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。     

多沙河流河床演变特殊冲刷现象的研究

本文在全面分析了多沙河流河床演变“揭河度”冲刷的研究成果后，利用大量的河流实测资料，计算出反映高含沙水流流态特征参数，挟沙力Ｓ、及自动悬浮条件参数值，提出“揭河底”冲刷时水流流态紊动的均质流，且挟沙力Ｓ，远远大于最大含沙量Ｓｍａｘ，并满足自动自动悬浮条件ＵＪ〈ωＳ等论点，推动了多沙河流“揭河底”冲刷的研究，并为泥沙工作者提供了大理有价值的实测资料。     

长江下游河道不同时段水流挟沙力探讨

长江下游河道上起安徽省池州市梅埂(大通),下迄江苏省江阴市鹅鼻咀,属于分汊型河道,干流长约694 km.张瑞瑾水流挟沙力公式形式简单,计算方便,但式中的参数k、m确定比较困难.根据大通水文站多年来实测水文泥沙资料,推导出了长江下游河道在汛、枯期张瑞瑾水流挟沙力不同的表达式.同时,通过分析认为划分长江下游悬移质中床沙质和冲泻质的分界粒径以泥沙粒径级配曲线下脚拐点为宜.     

三峡水库运行初期坝下近坝段河道冲刷对河床糙率影响分析

三峡工程蓄水运行后,坝下河段出现较为剧烈的冲刷,但宜昌枯水位并未出现预期的大幅度下降.研究表明,宜昌枯水位稳定的主要原因之一是河床糙率增大.根据实测水文河道资料,分析了三峡水库运行初期坝下近坝段河道冲刷对河床糙率的影响,并进一步估算了河床糙率变化对宜昌枯水位的影响程度,认为河床粗化对宜昌枯水位下降有明显的补偿作用.     

沙质河床清水冲刷粗化的研究

研究了沙质河床清水冲刷粗化机理，即它不是靠推移质冲刷，而主要是靠悬移质冲刷，在粗化过程中产生沙波，形成与水和条件相适应的稳定的沙波运动，建立新的平衡。据此，提出了河质河床粗化物理模式和计算方法。     

山区河流阶梯-深潭的发育及其稳定河床的作用

山区河流的河床经常呈现阶梯-深潭地貌。本文对阶梯-深潭的发育机理进行了实验研究，发现阶梯-深潭系统的发育是冲积河道适应水流条件在垂向进行自动调整的结果。对河床床面结构随水流强度改变而变化的研究证明阶梯-深潭增大水流阻力，使不同粒径的床沙承受不同的剪切力，因而对稳定河床有着显著的作用。文章还根据对水流剪切力和泥沙起动拖曳力的对比验证了这种稳定性。     

河床冲淤幅度判别指标与水流挟沙力公式验证

以河床变形方程为理论基础,提出了河床冲淤幅度判别指标,为资料的选取及适应性评价提供了一个统一的标准.采用经这个判别指标界定的黄河中下游实测资料,对若干在黄河上较有代表性的公式进行了检验,结果表明对于微冲微淤资料,张红武公式计算点群较集中地分布在45°线两侧,计算值与实测值吻合最好;吴保生、刘兴年、曲少军3家公式计算结果较为接近,从计算值与实测值对比情况看,点群较为分散且偏小;曹如轩公式计算值与实测值相比偏大且点群散乱;刘峰公式计算值与实测值相比偏大甚多.这也说明了现有挟沙力公式本身对冲淤判别非常不灵敏,对冲淤的反应功能都相当弱.同时表明,在水流挟沙力公式验证中引入冲淤幅度指标可以增强所选资料的合理性,具有较好的实用性.     

清水冲刷宽级配河床粗化机理试验研究

本文在前人研究基础上，选用粒径为０．０５－２０．００ｍｍ的煤屑及天然沙，在长３０ｍ、宽０、５ｍ、深０．６ｍ的变坡水槽内，首先进行清水冲刷河床粗化试验方法研究，然后进行了二十九组试验。     

稳定流态下海底管线局部冲刷有限元数值模型

为了获得海底管线局部冲刷发展过程中不同时刻的床面形态,建立了一个有限元数值模型来模拟稳定水流下海底管线的局部冲刷。采用非定常雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型模拟水流流动,通过求解Exner方程计算床面变化,利用动网格技术展现床面变化历程,分别采用特征线法和有限元法对方程进行时间和空间离散。通过二维方形钝体绕流和Mao的清水冲刷试验对模型进行了验证。结果表明,模拟结果与试验数据吻合较好,所建模型可用于模拟海底管线局部冲刷。     

交汇河道水沙运动与河床响应研究进展

汇流是平原河网常见的河道形态,河网交汇处伴随着水流、含沙量、地形、水温、生态和环境等的突变,是控制水、沙、污染物输移的重要节点,因此了解汇流处水、沙等物质输移和特殊床面形态对日益恶化的河网水环境的综合治理有非常重要的理论和实际意义。笔者主要从交汇河道的特殊水流结构、泥沙运动规律以及河床对水沙运动的响应分别进行概述和总结,提出了目前交汇河道研究中存在的一些问题,并对交汇河道水沙运动与河床响应研究的研究方向提出了展望。     

汊道演变的水沙过程影响分析——以监利河段为例

长江中下游许多汊道河段主支汊易位频繁,但对产生这一现象的主要驱动机理与影响因素一直争议不休。研究采用距平分析法、Mann-Kendall分析与基于分形理论的极差分析法相结合的方式,详细分析了监利河段1951年-2009年间流量和输沙率时间序列年尺度的变化过程。结果表明,流量及输沙率的Hurst数分别为0.943 0和0.923 9,均十分接近1.0,具有很强的持续性。Mann-Kendall分析发现,输沙率序列无明显突变,流量序列仅在1967年出现突变,主要由上游实施裁弯工程所致。系统分析来水来沙的匹配关系发现,该河段主支汊易位时间与水沙序列匹配状态有明显的相关关系,在"水多沙少"时期,监利右汊为主汊;而在"沙多水少"时期,监利左汊为主汊。     

水库坝前冲刷漏斗平衡形态的数学模拟

应用作者提出的水沙两相流立面二维数学模型和基于算子分裂的数值计算方法,对水库坝前冲刷漏斗平衡形态及相应水、沙流动特性进行数学模拟。分析表明:在邻近孔口的局部范围内,漏斗平衡形态直接依赖于孔口的布置形式与调度运行;对于孔口影响域以外的区域,则主要取决于上游来水、来沙条件。对黄河小浪底水库和三门峡水库在概化条件下的实例计算结果与现有观测成果和预测分析基本符合,对工程实际有一定参考价值。     

桥台局部冲刷坑内水流运动的三维数值模拟

局部冲刷是河道中丁坝、桥台等破坏的重要因素。这些建筑物周围绕流流场和泥沙运动十分复杂,对冲刷的机理及平衡条件的研究还有待于进一步深入。文中采用k-ε模型对桥台周围平衡冲坑内的流场进行了三维数值模拟,计算结果正确反映了建筑物周围的流速分和紊动动能的分布;根据流场分布分析了冲坑内的旋涡分布规律及其与冲刷的关系,阐述了主旋涡向螺旋旋涡的转化以及冲坑内水流的能量耗散机理。冲坑内的床面切应力的分布反映了床面冲刷平衡条件,数值模拟得到的床面切应力分布表明颗粒运动受到斜坡上重力作用的影响,同时在紊动剧烈的区域还受到旋涡的影响。     

丁坝群附近流场及局部冲刷的三维数值模拟

为探索丁坝群附近水流流场,揭示其局部冲刷的形成机理,该文采用Flow-3d软件,选取RNG k-ε湍流模型和以希尔兹(Shields)数为基础的泥沙推移质输沙率模型对上挑丁坝群的周围流场分布和局部冲刷进行了三维数值模拟。研究发现,丁坝群间涡系结构复杂,第一座丁坝坝头处有一对反向的旋涡和下潜水流,切应力达到最大值,使得该位置有较大冲刷坑发生,解释了冲刷机理。冲刷坑的模拟深度和范围与实验结果吻合较好,表明该模型可以用于丁坝群及相关河道整治工程的流场和冲刷坑计算。     

桥墩振动对其局部冲刷的影响

为了探究桥墩振动对其局部冲刷的影响,以圆柱型桥墩为例,开展了不同泥沙底床条件下的振动桥墩局部冲刷水槽试验。结果表明,在振动载荷下,对于中值粒径分别为14.42μm、31.75μm和85.92μm的细颗粒底床,当振动强度从0增大至3.72,最大冲刷深度和最大冲刷半径均随之增大;中值粒径为14.42μm的泥沙底床最大冲刷深度增幅最大达910%,且粒径越大,增幅越小。对于中值粒径为260μm的粗颗粒底床,当振动强度从0增至2.31,最大冲刷深度降低了37.50%,而最大冲刷半径增加了38.37%。因此,桥墩的振动对其局部冲刷有着重要影响,且对细颗粒底床和粗颗粒底床的影响不同。桥墩振动导致有黏性的细颗粒泥沙发生流变从而加剧了其局部冲刷;而无黏性的粗颗粒泥沙受到振动作用而加密,其局部冲刷削弱。提出了考虑桥墩振动的局部冲刷深度计算公式,其理论计算值与实测值相对误差在±20%的数据达87.5%,能够为涉水桥梁基础埋深的设计提供更合理的计算依据。     

丁坝局部冲刷坑形态演变及冲刷平衡临界条件

丁坝局部冲刷坑垂向冲深、平面宽度及上下游边坡构成了冲刷坑几何形态的三维特征。局部冲刷达到平衡状态时,冲刷坑上下游边坡保持相对稳定的斜率。其与泥沙颗粒水下休止角大小及冲刷平衡临界条件的关系仍不太明确。一系列清水冲刷试验表明,不同来流强度条件下冲深与展宽速率存在非对称特征,坝体上下游边坡斜率随时间演变振荡衰减至相对稳定坡度。坝体上游坡度均较下游陡,比值近似常量为0.5。边坡斜率略小于泥沙颗粒水下休止角,比值下限近似为常量0.7。     

桥墩基础施工河床局部冲刷研究

天然河流中水流受到建筑物的阻碍时，产生紊动涡旋，局部河床泥沙在水流紊动剪应力作用下起动，并被涡旋流带向下游，建筑物局部河床因此受到侵蚀而下降，形成局部冲刷坑。跨河大桥桥墩的局部冲刷就是如此。桥墩及其基础与水深或河床的相对位置影响着局部冲刷深度的发展。本文通过室内试验研究了桥墩下部钢围堰基础施工的相对高程对河床局部冲刷最大深度的影响，探讨了工后钢围堰顶部处于相对水深的不同高度时局部冲刷发展的规律，并将这些影响因素用墩形系数法计入局部冲刷深度计算中，给出了计算公式。本文的研究对目前跨江及跨海大尺度桥墩基础工程施工具有指导意义。