挟沙水流泥沙浓度分布的试验研究

通过挟沙水流泥沙浓度分布的试验，研究泥沙浓度和紊动强度沿垂线的分布之间的内在联系，试验结果表明泥沙浓度和紊动强度沿垂线的分布一致性较好，建立了泥沙浓度和紊动强度沿垂线分布之间的关系式。分析了关系式中泥沙浓度、泥沙的中值粒径对系数K的影响，中值粒径的影响较泥沙浓度对系数K的影响大，系数K随中值粒径的减小明显减小。并在此基础上进一步建立了泥沙浓度与流速、流速梯度之间的关系式。     

泥沙粒径与水流紊动关系试验研究

挟沙水流中的泥沙颗粒因水流紊动而悬浮，同时受重力作用而下沉。由于水流中的泥沙颗粒会对水流紊动产生影响，反之，水流紊动也对泥沙颗粒分布产生影响，它们之间作用是相辅相成的。本文采用超声流速仪（MicroADV）量测挟沙水流的时均流速沿垂向分布，同时对泥沙颗粒粒径的分布进行了试验，研究了泥沙颗粒粒径d50和水流紊动强度在沿垂向分布之间的内在联系，结果表明：泥沙颗粒粒径和紊动强度沿垂线的分布一致性较好，并用实测资料对他们进行了拟合，建立了它们之间的关系式，有一定的实用价值。     

恒定流中泥沙运动速度实验

泥沙颗粒运动速度与水流运动速度是不一致的,进而会对水流输沙和河床演变产生影响。通过采用粒子追踪测速方法(Particle Tracking Velocimetry-PTV)和粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry-PIV)测量了水槽中2种粒径的泥沙颗粒运动速度及相应的水流运动速度。实验结果表明,泥沙颗粒运动速度沿垂线分布与水流速度不一致,在对数区,泥沙颗粒的运动速度略小于水流的速度,泥沙运动滞后于水流运动;在近壁区,泥沙颗粒的运动速度大于水流速度,且在本实验的粒径范围内,随着泥沙颗粒粒径增大,泥沙颗粒的运动速度也随之增大。     

泥沙对挟沙水流流动结构影响的研究

应用MicroADV研究了不同粒径的泥沙颗粒在不同水力条件下对水流流动结构的影响。实验发现：挟沙水流流动结构的变化不仅与颗粒的大小密切相关，而且与水流流动条件有关，颗粒对水流结构的影响随着水力条件的变化而改变：在强水流条件下，不论粗、中、细泥沙都不改变主流区的流速分布及紊动强度；在中等强度水流条件下，粗、中、细三种颗粒的加入都使流速大于相同条件的清水水流，而其紊动强度则较清水水流低；在弱水流条件下，三种颗粒的加入都不改变水流的流速分布，但粗颗粒使水流紊动强度显著增大，而中、细颗粒基本不改变其紊动强度。     

悬移质分选沉降及其在工程上的应用

悬移质泥沙占河流输沙的大部分，由于泥沙的重力作用及水流的紊动混掺的双重作用，悬移质沿垂线的分布呈上稀下浓，上细下粗的规律。在水流的不平衡输沙条件下，趋饱和水流中必然有一部分泥沙沉降落淤，其中较粗的泥沙必然率先沉降，较细的泥沙仍随水流悬浮前进。     

泥沙粒径对其均匀系数分布影响的试验研究

在挟沙水流中,泥沙颗粒的运动是随机的。对于不同的点,泥沙组成是不一样的,即泥沙颗粒组成具有不同均匀程度,它的非均匀系数φ沿垂向存在一定规律性。通过水槽试验,分别对3种粒径泥沙颗粒探求泥沙组成的非均匀系数沿水深方向的规律。试验表明：对于粗颗粒试验泥沙,其非均匀系数随水深的增加而增大;中、细颗粒试验泥沙,非均匀系数随水深的增加而减小,但二者的减小梯度存在差异。     

弱动力水流中粘性泥沙作用下水流流速沿垂线分布的试验研究

采用玻璃水槽试验的方法探讨了弱动力水流中粘性泥沙作用下水流在水流条件、含沙量及水质条件共同影响下,流速沿垂线的分布规律.结果表明:弱动力水流流速的垂线分布有其自身的特点,流量较大或含沙量较小时,都基本遵循对数分布规律;流量较小且含沙量足够大时,流速的垂线分布呈横向抛物线形,并出现明显的分层现象;此现象出现后,当含沙量较大、流量减小,或流量较小、含沙量增大时,流速极大值增加、位置向床面下移,流量较小、含沙量较大时,随着钙离子浓度的增加,流速极大值增大,且其位置更贴近床面.     

湍流中泥沙垂线分布的力学解释

作者从泥沙垂向动量交换出发，分析了泥沙在紊流中由于湍流脉动产生的升力效应，并综合考察了非湍流脉动原因存在的升力以及在不同浓度下含沙水流中泥沙受到的有效重力，得到了基于力学角度的泥沙浓度垂线分布的关系式。在此基础上，通过对床面粗糙度、泥沙粒径和含沙量等影响泥沙浓度垂线分布有关因素的分析，探讨了挟沙水流中两种不同浓度分布类型产生以及转化的原因，并结合具体的试验资料对泥沙浓度垂线分布形态时行了计算和验证，取得了较好的结果。     

上方来水来沙对细沟侵蚀泥沙颗粒组成的影响

土壤中细颗粒的流失是土壤质量恶化的重要表现之一。利用试验土槽和供沙土槽双土槽径流小区系统,分析了黄土坡面在不同降雨强度、不同含沙水流汇入条件下的细沟侵蚀泥沙颗粒组成变化特征,探讨了降雨强度、坡面上方不同含沙水流汇入、细沟水流流速对细沟侵蚀泥沙颗粒组成变化的影响及其机理。结果表明,上方水流的汇入使侵蚀泥沙中<0 001mm的粘粒含量呈增加趋势,0 05～0 001mm的粉砂粒呈减少趋势,而降雨强度对侵蚀泥沙颗粒组成的影响不甚明显;同时,侵蚀泥沙中粘粒含量随细沟水流流速和细沟侵蚀产沙量的增大而增加。     

超声反射法测量悬浊液浓度分布的特性研究

在泥沙研究中，含沙量及其沿垂线分布的测量问题非常重要。目前基本上是采用传统的方法．费时费力，而且无法做到实时、连续测量。为了探索新的测试方法，本文报道利用超声反射法，根据声波在浑水中沿垂线传播时，不同深度、不同浓度泥抄颗粒对声波的散射信号不同这一原理，对泥沙浓度、深度及其粒径与散射强度的关系进行大量实验研究，以期能实现含沙量垂线分布的自动测试。     

细颗粒含量对粗颗粒含沙量分布及挟沙能力的影响

本文通过水槽试验,研究了细颗粒(粘土类细颗粒)含量对粗颗粒含沙量分布及挟沙能力的的影响。粘土类泥浆具有宾汉流体的特性,其宾汉切应力及刚度系数随细颗粒含沙量S_F的增大而急剧增大。粘性增大使得粗颗粒在其中的沉速大幅度减小,水流中粗颗粒含沙量沿垂线分布趋于均匀,但仍符合扩散理论,即在双对数纸上呈一直线。根据颗粒在宾汉体中下沉的C_D-Re_1关系可以推求粗颗粒在泥浆中的沉速W。而由实测粗颗粒含沙量的垂线分布也可以反算沉速,两者是一致的。S_F极高时流动呈层流流态,粗颗粒含沙量沿垂线均匀分布。粘土泥浆中粗颗粒沉速的减小也有助于粗颗粒的输送。细颗粒含沙量愈大,同样水流强度条件下粗颗粒的输沙率愈高。如果水流强度参数中的沉速采用C_D-Re_1关系推求,则不同细颗粒含沙量泥浆输送粗颗粒的挟沙能力关系可以统一起来。细颗粒含沙量极高的挟沙能力有待进一步研究。     

壅水条件下水流阻力试验研究

壅水条件下的水流阻力及输沙特性,在水利工程的应用中占有十分重要的位置。对壅水条件下河道开展概化水槽试验,采用声学多普勒测速仪ADV对水流流速进行了测量,并对壅水条件下水流阻力和床面切应力等进行了分析。结果表明壅水条件下,水流流速沿垂线分布较均匀流条件下更加均匀,当壅水程度越大时,水流流速沿垂线分布越均匀,且流速分布大致上仍服从对数率分布;壅水条件下,随着水深的增大,摩阻流速不断减小;壅水条件下河道水流阻力系数随着非均匀系数及水力半径的增大而增大;引入壅水程度指标,并拟合得到了床面切应力随壅水程度指标的变化关系式。成果可为壅水条件下水流结构特征及输沙规律的研究提供参考。     

辽河中下游悬移质泥沙颗粒特征分析

根据1988-2005年有关水文站泥沙观测资料,对辽河中下游泥沙颗粒特征在不同时空条件下的变化以及不同粒径组泥沙对辽河下游悬移质沉积的影响进行了分析.结果表明:在空间分布上,从上游至下游悬移质泥沙粒径呈细化趋势;在时间分布上,汛期悬移质泥沙粒径一般小于非汛期泥沙粒径;上游来沙越粗,来沙量与河道沉积的关系越密切;下游河道泥沙从存贮到释放的来沙临界值随泥沙粒径的变大而减小;进入辽河下游的泥沙对于河道的危害程度随着粒径的变大而增大.     

泥沙表面特性及其对磷吸附的影响

泥沙颗粒的表面特性是影响泥沙吸附污染物的重要因素之一.首先采用筛分和吸管法将混合泥沙分成了4个粒径组(粘粒和细粉沙组D1、中粗粉沙组D2、砂粒组D3和D4),并通过化学萃取法去除泥沙颗粒上的氧化物和有机物质等活性组分,而后研究了不同粒径清洗沙样的比表面积、孔体积变化及不同粒径下泥沙平衡吸附量的研究.结果表明泥沙的中值粒径与比表面积呈指数关系,当粒径减小到粘粒或细粉沙时,比表面积显著增大.在各个水相初始磷浓度下,泥沙对磷的平衡吸附量随着泥沙粒径的增大而减小,且存在最大吸附量.     

悬移质分组含沙量垂线分布计算

以张红武、赵连军等人的含沙量沿垂线分布公式、悬沙平均粒径与中值粒径沿垂线分布公式及泥沙级配计算公式为基础,提出了悬移质泥沙分组合沙量沿垂线分布的计算方法,并对其合理性进行了分析.结果表明,该计算方法计算的悬移质分组合沙量与实测结果吻合较好.     

沙波迎流面泥沙起动流速研究

利用概化沙波模型,研究了不同坡度、粒径及位置情况下的泥沙起动流速,根据实测数据指出沙波泥沙起动流速特征,并分析比较了与平坡起动的差别。通过对泥沙颗粒的受力分析,提出水流冲击力,并利用沙波垂线流速分布公式进行流速换算,建立了沙波泥沙起动流速计算公式。结果表明:在相同水流条件下,因沙波地形影响,迎流面泥沙起动流速值小于平坡;沙波不同位置处的泥沙起动流速非定值,随着水平位置而变化;坡度和粒径对再附点附近泥沙起动流速影响较小。通过验证比较表明,公式计算结果与实测资料基本一致,适用于描述沙波迎流面泥沙起动规律,可反映出沙波坡度和水平位置的影响。     

刚性植物条件下静水中粗颗粒泥沙沉速研究

为了探求水生植物对泥沙沉速的影响,本文在总结泥沙颗粒在水体中沉降的影响因素及阻力系数规律的基础上,在静水中设置不同直径、不同排列密度的不锈钢圆柱细杆模拟水体中不带分叉的刚性植物,分别测定粒径为0.1cm~0.45cm的沙粒沉速,并与没有植物条件下的沉速进行对比。研究结果发现,在试验粒径范围内,含植物水体中泥沙沉速随泥沙粒径、植物密度增大而减小,通过修正阻力系数,推导出考虑植物杆径及植物密度排列的泥沙沉速公式。     

水流冲泻质挟沙机理探讨

本文探讨了水流对冲泻质的挟沙机理。文中分析了床面附近区域内水流对泥沙颗粒的各种升力作用，发现湍流猝发喷射和清扫带动细颗粒脉动时．对颗粒可产生一个平均向上的升力效应．此升力可能大于细颗粒水下重量从而在近壁区形成滑垂线上浓下稀、具有正的梯度的浓度分布，这是床面上基本没有冲泻质泥沙时水流却能挟带一定数量某粒径细颗粒泥沙的报本原因．是与水流对床沙质挟沙机理的主要区别。     

挟沙水流卡门常数的理论研究

挟沙水流的流速分布,特别是其中的卡门常数,一直是冲积河流水力学研究的热点问题之一.实测资料表明挟沙水流流速分布仍遵循对数流速分布规律,但在主流区的卡门常数要小于清水时的卡门常数,而在近底区的卡门常数与清水基本一致.在引入颗粒切应力的基础上,从理论上推导了同时适用于主流区和近底区的统一流速分布模型.利用该流速分布模型,得到挟沙水流的卡门常数沿垂线是变化的结论,即从近底区的约0.4渐变到主流区的小于0.4.并给出了主流区卡门常数的理论表达式,认为主流区卡门常数与近底区的泥沙浓度和泥沙粒径有关.该卡门常数的理论公式与实测资料较为吻合.     

床壁对颗粒沉速及悬移质浓度垂线分布的影响

床壁附近的颗粒,沉降时的阻力系数比在水深上部要大,离床壁愈近,颗粒沉速愈小,沉速不仅为粒径和容重而且也为离床壁距离的函数,本文据此推导得出了新的悬移质扩散方程近似解,新的悬移质浓度垂线分布公式表明,床壁影响使含沙浓度垂线分布趋向均匀,无量纲水流剪切力愈小,则推移层厚度与粒径之比愈小,床壁影响也就愈大,悬浮指数为Z的新的悬移质浓度垂线分布公式,可以近似地以原来的扩散方程第一近似解的分布公式结构来表达而采用新的悬浮指数Z_1本文提出了Z_1/Z_的计算公式,Z_1/z小于1且随Z增大及粒径D减小而减小,计算结果及结论与实际资料符合,