水库下游冲刷的数值模拟—模型的构造

由于水库下游冲刷过程中悬移质与推移质、推移质与河床质、河床质与悬移质交换机理及床沙粗化机理的复杂性,使得研究水库下游冲刷数学模型的难度较大。 为了研究水库下游冲刷、河床演变问题及由此而引起的对防洪、航运等造成的影响,本文建立了一维全沙数学模型,模型考虑了非均匀悬移质不饱和输移、非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。文中考虑了冲刷过程中挟沙能力的沿程调整,挟沙能力包括以下三个方面,即悬移质中细颗粒部分从累计效果看不参予与床沙交换(冲泻质),这部分泥沙全部计入挟沙能力;悬移质的粗颗粒部分落淤到床面与床沙交换后部分地计入挟沙能力;床沙中可悬浮部分从床面冲起后部分地计入挟沙能力。非均匀沙推移质输沙率公式考虑了床沙运动的随机性及床沙粗化对输沙率的影响。床沙级配的调整采用CARICHAR混合层模型。对计算中经常遇到的关键性问题提出了处理方法。     

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起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(如间歇性、阵发性和运行轨迹Z形性等),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,较细颗粒的起动流速高于均匀沙;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,这一临界粒径也越大, 文中以实测资料揭示了目前我国常用的起动和输沙率公式计算值与实测值难于符合的问题,对文献[5]、[6]提出的不均匀沙的起动和输沙率公式的主要参数进行了分析和肯定,不足之处予以修正,并用常规测量或同位素追踪测量沙波形态、连续性、运行速度和波体容重所得的推移质输沙率和坑测输沙率资料进行分析验证,结果吻合良好,最后对本研究领域需要深入研究的关键问题提出建议,     

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。     

均匀流条件下沙卵双峰型推移质输移特性试验研究

根据长江上游宽级配不连续床沙结构,概化为沙卵双峰泥沙。通过推移质输移特性水槽试验,体现了沙粒和卵粒的相互隐暴作用。对比分析了采用王兴奎公式和孙志林非均匀沙分级输沙率公式计算沙卵双峰泥沙输沙率的方法。在王兴奎公式的基础上引入考虑隐暴系数的水流参数来计算沙卵双峰泥沙输沙率,通过误差对比分析说明修正后的王兴奎公式计算结果与实验数据更加吻合。     

山区河流卵石河床的推移质输沙特性

宽级配卵石河床表层大多为不同粗化程度的粗化层覆盖,现有大多数公式只能反映特定粗化程度下的输沙特性,限制了这些公式的适用性。理论分析和试验结果表明:在同样的来水来沙条件下,粗化程度越高,输沙率越小,在计算中引入粗化程度参数可以较好地提升公式的适用性;粗化层的稳定性对卵石推移质输沙有重要影响,粗化层遭受破坏后,推移质输沙率剧增,现有公式计算结果明显偏小。因此,在计算推移质输沙率时需要科学合理地考虑粗化层破坏导致的输沙率剧增问题。     

冲积河流长距离冲刷不平衡输沙过程初步研究

本文从悬移质扩散方程出发, 研究冲积河流长距离冲刷不平衡输沙过程. 对于天然沙质河流, 床沙均为非均匀沙, 由于较细泥沙的冲刷率总大于较粗泥沙, 因此在床面薄层内泥沙随冲刷迅速粗比, 致使挟沙力降低, 不平衡输沙距离比均匀沙情况大大延长. 文中同时提出了表层床沙粗化的概化计算模式及床沙交换速率计算公式. 床沙交换速率的大小是决定含沙量恢复饱和距离的重要因素. 本文对不同类型底部边界条件进行了计算比较, 并与黄河下游的实际冲刷资料进行了对比, 结果表明, 应用梯度型底部边界条件, 且在考虑表层床沙粗化中以作者提出的公式计算床沙交换速率, 则计算含沙量和实际符合良好.     

水库下游冲刷的数值模拟──模型的检验

文献（１）建立了水库了游冲刷的一维数学模型，模型考虑了非均匀悬移质不饱和输移，非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。本文利用系统的水槽试验资料及汉江丹江口水库水游，长江葛洲坝下游冲刷资料对文献（１）提出的模型进行了全面检验，检验结果表明，计算的冲淤量及沿横断面分布，出口断面含沙量过程，推移质输沙率，各河段床沙粗化过程及水位过程均与实测资料吻合较好。     

浑水推移质分组输沙研究

天然河流的泥沙输移大多在浑水条件下进行,浑水条件与清水条件下的输沙机理存在一定差异。基于近底泥沙交换三状态随机-力学模式,考虑了床沙与推移质向悬移质的净交换,引入扬动概率,建立了浑水中非均匀推移质分级输沙率公式,进而导出总输沙率及推移质级配的计算式。浑水条件下进行的推移质输移水槽试验和野外实测资料验证了该理论公式的合理性与可靠性,并发现浑水条件下推移质级配可能粗于原始床沙级配。研究结果表明:在浑水中,以悬移质形式存在的砂质泥沙含量对有效估算推移质输沙率有着不容忽视的影响。在某粒级运动泥沙总量不变的前提下,由于一部分沙粒悬浮于水体中,将使得推移质数量相对减少。     

Einstein均匀沙推移质输沙率公式的修正

为更好地完善推移质输移理论,采用无后效的Markov过程描述床沙、推移质和悬移质运动的随机性,推导了新的推移质输沙率公式结构.引入隐蔽角的概念,进一步量化分析床沙位置分布特性.采用全概率泥沙起动概念,推导了考虑水流条件随机性和床沙位置分布特性的泥沙起动全概率.基于垂向脉动流速,得到了泥沙起悬概率,最终构建了新的推移质输...     

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。     

清水冲刷河床粗化数学模型

本文建立了大坝下游清水冲刷河床粗化一维数学模型。该模型考虑了非均匀推移质不平衡输移,并引入混合层模式用于模拟河床组成的变化。利用Preissmann隐式格式求解水流方程组,用显式格式求解河床变形方程及床沙级配调整方程。该模型侧重于模拟河床粗化过程,也能用于河床一维变形计算。利用我们做过的清水冲刷水槽实验资料对模型进行了全面的验证,取得了令人满意的结果。     

宽级配卵石泥沙颗粒特性的分维值及其应用

针对过去床沙粗化实验中依据推移质输沙量确定粗化稳定的不足,利用分维测度提出了两种新的判别方法,即通过计算分析粗化层及推移质级配分维值稳定程度而加以识别。通过实验资料计算验证,得到了较满意的结果,对研究泥沙级配特性及粗化稳定具有积极指导意义。     

粗细泥沙挟沙能力研究

文中导出了均匀沙、非均匀粗细泥沙平衡和不平衡状态下的挟沙能力公式，反映出含沙量、来沙量、级配和粘性对挟沙能力的影响。     

A STUDY ON NONEQUILIBRIUM TRANSPORT OF NONUNIFORM BEDLOAD IN STEADY FLOW

In the case of steady flow, an equilibrium state for an alluvial reach referring tothe input of sediment over a sufficiently long time (time interval in the order of months) is equalto the output of sediment. A nonequilibrium state exists under steady flow when the sedimenttransport rate changes with time and space, so that there is no balance between input and outputof sediment. The experiments were performed in an open circuit tilting flume with the bed slope of 0.001-0. 009, the flume length of 30m and flume width of 0. 5m. The boundary condition atupstream and in all experiments, the rate of sedimant supply was zero. The coal or sand was se-lected as the Wed material. The grain diameter of the bed material varied in the range of 0.05-20. 00ram. The equation of nonequilibrium transport of nonuniform bedload is derived. Thegrain distribution of the size distribution of bedload is calculated by modified Gessler's formula.The grain size distribution of bed material is calculated by CARICHAR mixed layer model. These equations are applied to numerical simulation of armoring of riverbeds. The results ofthe bedload transport rate and the grain size distribution of the bedload at the end of the down-stream in the process of time, as well as the grain size distribution of the bed material in the pro-cess of time and distance are all in close agreement with the measurements.     

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。     

非均匀沙推移质输沙率及其级配计算

本文根据水流功率理论,导出了非均匀沙推移质输沙率公式,并考虑了床沙运动的随机性及床面粗化对输沙率的影响;提出了推移质级配计算的公式。由非均匀推移质输沙率及其级配计算公式的计算值与作者、Samaga、Gilbert试验值及长江新厂(二)站、美国东汊河实测值吻合较好,并且能够用于均匀沙的推移质输沙率计算,具有广泛的通用性。