarified. In this study, field measurements were conducted in the TGR to investigate the sediment flocculation characteristics. First, the instantaneous flow velocity and sediment concentration were measured through Acoustic Doppler velocimeter and sediment sampling. Then, the effective settling velocity was calculated based on the sediment diffusion theory to deduce the floc size and flocculation degree. Finally, the influences of particle size, flow velocity, and sediment concentration on flocculation were analyzed. Results showed that flocculation occurred in more than half of the sediments in the TGR, and the maximum flocculation degree was between 10 and 30. Flocculation weakened as particle diameter increased, with the critical particle size being approximately 0.018 mm, meaning that flocculation was unlikely to occur when the particle size exceeded the critical value. As the flow velocity increased, the flocculation degree first increased and then decreased, with the critical flow velocity being approximately 0.7 m/s, but the critical flow velocity increased with an increase in sediment concentration and tended to be a constant. The flocculation degree also increased with increasing sediment concentration and tended to be constant when the sediment concentration exceeded approximately 0.5 kg/m³. The results provide new information on the flocculation characteristics of the TGR and should be useful for understanding and simulating fine sediment transport in the TGR.     

非均匀沙起动规律研究

从非均匀沙受力分析出发，将非均匀泥沙起动所受到的附加作用力分为两部分。用滚动平衡方程式建立了能反映非均匀沙不均匀性的起动流速公式。利用天然河流实测资料和水槽实验资料率定计算公式中的系数，并用其它天然河流和水槽资料进行了验证。结果表明，公式的计算值与天然河流的实测值和水槽实验的实验值符合较好。     

Effects of storm waves on rapid deposition of sediment in the Yangtze Estuary channel

Recent research on short-term topographic change in the Yangtze Estuary channel under storm surge conditions is briefly summarized. The mild-slope, Boussinesq and action balance equations are compared and analyzed. The action balance equation, SWAN, was used as a wave numerical model to forecast strong storm waves in the Yangtze Estuary. The spherical coordinate system and source terms used in the equation are described in this paper. The significant wave height and the wave orbital motion velocity near the bottom of the channel during 20 m/s winds in the EES direction were simulated, and the model was calibrated with observation data of winds and waves generated by Tropical Cyclone 9912. The distribution of critical velocity for incipient motion along the bottom was computed according to the threshold velocity formula for bottom sediment. The mechanism of rapid deposition is analyzed based on the difference between the root-mean-square value of the near-bottom wave orbital motion velocity and the bottom critical tractive velocity. The results show that a large amount of bottom sediments from Hengsha Shoal and Jiuduan Shoal are lifted into the water body when 20 m/s wind is blowing in the EES direction. Some of the sediments may enter the channel with the cross-channel current, causing serious rapid deposition. Finally, the tendency of the storm to induce rapid deposition in the Yangtze Estuary channel zone is analyzed.     

两相非均质流输沙平衡关系及挟沙力研究

对非均质流挟沙力研究现状分析表明,目前悬移质水流挟沙力公式存在的问题:一是未能正确反映水流势能转化为动能过程中必须考虑的阻力因子;二是未能正确处理泥沙颗粒的非均匀性特点;三是未能正确计算悬液黏度对颗粒沉速的影响。本文基于大量室内平衡输沙试验及野外河渠准平衡输沙观测资料,建立了非均匀沙悬移质输沙平衡关系,得到了新的适用于各级含沙量的非均匀沙悬移质挟沙力公式。进而根据建立的输沙平衡关系,得到了挟沙水流的不淤流速及阻力坡降关系,可用于河道治理及渠系设计。