基于泥沙悬浮高度假设的恢复饱和系数研究

针对大坝下游单向冲刷条件下次饱和挟沙水流的恢复饱和系数取值问题,基于泥沙悬浮高度假设,采用理论推导与对比验证的方法对恢复饱和系数公式进行了分析研究。分析了泥沙颗粒在挟沙水流中的动力机理和能量转换过程,推导了泥沙颗粒的单步悬浮高度和步长公式,改进了恢复饱和系数公式。采用经典的恢复饱和系数公式和黄河非均匀沙恢复饱和系数率定值,与改进的恢复饱和系数公式进行了对比分析。结果表明：改进的公式可以较好的预测恢复饱和系数,粒径0.025 mm～1.5 mm泥沙的恢复饱和系数在1.9 cm/s～100.0 cm/s的摩阻流速范围内取值在0.01～3.00之间,恢复饱和系数随摩阻流速的变化规律也随泥沙粒径的不同而不同。     

恢复饱和系数的理论计算方法

恢复饱和系数是泥沙数学模型计算的重要参数,本文从理论上进一步研究了悬移质不平衡输沙的恢复饱和系数,提出了底部恢复饱和系数的概念,并推导了恢复饱和系数是底部恢复饱和系数和含沙量分布系数的乘积,从理论上合理解释了恢复饱和系数的取值问题。在既有研究成果的基础上,进一步推导了非均匀沙恢复饱和系数的计算式,计算结果表明不同粒径组的恢复饱和系数值是不同的,非均匀沙的平均恢复饱和系数应按沉速和级配的乘积加权平均计算,黄河下游通常水流条件(摩阻流速3~30cm/s)的平均恢复饱和系数约为0.1,平均底部恢复饱和系数为0.05~0.1,平均综合恢复饱和系数最小约为0.01,这和理论分析结果及黄河水沙数学模型的经验采用值基本相符。     

非均匀悬移质恢复饱和系数的探讨

作者利用概率论的方法，分析了分组沙的恢复饱和 系数与混合沙的平均恢复饱和系数之间的关系，得出了分组沙的恢复饱和系数与混合沙的平 均沉速成正比，与该粒径组泥沙的沉速成反比的初步结论。文中给出了一个计算分组沙恢复 饱和系数的半理论半经验关系式，并与现有研究成果进行了对比。     

宽级配非均匀沙运动特性研究

为了探索泥沙在水力作用下的运动规律,通过水槽试验,对均匀沙、连续和不连续宽级配非均匀沙的沙床发生起动和冲刷的运动特性进行了观察和对比分析。将均匀沙的沙莫夫公式加以推广,表征了非均匀沙各级运动对应的临界流速与水深及各材料参数的关系,拟合得到了不同种类的沙床发生各级运动对应的临界流速系数。计算结果与试验现象的对比分析表明,与均匀沙相比,连续宽级配非均匀沙一旦发生起动,其颗粒运动更容易加剧形成冲刷;而缺粒径段的不连续宽级配非均匀沙,由于大颗粒的荫蔽阻挡作用,冲刷较难形成。     

定期冲洗式沉沙池泥沙沉降特性分析

以黄河东城提水工程首部的定期冲洗式沉沙池为研究对象,应用一维超饱和输沙法计算了泥沙的沉降历时,分析了泥沙恢复饱和系数、极限吸出高度、出池含沙量等泥沙沉降特性。结果表明:①泥沙恢复饱和系数随泥沙粒径的增大呈指数递减趋势,工作段上游泥沙恢复饱和系数随沉降历时呈指数递减趋势,工作段下游恢复饱和系数随沉降历时呈线性减小趋势;②随着沉沙池的运行,出池泥沙粒径逐渐变大,淤积泥沙粒径则逐渐变小;③在沉沙池运行期内,溢流堰极限吸出高度随沉降历时呈线性递减趋势;④溢流堰前分组含沙量参考点的相对水深均小于0.5;⑤在0～0.500 mm泥沙粒径范围内,出池平均含沙量参考点的相对水深与泥沙粒径呈对数递增。     

定期冲洗式沉沙池泥沙沉降特性分析

以黄河东城提水工程首部的定期冲洗式沉沙池为研究对象,应用一维超饱和输沙法计算了泥沙的沉降历时,分析了泥沙恢复饱和系数、极限吸出高度、出池含沙量等泥沙沉降特性。结果表明:①泥沙恢复饱和系数随泥沙粒径的增大呈指数递减趋势,工作段上游泥沙恢复饱和系数随沉降历时呈指数递减趋势,工作段下游恢复饱和系数随沉降历时呈线性减小趋势;②随着沉沙池的运行,出池泥沙粒径逐渐变大,淤积泥沙粒径则逐渐变小;③在沉沙池运行期内,溢流堰极限吸出高度随沉降历时呈线性递减趋势;④溢流堰前分组含沙量参考点的相对水深均小于0.5;⑤在0～0.500 mm泥沙粒径范围内,出池平均含沙量参考点的相对水深与泥沙粒径呈对数递增。     

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。     

非均匀沙不平衡输沙的理论研究

文中首先给出了由我们建立的床面泥沙交换理论导出的非均匀沙扩散方程的边界条件。建立了恢复饱和系数的表达式,包括了强平衡输沙和不平衡输沙两种情况。同时给出了泥沙在床面静止、滚动、跳跃与悬浮的概率方程和数值结果。引进了挟带分组泥沙的水量百分数,它是研究非均匀沙的重要概念和工具。进而论述不平衡输沙时总挟沙能力、挟沙能力级配及有效床沙级配的方程。证实了床沙质、冲泻质与全沙具有统一的挟沙能力。最后从理论上证明了在河道中粗细泥沙发生交换的现象。     

泥沙颗粒暴露度与等效粒径研究

回顾了对暴露度的研究现状及存在的问题。提出了一种定义暴露度的方法及其计算式，同时得到了计算暴露度Δ及暴露度系数ξ的表达式。经过分析，给出了ξ的取值范围为0～1，它随颗粒在床面的位置而变。同时提出了等效粒径的概念及其计算方法。并对不同粒径，在床面不同位置的暴露度、暴露度系数及等效粒径进行了计算。对非均匀沙，当相对暴露度系数一定时，大于平均粒径的泥沙颗粒的等效粒径较同等粒径均匀沙的等效粒径小，容易起动；小于平均粒径的颗粒较同等粒径均匀沙的等效粒径大，较难起动，等于平均粒径的颗粒与均匀沙等效粒径相当。经分析等效粒径是一种较符合实际的方法，且公式简单、使用方便。     

床沙粒径及级配对非均匀沙起动的影响分析

对Wu W.等的荫暴系数计算方法进行了修正,根据滚动起动模型建立了以荫暴系数为主要参数的起动底流速公式,在此基础上理论探讨了暴露程度、床沙各分组泥沙粒径及其质量比对泥沙起动的影响,并论述了非均匀沙起动中完全暴露、完全荫蔽和极限跃移3种极限起动情况。结果表明:1非均匀沙起动底流速随着荫暴系数的增大而减小,荫暴系数越大,泥沙越容易起动;2在由两种粒径泥沙组成的非均匀沙中,粗颗粒的荫暴系数在定义域上均随着细颗粒床沙比例和粗细颗粒比例的增大而增大,即细颗粒比例越大,粗细颗粒间粒径差异越大,粗颗粒越容易起动;细颗粒的荫暴系数在定义域上随着细颗粒床沙比例的增大而增大、粗细颗粒比例的增大而减小,即细颗粒的比例愈大,细颗粒愈容易起动,且起动规律渐趋于和均匀沙的相仿,粗细颗粒粒径相差愈大,细颗粒受到的荫蔽作用愈显著,其起动流速也愈大。     

引江济太泥沙模拟及分析

基于实测资料进行了引江济太调水试验引水区泥沙含量、泥沙级配特征的分析，为了解泥沙影响的基本趋势提供了依据，为数学模型提供了计算条件。分别采用一维非恒定水沙数学模型、二维非恒定水沙数学模型进行了引水泥沙在望虞河及贡湖运动过程的模拟，重点对含沙量和淤积量空间分布、不同引水方式对淤积趋势的影响进行了分析，为引水工程的长期有效运行提供了技术依据。     

天然河道不连续宽级配床沙特性及形成条件探讨

选取我国有代表性的几个河段对不连续宽级配床沙特性及形成条件进行了初步探讨,为不连续宽级配床沙运动规律研究提供了基础。认为不连续宽级配床沙特性为：泥沙粒径范围很宽,某一粒径范围泥沙较少甚至缺失,床沙粒径重量百分数具有明显的双峰分布特征。不连续宽级配床沙形成的一般条件为：河床床沙本身具有一定的不均匀性,河床有一定的覆盖层厚度,上游具有补给性的来沙条件,河段水流速度具有一定的变化幅度。     

基于Rouse公式的紊流区悬沙粒径级配垂线分布规律

基于Rouse公式及紊流泥沙沉速公式,分别推导得到了紊流时的悬沙粒径及级配垂线分布公式,前者直接量化了泥沙“上细下粗”的垂线分布规律,后者则可用于计算不同水层及垂线上总的悬沙粒径级配。通过实例,应用粒径级配计算公式得到了不同水层的悬沙粒径级配。结果表明:泥沙粒径“上细下粗”的分布规律明显;在越远离床面的水层,细颗粒所占的比重越大,粒径分布越均匀。当考虑悬浮高度影响时,以最大粒径悬沙的最大悬浮高度为界,该高度之下级配“等宽”,该高度之上级配“上窄下宽”。     

位山灌区泥沙淤积特征及其还耕状况分析

采用实测资料分析方法,介绍了位山灌区水沙监测情况、引水引沙概况,在此基础上,阐述了位山灌区泥沙分布淤积特征、泥沙粒径分布特征,系统分析了位山灌区淤积泥沙还耕状况,为治理位山灌区泥沙淤积问题提供科学依据。     

非黏性沙级配对浊度法测量含沙量的影响

利用浊度仪测量水流含沙量时,泥沙颗粒级配和矿物成分是影响浊度仪标定结果的主要泥沙因素。采用黄河原型非黏性沙配制不同粒径、不同含沙量浑水水体,开展固定粒径、粗细沙、混合沙等多组次试验研究,对黄河天然沙粒径及级配对浊度仪输出浊度的影响进行定量分析和机制探讨。结果表明:固定含沙量条件下,非黏性泥沙粒径对水体浊度的影响特征符合Mie散射定律;含沙量变化对浊度仪输出浊度的影响数量级为10～10²,泥沙颗粒粒径变化对浊度仪输出浊度的影响数量级为10^-1～1;相同含沙量条件下,悬沙比表面积与浊度仪输出浊度符合线性分布。建立了考虑非黏性沙级配影响的含沙量与浊度关系模型,能够较准确地反映非黏性沙粒径及泥沙浓度对水体浊度的影响,可为浊度与含沙量关系的准确率定及测量结果的校准提供可靠依据。     

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。     

宽级配卵石夹沙河床动床模拟的若干问题

宽级配卵石夹沙河床中的泥沙具有很强的非均匀性，其中的卵石和细沙又有不同的运动特点，本文指出应在模型试验中充分的反映其非均匀性，在用起动相似计算模型沙粒径比尺时，应用起动流速系数来反映卵石扁平度及排列状态对卵石起动的影响，通过水槽试验，可用扁平度的三分之一次方作为改正系数；用1.15作为对排列状态的改正系数，为满足阻力相似，在某些条伯下采用比降变态的方法是简便可行的。     

黄河内蒙古段不同粒径泥沙输移能力变化分析

泥沙输移的效果不仅受水流和边界条件的影响,同时也取决于泥沙自身的特征,包括泥沙数量的多少和泥沙粒径的分布特征。以黄河内蒙古段1958—2013年实测水文资料为依据,分别将巴彦高勒和头道拐断面作为内蒙古段上下游控制断面,将泥沙分为小于0.010 mm、0.010~0.025 mm、0.025~0.050 mm、0.050~0.100 mm及大于0.100 mm 5个粒径组,探讨了各粒径级泥沙在不同时期的输移能力。结果表明:1历年洪水过程中分组沙与全沙呈较好的正相关关系,粒径级0.025~0.050 mm的泥沙输移对全沙的贡献最大,粗沙次之,贡献最小的为细沙;2水力条件改变时,巴彦高勒断面的河床冲淤调整较下游头道拐断面表现得更为明显,特别是在粒径小于0.010 mm的细沙输移能力变化方面,不过随着来水在年际间和年内趋于平均,细沙的输移变化也愈发均匀。     

超长引水明渠水电站的过渡过程和运行调度

过渡过程计算分析对水电站安全运行极为重要。基于一维明渠和有压管道的非恒定流基本理论,针对某具有超长引水明渠的水电站,构建了"长引水明渠+压力前池+压力管道+机组"的过渡过程数学模型。根据边界条件,分别利用特征线法计算有压管道的瞬变过程和Preissmann隐式差分法计算明渠的瞬变过程。重点分析了本电站在机组甩负荷工况和增负荷工况下,引水明渠和压力前池中水位和流量的变化过程。并根据明渠浅水波传播慢的特点,针对电站增负荷工况,提出了该电站合理的运行调度方式,既保证了引水明渠及前池的最低水位满足安全运行要求,又保证了电站运行时一定的经济效益,可对类似的工程运行提供参考。     

非均匀沙床面阻力特性的实验研究

天然情况下，河流泥沙组成多为非均匀沙。河流床沙及其粒径组成的非均匀性是影响水流阻力的主要因素之一，研究床沙组成的非均匀性对水流阻力的影响，具有重要的理论和实际意义。本文在大量实验和实测资料的基础上，首次系统考虑床沙级配及其组成的非均匀性对水流阻力的影响，认识了床沙组成非均匀性对水流阻力的影响关系，初步得出非均匀性对水流阻力影响的规律，丰富了人们对床面泥沙组成非均匀性的认识，为进一步深入研究奠定了基