坡面流侵蚀规律的初步研究

通过定床阻力试验,从水力学原理出发,对不同坡度的不同介质床面侵蚀性坡面流试验数据进行分析,初步研究了侵蚀性坡面流流态,得出阻力系数f与雷诺数Re的变化规律,并对他们之间的关系进行分析研究,认为水槽粗糙度对阻力系数存在的显著影响．     

（研究生论坛）滩地一排植被作用下的复式河槽水流特性研究

为研究滩地种植一排植被情况下,梯形复式河槽断面的垂线平均流速分布和床面剪切应力分布,进行了4种方案的室内水槽试验。分别采用多普勒三维流速仪（ADV）和普雷斯托管对流速和床面剪切应力进行了测量。试验结果表明,植被处于淹没状态时,主槽中心线和滩地中心线附近的垂线流速呈对数分布,而在植被区域的垂线流速呈S型分布。流量的增加和植被间距的加大将引起同一垂线的平均流速增大。床面剪切应力值在植被区域达到最小值,表明植被对断面的床面剪切应力有显著削弱作用。流量越大、植被密度越小,床面剪切应力值就越大,但床面剪切应力占水流阻力的比重越小。     

考虑泥沙分选及床沙级配调整的二维数值模拟研究

在正交曲线坐标系下建立平面2维河流数学模型,包括水流模型、泥沙模型。在前人研究成果的基础上,通过修正泥沙模型中非均匀沙挟沙力公式以考虑泥沙分选影响;并根据近底床沙质量守恒方程计算床沙级配调整。利用seal水槽下游细化试验资料,对模型进行了验证,结果表明,本模型能够合理模拟水槽地形及其床面泥沙分布变化,反映试验水槽沿程细化的趋势,具有研究实际河道河床变形及床沙分布变化的潜力。     

陡坡条件坡面薄层水流沿程变化及水流阻力计算

基于系列陡坡水槽条件不同坡面粗糙程度薄层水流试验,测试分析了坡面薄层水流运动参数沿程变化,并进一步讨论了坡面水流阻力计算方法。结果表明：光滑坡面条件同一流量流速随坡长的增加而增加,而对于较粗床面或较陡坡面流速沿程出现了峰谷变化;由于陡坡条件下坡面薄层水流参数呈现沿程变化的特征,因而传统意义上常用的平均水力参数法计算水流阻力已不适宜于陡坡条件,基于沿程水流阻力计算的方法更加可靠。     

明渠近壁水流紊动结构

本文采用二维激光流速仪LDA—10和超声波流速仪CDL—86型在固定、活动玻璃水槽内对清水情况三种床面形式和挟带推移质水流进行试验研究,对清水、挟沙水流的纵向脉动流速分布进行了检验、研究,得到纵向脉动流速分布在近壁区是偏态Γ—分布。然后向主流区过渡为正态分布。     

卵砾石床面的统计粗糙特性

针对代表粒径法难以准确量化床面总体粗糙特性的问题,引入统计学理论研究卵砾石床面的粗糙特性,采用不同粒径组成的天然卵砾石颗粒人工铺制了多种散叠型床面,基于床面激光扫描试验资料并结合他人试验成果,探讨床面粗糙统计参数随颗粒组成的变化关系,分析剖面轮廓及粗糙床面的高程变异特征。结果表明：床面高程频率分布呈负偏态,形态较正态分布陡峭,为峰度K_u>3的高狭峰;高程标准差σ_z随中值粒径d₅₀的增大而增大,偏度S_k随d₅₀的增大而减小;在d₅₀相同的情况下,人工铺制床面的σ_z和S_k值均小于清水冲刷粗化床面,而K_u值并无明显差异。剖面轮廓的1维结构函数满足变异函数球状模型,模型参数包括变程、块金值和基台值,变程随d₅₀和σ_z均呈先减小后增大的趋势变化,块金值、基台值随d₅₀和σ_z均呈单调递增变化,变化趋势可用2次多项式曲线拟合。床面2维结构函数的分布形态与抽样尺度h_x、h_y密切相关,h_x、h_y与d₅₀相当时,2维结构函数分布形态接近圆形,床面粗糙具有各向同性,与清水冲刷粗化床面的结构函数分布规律一致;随着h_x、h_y的增大,2维结构函数分布形态复杂性明显增加,不同象限的结构函数值差异较大,且不再具有清水冲刷粗化床面结构函数的分布规律,床面粗糙出现各向异性。     

山区河道粗颗粒床面垂线流速分布规律试验研究

粗颗粒床面普遍存在于山区河道中,在浅水条件下,水深与床面颗粒粒径的比值h/d较小,此时河道中水流垂线流速分布难以用传统的对数公式或对数补偿公式进行准确描述。在室内概化水槽中,利用玻璃珠及乒乓球模拟粗颗粒床沙,对不同h/d下的垂线流速分布规律进行了系统的试验研究。前人研究发现,不同淹没度（h/d）下的理论床面取值并不统一。考虑到工程应用方便,作者采用普通粗糙床面河道下的理论床面值,即y₀为0.2d。将试验测得数据进行无量纲化处理后与对数补偿公式计算得到的理论值对比,并率定公式中的系数B与尾流系数Π到最佳。结果表明：当h/d较小时,系数B随着h/d的增大减小,尾流系数Π随着h/d的增大而增大;而当h/d较大时,B与Π都趋于一个常数。最后,建立了适用于山区粗颗粒卵砾石泥沙河道的垂线流速分布公式,并将其与众多前人试验数据进行拟合检验。检验结果表明,作者提出的垂线流速分布公式具有较高的计算精度,同时对于普通粗糙床面河道,该公式也具有很好的适应性。     

复式河槽过流能力非线性研究

传统方法不能准确预测复式河槽过流能力。针对这一不足，本文采用系统动力学方法探寻复式河槽过流能力的计算。通过分析英国科学工程研究协会洪水水槽设(SERC-FCF)的大量的系列水槽实验成果，发现滩槽Darcy-Weisbach阻力系数比值随着相对水深的增加而减小。主槽阻力系数随着相对水深的变化而变化，呈抛物线分布。根据获得的阻力系数关系，运用系统动力学方法，建立了洪水漫滩后，复式河槽过流能力的系统动力学模型。计算结果表明：该模型能确定水位流量关系，其模拟值与实测值吻合较好，其相对误差的绝对值仅在3％左右。     

全动床复式河槽水流阻力特性的试验研究

当水流漫滩后,由于滩槽间存在着强烈的动量交换,复式河槽在过流能力、泥沙输移、流速分布等许多方面不同于单一河道。通过水槽试验,探讨了清水作用下,由非均匀沙构筑而成的全动床复式河槽完全粗化后的水流阻力变化特性,包括水流能量损失、曼宁系数、谢才系数与达西-韦斯巴赫阻力系数等沿程变化。试验结果表明,对于清水作用下的全动床河道很难获得均匀流。断面平均流速沿程变化,单位重量水体经过单位长度而损失的能量将沿程改变。对于该类河道,在给定的水流条件下,阻力系数不再保持为常数,而是沿程变化的。这些特性表明全动床复式水槽水流阻力远比定床的复杂,要准确预测该类河道的过流能力及泥沙输移能力远比定床的困难。     

卵石透水河床渗流阻力研究

大多数卵石河床阻力研究分析了卵石粒径或相对粗糙度对阻力系数的影响,而忽略了对卵石透水层本身的阻力研究。本文用玻璃球在矩形水槽中铺设不同层数的透水层模拟卵石河床,测量了不同渗流量通过玻璃球透水层产生的水头损失及相应透水层的孔隙率;以Ergun方程的无量纲形式,分析了水流通过玻璃球透水层的阻力系数变化规律。实验表明,考虑边壁影响的Ergun方程能很好的描述水槽中不同厚度透水层阻力系数随雷诺数变化的关系。     

溢洪道下游河段平面二维冲刷的计算方法

采用平面二维数值模拟方法 ,对溢洪道下游河床以破碎基岩为主的河流冲刷进行了模拟计算方法的探讨 .利用洪水河床勘测资料和物理模型实测试验数据 ,对表征河道床面稳定的抗冲系数作回归分析和概化 ,确定这类河段床面抗冲系数的平面分布 .运用平面二维水动力学数学模型与床面稳定的辅助控制方程 ,得到了床面稳定时的河道平面冲淤分布     

挑角对淹没丁坝附近河床变形影响的试验

挑角对淹没丁坝和非淹没丁坝坝头附近床面冲淤变形的影响不同.目前的研究成果多集中于非淹没丁坝,涉及淹没丁坝的研究成果相对偏少.为了研究淹没丁坝附近床面冲淤变形对挑角的响应,对粗、细2组非均匀沙,45°、90°、135°3个挑角进行了交叉水槽试验.通过图像对冲刷坑形态进行了对比;将冲刷坑长度、宽度、最大深度、体积等特征参数试验成果进行了统计分析;将挑角对冲刷深度的影响折算成挑角因子,与前人的挑角因子及试验资料进行了对比.试验成果表明,挑角对淹没丁坝坝头附近床面冲刷坑形态、位置、尺寸均有影响,而床沙粒度则主要影响冲刷坑的尺寸.     

粘性泥沙分层运动中流速垂线分布特征试验

在前人研究的基础上,通过室内水槽试验,进一步研究了在流量、含沙量及水质影响下,分层运动中流速垂线的总体分布形态、分布规律、峰值及位置,以及清浑水界面位置等特征.结果表明,分层运动时,流速的垂线分布呈横向抛物线形;分层流区的近底区内流速遵循指数型分布规律,交混区和清水区内流速遵循修正后的高斯正常误差定律;分层流的峰速值越大,其位置越靠近河床;水流强度增加时,清浑水分界面位置向水面靠近,泥沙浓度增大时,界面位置向床面移动,而不同水质条件下的界面位置不同.     

水浮莲型生态河道水流纵向流速垂线分布规律

通过物理模型试验、理论分析和数值模拟的方法,研究了有水浮莲覆盖水流的纵向流速垂线分布规律.在水浮莲全覆盖条件下,初步对比分析了3种不同工况下水流纵向时均流速的变化趋势和垂线分布特点.通过"双层边壁"假设,以最大流速线(点)为界将流动沿水深方向分成两层等效明渠流流动层:植被下层和床面上层,并假定上下两层互不影响,即分别只受植被底部和床面粗糙程度影响;利用混合长度模型简化时均动量方程,推导出有水浮莲覆盖水流在恒定均匀流下的纵向时均流速对数分布公式;根据实测数据对公式进行了验证分析.水浮莲对水流影响的数值模拟主要利用计算流体力学软件FLUENT,结合可实现双方程紊流模型,对有水浮莲覆盖的水槽二维两相流场作了数值模拟,并采用多孔介质域模拟水浮莲覆盖区域,将数值计算得到的流速分布与试验实测结果进行了比对,两者吻合较好.     

山区阶梯河道中洪水波运动特性研究

为了研究阶梯河道中的山区洪水波运动特性,在阶梯坡面上分别进行了无加糙和用粘贴不同粒径的均匀沙定床加糙的2组系列试验.试验结果表明:阶梯坡面末端无量纲波前速度趋近于常数,其大小不仅随相对阶梯高度h*增加而减小,亦随相对粗糙高度k*增加而减小.此外,床面粗糙程度较小时h*的增大会导致山洪行进时间增加及水流能量消耗的增大;床...     

基于SFM地形测量多尺度河工模型结构变化研究

水沙运动造成的河床冲淤演变是自然界普遍存在的现象,常造成河道淤积、河岸变形、海岸后退、水库淤积库容减少等实际工程问题,其与水利工程的设计、建设和运行紧密相关。研究精确、高效的河床三维地形测量方法并分析冲淤量变化,对河工模型试验及实际工程应用具有重要意义。本文开展不同水流条件下的推移质输沙试验,基于SFM(Structure from Motion)方法,对动床床面冲淤前后分别进行三维地形重构,获取地形稠密点云。在此基础上,插入相同控制点获取实际地形三维坐标,并将三维点云坐标内插值在床面网格上,冲淤前后相减以精确获取整个动床床面冲淤变化。本文对应用SFM测量河床地形所涉及的拍摄方法、控制点选取、河道区域网格化及插值方法进行了介绍并总结了关键技术方法。研究结果表明：（1）通过SFM方法,首先通过对有无块状模型的棋盘格进行体积计算,验证本方法相对误差小于4%。（2）将SFM方法计算所得水槽试验冲淤量与实际称量值对比,其结果值相对误差小于5%。（3）本方法应用于大型河工物理模型试验时,其河床冲淤量计算相对误差小于10%。以上研究结果表明,该方法可应用于水槽试验和河床物理模型试验,能够快速高效重构冲刷前后河床三维地形,具有较高精度,为研究河床冲淤变化及水利模型试验开展提供新的思路和参考。     

山区松散排列泥沙床面河流阻力特性研究

河道阻力决定了河流流速与挟带泥沙的能力。然而与普通河流不同,山区河流的河道阻力比较复杂,床面泥沙排列密度对于河道阻力影响明显。试验资料表明,在低泥沙排列密度时,河道阻力随着排列密度的增大而增大,当达到最大值后,随着排列密度的增大呈现减小的趋势。利用程年生植被糙率尺度的概念,建立了适用于含有松散排列泥沙床面情形的糙率尺度。通过试验数据,确定了糙率尺度表达式中的待定参数,在f-r/k_v图上,建立的泥沙颗粒糙率尺度可以使所有的数据点归结到一条曲线上。最后,建立了适用于松散排列泥沙床面河道的达西阻力系数表达式。对于天然河流,本文建立的达西阻力表达式仍然具有较高的计算精度。     

现有动床阻力计算公式验证与比较

以64组室内水槽试验资料和1 000多组黄河下游河道实测水沙资料为依据,首先对Van Rijn、张红武及秦荣昱提出的动床阻力公式进行评价,同时采用数理统计方法中偏差比R、几何标准差AGD、均方根RMS对这些公式的计算精度进行比较.计算结果表明:对于河道资料,张红武公式的计算精度最高;对于水槽资料,Van Rijn公式的计算精度最高.然后利用实测资料对糙率系数n的影响因素做了进一步分析.分析表明糙率系数随弗劳德数的增大而减小,并拟合得到两者的对数型关系式,该式对黄河下游及水槽床面糙率的预测具有较高的精度.     

山区河流河床基岩暴露与沙卵石覆盖反常关系研究——以陇西河为例

山区河流不同河段的河床形态常处于基岩暴露与沙卵石覆盖的相间变化中。野外调查发现,至少在青藏高原与四川盆地过渡带,不少河流出现了坡度大反而沙卵石覆盖多,坡度小反而基岩暴露多的现象。为了研究该反常规律,以岷江二级支流陇西河为例,进行了多次野外观测与数据采集,通过提取流域地形数据,得到并分析其干流沿程剖面,并结合已有的室内水槽实验研究结果,进一步说明床面沙卵石的运动情况与分布特性,得到以下结论：陇西河流域岩性以砂岩为主,干流从上游向下游依次出现陡、缓、陡、缓交替的四段,平均坡度依次为8.1%、0.2%、6.2%和1.2%,较陡的两段全部沙卵石覆盖而较缓的两段全部基岩暴露。产生这种现象的原因：一是较陡段泥沙颗粒通过两侧山体崩塌滑坡侧向补给,床面大尺寸漂石与周围的较细颗粒会逐渐形成相对稳定且水流阻力大的自锁结构,且床面粗糙,有助于提高床面抗冲刷性,抑制基岩的暴露,因此导致输送到下游较缓段的输沙率很低;二是砂岩颗粒岩性较软,少量被输移到下游的颗粒容易破碎成更小的颗粒,更容易被输移,使得较缓段基岩暴露现象突出。较陡段被沙卵石覆盖,将有效抑制窄深处基岩河床的侵蚀下切速率,从而进一步影响相关流域地貌的演化,如增加河流袭夺的机率。     

卵砾石床面时均流速分布的试验研究

单一明渠水流由于边壁和自由水面的影响,主流区内时均流速沿垂线方向的分布存在多种形式。本试验借用声速多普勒流速仪(Sontec-ADV),测试了不同卵砾石床沙组合条件下的床面时均流速结构。试验表明:垂线流速分布主要受床面糙度R/Ks和水流流态的双重影响,佛汝德数和相对糙度在一定程度上决定了其归属于单一对数分布还是S形曲线分布,而S型曲线的转捩位置Z/H值与相对糙度R/Ks具有较好的相关性。