山区河流植被洲滩河段水沙运动特性试验研究

山区河流受水沙条件和河流形态影响,植被洲滩发育丰富,显著改变局部河段的水沙运动及其演变特征。基于室内洲滩模型自然生长植被的水沙试验,探讨了植被与泥沙补给对洲滩河段水流结构及冲淤变形的影响。试验结果表明：植被茎叶加大对水流扰动,减缓水流流速,上游补给泥沙在植被周围形成小型沙丘,以波状输移为主;大量来沙条件下,泥沙多落淤洲头及洲尾,促使洲滩的快速发育;淹没植被枯萎,茎叶凋落,加剧洲头及洲滩两侧坡脚冲刷;植被与上游来沙显著影响洲滩汊道分流特性,加沙和植被茎叶部分促使左汊分流比降低。因此,山区河流植被与上游泥沙补给调整洲滩汊道过流能力及发育过程,对植被洲滩河段的水沙运动产生较大影响。     

平原分汊河道水流数值模拟及其应用

针对平原分汊河道的特点,建立水流运动平面二维数学模型,采用有限单元法离散控制方程,能较好处理平原多汊河道的复杂边界.通过湘江下游香炉洲、冯家洲河段流速、水位及分流比的计算分析,计算结果与实测资料吻合较好.说明该模型的建立和边界处理方法合理,可用于河段治理方案的计算研究.     

鹅头型汊道首部水流、泥沙运动的探讨

本文首先根据概化的分汉河道模型(八卦洲汉道)实测资料,对汉道首部水流运动特性作了试验研究,着重强调了支汉倒坎的存在对水流结构所起的作用,并指出汊道分流是自河底开始沿流程向水面逐渐完成的。同时获得该汉道存在单向环流的试验成果。其次,根据水流分汊导致环流存在的特点,引用弯道环流横向输沙概念,进而从环流角度分析汉道的泥沙横向输移,并提出了泥沙横向转移的两种运动形式:“主汉转移”、“支汉转移”。最后,根据汉首河床特征与水、沙特征,建立了综合考虑纵向、横向输沙的分沙模式,并给出了主汉分沙比计算公式(12)、(14),经过验证,比较符合实际。     

鹅头分汊河段航道整治工程适应性分析

对鹅头分汊河段进行了分析.鹅头分汊河段多汊并存,洲滩易变,航道条件较差.三峡工程蓄水前后,长江中下游鹅头分汊河道一般都实施了航道整治工程,整治原则以稳定洲滩、保持分汊为主.但由于鹅头分汊河段均处于周期性调整过程中,对于不同演变阶段,河段碍航特性存在差异,工程治理重点和效果也不同.演变初期的汊道,周期性调整动力较强,洲滩演变剧烈,整治思路以稳定分流格局为主,但整治工程往往不能立刻发挥效果,需要反复强化;处于演变中期和末期的汊道,整治工程更着重局部航道条件的改善,一般治理效果较好,但仍需重视河段周期性调整动力及三峡工程蓄水后河段河床冲淤特性,加强观测,及时采取措施,巩固工程效果.     

长江中下游砂卵石分汊河段演变机理

受水动力条件、边界条件等影响,砂卵石分汊河段河床演变规律较为复杂.以长江中下游关洲-芦家河河段为例,分析了典型砂卵石弯曲分汊河段的演变特点.在此基础上,结合三峡蓄水后来水来沙、水动力轴线、泥沙粒径等河段变化特点,研究砂卵石分汊河段演变机理,并分析了砂卵石分汊河段的演变趋势.研究结果表明:自然情况下砂卵石分汊河段水沙输移主要特点为主流线随来流变化在两汊间摆动.在清水下泄河段总体冲刷背景下,河段冲刷主要以沙质河床部分为主,局部区域的淤积主要为推移质的淤积.蓄水后,关洲左汊将继续冲刷发展,芦家河水道沙泓进口淤积将有所发展,石泓的冲刷发展将相对较大,江心碛坝头部还将发生一定幅度的冲刷.     

三峡水库蓄水后长江中下游典型分汊浅滩河段演变趋势预测

汊道兴衰、洲滩的演变与其水沙输移特性密切相关.以沙市典型分汊浅滩河段为例,从河段水沙输移特性出发,结合水流泥沙、河道地形等实测资料,分析其河床演变特点,并根据三峡建库后水沙条件变化的特点利用数学模型预测了该河段的汊道和洲滩发展趋势.研究表明:所建模型能够准确地模拟该河段的水沙输移特性及洲滩的演变规律,因而具有较好的预测功能,三峡水库蓄水后河段洲滩动态变化结果与实测结果较吻合,这对三峡水库蓄水运用后其它分汊浅滩河段的研究具有借鉴意义.     

鹅头型汊道个体差异研究

鹅头分汊河道具有极度弯曲的平面外形与主支汊周期性移位交替的演变特性,在长江中下游广泛分布,但不同汊道之间平面形态及河势演变特征存在明显差异。为深入研究鹅头分汊河型存在及发育的基础,为该河型的综合治理提供理论依据,本文以长江中下游鹅头分汊型河道演变分析为基础,从江心洲(滩)个数、汊道弯曲程度,河势演变周期长短、主支汊交替方式等方面总结了鹅头型分汊河道间的个体差异特征,并探讨了产生此差异的主要原因。结论表明,不同汊道进出口节点的走向及进口节点挑流作用的强弱是产生鹅头分汊型河道个体差异的主要原因：进出口节点转折角越大,鹅头型汊道越宽广;进口节点挑流作用越强,河势演变周期越短。     

分汊河道平衡水深方法

为了研究分汊河道的河床演变与航道水深,本文基于水力几何形态关系,得到分汊河道平衡水深计算方法。该方法对于不同断面形态的分汊河道均具有适用性,汊道与单一河道过水断面面积之比为分流比的6/7次方。应用于长江南京以下12. 5 m深水航道二期工程,计算得出的落成洲分汊河段断面的平均水深与多年平均水深基本一致,表明了平衡水深理论的可靠性。对福姜沙和世业洲分汊河段工程前的最大通航水深计算,亦与实际情况较为吻合;工程后的预测结果显示工程整治效果明显,世业洲和福姜沙左汊河段均能满足12. 5 m通航水深的要求,但福北水道仍无法达到12. 5 m通航水深。平衡水深方法提供了一种除数学模型和物理模型外预测河床演变趋势,计算出航道能维持的平衡水深,丰富了航道整治理论的同时,也为二期工程的实施提供科学依据与理论指导。     

复杂汊道汛期水力特性的数值模拟分析

为研究复杂汊道汛期的水力特性,结合工程实例,采用平面二维数学模型模拟多汊河道的水流,从分流比、水位和流速3个方面计算天然和两种工况下的水力特性参数,同时比较分析两工况对河道水力特性的影响。结果表明:副坝的建设可以显著改善上游复杂汊道的散乱流态,减少分汊数目,但由于分流比大大增加,副坝内导流明渠下游断面的水位和流速有明显增加;两工况在副坝段开设汊口均不会对左汊和中汊行洪造成影响,但工况2增设2#汊口可降低导流明渠的水力特性参数,更有利于行洪安全。       

天然分汊河道平面二维水流泥沙数值模拟研究

基于无结构化网格,采用有限元方法,建立起一种适合于分汊河道的平面二维水沙数学模型,模型采用质量集中的简化处理和预估校正的时间推进算法,较好地解决有限元计算存储量和计算速度。并以武汉天兴洲汊道段为例,进行水沙验证计算,验证结果与实际符合较好,证明模型能较好地模拟天然分汊河道的水流泥沙运动及河床变形情况,因此可为分汊型河道的整治提供技术支持。     

来沙条件变化对河床形态及推移质运动的影响

摘要：针对山区河流的来沙条件的不确定性导致的河流形态变化的问题,根据J . G. Venditti的系列来沙条件变化水槽试验成果,引入无量纲参数河床结构强度Sp,充分考虑推移质泥沙运动特性,探讨了来沙条件变化对卵石河床形态、推移质输沙率和河床级配的影响。结果表明:在已经粗化的河床上加入细沙会对河床形态、推移质输沙率和河床级配产生影响。加入细沙会造成河床重新出现冲淤变化,底坡变大,冲刷变严重,最终降低河床结构强度Sp;加沙会增大推移质输沙率,其中中值粒径为3mm的细沙运动表现为行进推移质,而中值粒径为8mm的粗沙运动表现为结构推移质;加入细沙后会细化河床,且加入的粒径越小,细化效果越明显,加入中值粒径为3mm的细沙后推移质的中值粒径先减小后增大,与加入中值粒径为8mm的粗沙后推移质的中值粒径先增大后减小相反。     

山区河流河床对漂石的突变响应及其近底水流结构特征

山区河流受暴雨洪水、滑坡和泥石流等灾害的影响,漂石颗粒在河床不断集聚,从而改变局部区域的河床形态及其水流结构。本文基于对野外典型漂石河段的调查和室内概化水槽试验,指出了河床变形及水流运动对漂石的突变响应特征。试验床面分别预铺粒径为2.5mm和7.5mm的均匀沙,并在其上放置粒径为15.7cm的天然漂石,利用声学多普勒测速仪和全站仪测量漂石局部区域的水流结构及河床冲淤地形。试验分析表明：漂石河床局部调整受相对淹没度和床沙粒径的影响,随着相对淹没度的变化,冲坑深度及范围也随之调整,但淤积的最大高度值则趋于稳定;床沙粒径与冲坑深度、范围呈现出较好的线性正相关关系,但其对后者的影响要远大于前者。漂石河床的局部响应主要是因为漂石的存在促使了其局部区域的水动力条件变化。在无床沙工况下,漂石局部近底流速分布随着相对淹没度的变化而变化,而在有床沙工况下,其对相对淹没度的变化却并不敏感,但它们都较为符合对数分布。漂石局部的紊动强度及紊动耗散均在漂石下游的△x≤1.5D范围内出现陡增现象,且随着床沙粒径的增加,紊动强度陡增的幅度变小,其影响范围也随床沙粒径及相对淹没度的变化而变化。因此,山区河流河床漂石对水流运动及河床变形的作用主要表现在局部近底水流结构及紊动统计特征出现陡变特征,从而引起局部冲淤程度加剧,对河床的水沙运动及其稳定形态产生较大影响。     

CFD prediction of local scour hole around bridge piers

In order to predict the local scour hole and its evaluation around a cylindrical bridge pier, the computational fluid dynamics (CFD) and theories of sediment movement and transport were employed to carry out numerical simulations. In the numerical method, the time-averaged Reynolds Navier-Stokes equations and the standard k-ɛ model were first used to simulate the three-dimensional flow field around a bridge pier fixed on river bed. The transient shear stress on river bed was treated as a crucial hydrodynamic mechanism when handling sediment incipience and transport. Then, river-bed volumetric sediment transport was calculated, followed by the modification of the river bed altitude and configuration. Boundary adaptive mesh technique was employed to modify the grid system with changed river-bed boundary. The evolution of local scour around a cylindrical bridge pier was presented. The numerical results represent the flow pattern and mechanism during the pier scouring, with a good prediction of the maximum scour hole depth compared with test results.     

采砂区布置对分汊河道的影响分析

以长江天兴洲河段为例,应用平面二维水沙数学模型,采用实测水沙数据进行率定与验证,模拟了不同流量级下采砂区相对分汊口距离不同采砂后分流比、水位和流速变化规律,模拟结果表明,在相同水流条件下,随着采砂区距分汊口距离的增加,采砂后主汊分流比与河段水位和流速变化都呈先增后减的规律.进一步选取2004年作为典型水沙年预测采砂后河段冲淤变化和回淤率,预测结果表明,河段总的冲淤量随着采砂区相对分汊口距离的增加呈先减后增的规律,而采砂区回淤率呈先增后减的规律.模型成果可为本河段采砂的可行性和采砂规划控制提供科学依据.     

卵石床面清水冲刷稳定形态及其水流结构试验研究

由于测试手段的局限性,对粗化稳定的水流结构,尤其是河床粗化层不断调整的水流结构变化研究较为缺乏。借用多普勒声速仪 (SontecADV)和尼康全站仪(NikonDTM),测试了不同水沙组合卵石床面,在清水冲刷条件下的稳定形态及其水流结构。试验表明：在相近的水流条件下,粗化稳定后粗颗粒在床面的暴露程度和排列位置受原始铺沙与前期粗化程度的影响。清水冲刷卵石推移质输沙过程、稳定形态及其相应的水流结构具有较强的相互作用关系。在一定的水沙、床面形态条件下,平均流速分布沿相对水深的变化可由单一的对数分布转变为S形曲线,且其流速极值转捩位置也受水沙及床面形态条件的影响。     

川江卵石推移质输移的随机性

推移质运动及输沙率是河流动力学的基本问题之一。通过对川江河道实测卵石运动速度及输沙率的整理分析，可知卵石为运动距离短，停歇时间长，平均运动速度低，运动具有很强的随机性及不连续性。对卵石推移质输沙量的年际及年内的变化规律分析表明，卵石推移质输沙率的变差大，统计分布分散，也具有很强的随机性特征。河床断面形态及其相邻河道特性对输沙率也有较大的影响。     

输沙不平衡对规则渠道断面形态的影响及治理研究

从非恒定水流运动,输沙不平衡原理出发,运用速失端线变化和解析解的方法,分析了规则断面形态下黑龙江省北部引嫩工程渠道的冲淤变化规律,并针对北引渠道的治理提出了一些措施。     

河道水流泥沙运动一维、二维模型嵌套及交界面连接问题

本文导得了河道水流泥沙运动一维、二维模型交界面连接的一般条件,对交界面上水流阻力、悬移质挟沙力、推移质输沙率、河床变形及床沙级配的一维、二维模型不匹配问题进行了合理处理,建立了河道水流泥沙运动一维、二维嵌套数学模型。