堆积体对河道横断面流速分布影响的试验研究

大型泥石流、滑坡等灾害引起的河道堆积体体型较大,会引起河道横断面流速分布的较大改变。为了研究堆积体对河道横断面流速分布的影响,拟通过10组缓坡和6组陡坡河道水槽试验,得出不同尺度堆积体在陡缓坡河道上引起的横断面流速不均匀性的沿程变化结果,并对动能修正系数α和流速横向分布的结果进行分析。结果表明:α的大小能够反映流速断面分布的均匀性,且堆积体的阻水率越大,流速分布的不均匀程度越高;对于缓坡河道,在堆积体河段的x/l=0.5处,流速分布的不均匀程度最大,下游需要较远的距离来消弥堆积体对流速横向分布的影响;对于陡坡河道,流速分布均匀程度的变化主要集中在堆积体河段,且α峰值明显低于缓坡,对上下游影响不大。     

堆积体作用下陡坡河道流速沿程及横向分布规律

滑坡、泥石流等灾害过程,常在河流岸边形成大型堆积体,缩窄了主河道过流宽度,对主河道水流运动产生影响.通过水槽试验,研究了堆积体作用下陡坡急流河道流速沿程及横向分布规律.试验结果表明:受堆积体影响,水流流态一般可分为上游低速区、主流区、下游回流区及堆积体下游段折冲水流与隐蔽区缓流相遇而形成的斜向水跃.堆积体的壅水作用对主流区流速沿程分布影响较大,随堆积体尺度的增加,对主流流速影响增大,影响范围加大.堆积体上游段,主流流速受堆积体影响减小;急流条件下,堆积体段的过流断面束窄,过流能力降低,主流流速较天然状态有所降低,出现急、缓流过渡,堆积体末端逐步恢复至天然状态.堆积体下游临近断面流速大小与天然状态基本一致,沿横断面的流速比天然状态略有增大,对岸流速则略有降低,随堆积体规模的增加,流速横向变化幅度增大.     

丁坝对弯道水流特性影响分析

丁坝有调整河道流势的作用,是常见的水工构筑物。文章通过实验分析河道丁坝布设位置对弯道水流特性的影响。结果表明：丁坝的布设离弯道入口越近,处于坝前的水流流速越小,处于坝头的水流流速越大;短丁坝设置在弯道45°位置和90°位置时,左岸水流流速呈先减小再增大趋势,右岸水流流速呈先增大再减小趋势。以上研究可为丁坝建设工程提供参考。     

山区宽窄相间河道不同流量下水流结构研究

为了研究山区河流宽窄相间河段不同流量下水流结构特性,以雅安宝兴河上游河段为研究对象,概化实际河道,并建立三维水流计算模型。结果表明①小流量下,窄段上游无明显壅水现象,宽窄相间河道显现出与顺直河道相似的特性,随着流量的增加,窄段上游壅水剧烈,宽段到窄段沿程断面平均流速呈现“增加—相对稳定—骤减—相对稳定—增加”的分布规律;②受河宽、壅水和回流影响,不同流量工况下宽段横断面的水流特性分布较窄段更加复杂,且在宽段的壅水区与非壅水区流速分布规律差异亦较大;③不同流量状况下,宽段床面剪切力剧烈变化将造成卵石沿程运动的不连续性,宽段河床呈现周期性往复发展的复归性变形,从而维持了宽段河床结构的稳定,而在窄段,河道在较大的床面剪切力长期作用下,形成了与周围环境相适应的河床结构,以消耗窄段较大的水流能量,从而保护河床的稳定。     

复合河道流速及河床剪切应力降低的有效性分析

在概述F江上游河道工程概况及地貌区划分的基础上,分析了下切深度、速率以及地表隆升、气候转湿及侵蚀基准面下降等下切过程的控制性因素,并应用HEC-RAS一维模型和UnTRIM三维流体动力学模型进行了复合河道建造对河道流速及河床剪切应力降低的有效性测试。结果表明,F江河道不同地貌区下切速率差异较大,并与下切深度变化趋势吻合,F江下切速率和隆升幅度之间明显正相关;复合河道在河道修复工程中的作用十分重要,其允许河流在高流量期内流动于更加宽阔的横截面,并有效降低高流量期间河道流速及河床剪切应力;应用三维流体动力学模型能进行河道修复方案适用性的全面评价,为河道修复规划设计提供可靠依据。     

不同绕流结构体对河道水流的影响

分别采用一维方形丁坝、二维梯形丁坝和三维堆积体概化模型,在同一水流条件下进行水槽试验,研究不同维度绕流结构体对河道水面线和三维时均流速的影响。试验结果表明:(1)在进占宽度比完全相同的情况下,梯形丁坝由于存在第一回流区,导致实际阻流面积最大,对上游阻流最强烈,方形丁坝次之,堆积体最小;(2)当阻流面积比(阻流流量比)相同时,方形丁坝在断面束窄河段的纵向流速加速能力比梯形丁坝强,水流横向偏转的幅度也更大,但梯形丁坝垂向流速比方形丁坝更大一些;(3)当沿水流方向长度相同时,堆积体由于最大截面面积较小,纵向、横向和垂向流速均小于丁坝。由此可见,常用于区分绕流结构体阻流特性的指标,如进占宽度比、阻流面积比和阻流流量比等,并不能全面表达结构体对流场的影响。     

串列双圆柱水流特性试验研究

通过对串列双圆柱不同间距时的流速分布进行试验分析,得知水流进入桩柱间隙区域后,正对桩柱的垂线流速分布由对数分布变为S型分布.沿横断面方向,流速改变形式十分相似,各曲线分布趋势沿水槽中心呈对称分布.对于不同间距,对水流影响不同,间距越大,桩周围流速减小幅度越小,流速改变波及面越小.本次试验的分析结果为码头工程设计提供了参考.     

宽窄相间河道上游流速特性分析

山区河道受地质和河床演变的影响,平面形态呈宽窄相间的形态特征。采用水槽模型试验,建立不同比例的宽窄相间河道模型,对上游断面进行流速测量,对比均匀流分析其流速变化规律,并反算其摩阻流速。结果表明:宽窄相间河道上游较远处流速分布基本符合对数流速分布规律,接近收缩段处不符合对数流速分布规律;宽窄相间河道横向流速分布符合指数分布规律,其横向流速分布参数与摩阻流速呈规律性变化,与宽窄比及距收缩段的距离有关。研究成果可为宽窄相间河道工程整治提供理论参考。     

连续弯道河床演变试验研究

为研究不同水流条件对弯曲河道河床演变的影响,文章开展连续弯道水槽试验,测量推移质输沙、水位、河床表面高程。结果表明：弯曲段床面的横向底坡存在折点,深槽随不同的横断面而异。同一流量下,横断面平均流速与弗罗德数变化趋势完全一致;随着流量增大,各个横断面的平均流速与弗罗德数也增大。在直线过渡段中间附近容易淤积,淤积程度随流量增大而加剧。床面高程阈值区间随流量增大而增大,床面高程由单一性变为多样性。研究成果对河道治理和改善航运有指导意义。     

河道中受侧壁影响的断面流速分布规律研究

断面水流流速分布是研究河道水流泥沙运动规律的基础。天然河流断面形态不同,其流速分布特性也有差别:对于比较宽浅的河道,侧壁对断面流速分布的影响较小,流速沿垂线分布梯度较大,垂线上最大流速一般位于水面,垂线平均流速沿河宽方向(横向)分布较均匀;对于较窄深的河道,侧壁对流速分布的影响较大,流速沿垂线分布较均匀,垂线上最大流速一般位于水面以下,垂线平均流速沿河宽分布梯度较大,因此,对于较窄深的河道必须考虑侧壁对流速分布的影响。本文在分析天然河道流速分布特性的基础上,从紊流的雷诺方程出发,推导获得了水流受侧壁影响的横断面流速分布公式和垂线平均流速沿河宽分布的公式。公式计算结果与水槽试验和天然河流实测流速分布资料的比较分析表明,公式能较好地反映流速沿垂线和沿横向的分布特性,具有较好的理论和实用价值。     

基于CFD的防淘墙河床冲刷模拟方法

基于CFD技术,通过建立冲刷坑底部水流流速与床面颗粒临界起动流速之间的平衡关系,控制数值计算中的冲坑底部边界的变化,探讨了防淘墙周边深覆盖层河床冲刷模拟的方法。采用该方法对丁坝模型进行局部冲刷数值模拟,结果表明该方法可以较好地反映冲刷坑的位置、深度及底部轮廓。更多还原     

天然河道水流紊动特性分析

本文采用超声多普勒三向流速仪对不同流量级的条件下长江干流黄陵庙水文观测断面不同垂线的脉动流速进行了观测。根据现场观测资料，对水流的紊动周期、频率、概率密度函数等进行了定量的数学描述，并对时均流速、紊动强度、雷诺应力等沿垂线的分布规律进行了分析计算。结果表明，脉动流速的概率分布在充分发展的自由紊流区近似为正态分布，在近壁强剪切紊流区为偏态分布；各垂线紊动强度在相对水深大于0．4的范围内比较均匀，在接近河底处升高，达到最大值后迅速减小，至河底为零。     

层状颗粒柱体崩塌-堆积过程研究

碎屑流具有高速度、冲程远、危害范围广等特点,颗粒粒径被认为是影响其运动距离的重要因素之一。为了对碎屑流进行有效的预测和防范,基于单面临空下不同分层堆积模式颗粒柱体的一系列崩塌运动物理试验对其崩塌-堆积过程进行了研究。结果表明:不同分层堆积模式颗粒柱体崩塌后,颗粒的堆积层序和试验前颗粒初始堆积层序保持一致;崩塌后的颗粒堆积层序和试验前颗粒初始堆积层序有关;不同粒径的颗粒相互间运动时,粒径较小的颗粒填充到大颗粒间的空隙之中,并起到润滑作用;颗粒柱体在单面临空面方向崩塌时,颗粒运动方向呈放射状,堆积平面形式是"圆形态";分别以d_7颗粒为顶层和d_(13)颗粒为顶层时,d_7颗粒最远堆积长度比d_(13)的高约6.3%;顶层颗粒(d_7颗粒)运动能力越强,则最终的堆积范围越大,底层颗粒(d_(13)颗粒)的运动能力,对整个堆积体最终堆积范围影响相对较小。上述规律可应用于层状危岩体崩塌过程及其颗粒堆积范围的研究。     

常曲率U型弯道水流结构与泥沙冲淤试验研究

通过在常曲率U型弯道水槽试验中采集的流速和水深过程数据,研究了弯道内水流结构及泥沙冲淤形态,分析了水流与床面之间的相互影响。试验发现:(1)弯道水流结构水面线发生扭曲,水流动力轴线及三个方向的垂线平均流速随流程和横向分布均有变化;(2)由于弯道特有的几何特征,使弯道中水流产生特有的弯道环流运动,弯道环流运动引起弯道泥沙的横向输移,形成弯道凹岸冲刷、凸岸淤积的冲淤特性,反之,床面形态的变化也使水流结构发生改变。研究所得结果可为河流泥沙研究提供参考。     

黏土透镜体影响潜流交换的试验研究

潜流交换是影响河流-地下水作用带的水流条件、水环境修复、维持生态平衡的重要物理过程之一,河床内存在的黏土透镜体对潜流交换的影响机制尚未得到很好的揭示。参考实际的地质情况,采用适当尺度的物理模型进行黏土透镜体影响下的潜流交换研究。在控制水头和流量的情况下,针对不同规模和埋深的黏土透镜体分别进行潜流交换模拟试验,根据测得的压力数据绘制潜流带内的地下水流场。针对每一种模拟情况,在黏土透镜体上侧、左侧方向的相同距离利用所绘制的等值线计算梯度,得到透镜体附近的流速场,并利用达西定律将流速场转化为流量场。试验结果表明:潜流量随着单一黏土透镜体的尺寸和埋深增加而减小;随着地表水上下游水头差的增大,透镜体迎水面和背水面的流速分别增大和减小且增速逐渐变慢;流速衰减率与地表水上下游水头差呈正相关。研究成果提供了一种研究小尺度的潜流交换过程的方法。     

水库坝前冲刷漏斗形态三维水沙数学模型研究

利用"动刚盖法"处理自由表面边界,结合水库坝前水沙运动规律导出坝前局部床面泥沙边界条件及泄流初期河床滑塌变形的判别条件,通过坐标变换建立坐标系下水库坝前冲刷漏斗形态三维水沙数学模型.分别利用正向和侧向底孔泄流条件下冲刷漏斗水槽试验资料对模型进行验证.模拟结果表明,不同泄流方式下底孔附近三维水流结构、横断面、纵剖面及平面形态特征等均与实测资料基本一致,模型关于自由表面边界、近底泥沙交换条件、河床纵坡、横坡滑塌处理是合理的.     

含沉水植物河道水流流速特性研究

在梯形平底水槽中,用塑料草模拟了沉水植物对水流的影响。结果表明：（1）流速不同、相对植物高度不同的情况下,植物对流速的影响是不同的;（2）含沉水植物的水流垂向流速分布曲线存在一条流速分界线,在其上部流速变大,下部流速变小,流速分界线在植物冠层以上,在相对水深h／H=0．3附近;（3）两株植物叶片之间是否有交叉重叠对水流的阻碍作用是有区别的;有交叉重叠时会额外增加水流阻力;在流速分界线以下,叶片有交叉重叠时流速减小幅度较大。     

Fundamental study on the effects of the keystone height and structure on sediment deposition in a high‐gradient channel

Step–pool structures are among the most important structures in riverbed morphology that can contribute to the stabilization of riverbeds and riverbanks, energy dissipation during floods, and head reduction function. Two concepts have been suggested regarding step–pool formation: the development of antidunes (antidune concept) and keystone concept. The latter suggests that a large boulder (keystone) incidentally left in a river channel can trap pebbles and build a step–pool structure. The ultimate goal of this study is to reveal the step–pool formation process and establish a design method based on the keystone concept. This paper describes the experimental results of the effects of the keystone arrangement on sediment deposition. Step–pool formation based on the keystone concept has previously been focused on the process of sediment deposition a short distance from a keystone. However, this study reveals that the obstruction of sediment supply due to the decreased flow velocity in the main river course is an important factor. When the arrangement interval of keystones is small, the amount of sediment supply downstream decreases because the flow velocity at the main flow channel between the keystones does not increase. In contrast, the flow velocity at the main river course increases between the keystones, and supplied sediment is transported to the most downstream section if the keystone arrangement interval is large enough to join the flow from the bank side of the keystones.