灌丛密度对沙粒粒度和起动风速影响研究

选择了位于宁夏中卫市西北角的中国科学院野外风沙观测场风沙工程实验区,采集不同密度灌丛区沙样,通过室内分析及风洞实验,研究了灌丛迎风和背风方向沙粒粒度结构及起动风速特征,得到以下结论:灌丛周围粒度分布曲线属高狭峰偏态分布型,灌丛的存在有利于风蚀中细沙和极细沙的截留;同时灌丛密度大小对于沙粒粒度特征及其起动风速都有重要影响,经文中详细分析,灌丛的最佳防护密度为12%～15%.     

挟沙气流中输沙量垂线分布的实验研究

为了克服传统的垂直集沙方法在近床面区测量精度较低的缺陷 ,本文将垂直集沙方法和水平集沙方法结合 ,在风洞内测量了气流中输沙量沿垂线的分布 ,同时对沙粒沿风洞轴向的水平降落量进行了量测。实验分别针对五种风速条件和两种沙粒级配条件进行。结果表明 :挟沙气流中输沙量沿垂线分布的上段符合传统的指数递减分布规律 ,近床面区的输沙量较对应的指数分布函数预测值偏大 ,偏大的程度随气流摩阻速度和沙粒粒径的增大而减小。采用本文的实验方法可以半定量地揭示近床面区输沙量偏离指数递减分布规律的原因 ,并能够合理地概括以往关于近床面区输沙率测量精度研究的各个方面的论述。     

风洞中挟沙气流水平集沙实验研究

过去对挟沙气流水平集沙的实验研究较少。在5种风速和2种沙粒粒径条件下进行了风洞水平集沙实验，发现沙粒降落量的分布特征由参考点沙粒降落量，沙粒平均最大跃移长度和“跃移－扩散”指数三个参数共同决定。其中，沙粒平均最大跃长度随气流摩阻速度和沙粒粒径的增大而增大，“跃移－扩散”指数则呈相反的变化趋势。挟沙气流水平集沙实验研究是传统的垂直集沙研究的有益补充，对理解近床面层区的集沙效率也有参考意义。     

近床面区挟沙气流流速垂线分布特征

以测试参数较为齐全的挟沙气流风洞实验资料为基础，结合已有各家资料重点对近床面区挟沙气流流速垂线分布进行了系统的分析。在对近床面区沙粒跃移层内气流剪切应力分布的理论分析基础上，指出了该区的剪切应力由沙粒临界起动风速、沙粒垂直速度的垂线变化和输沙量垂线分布三者决定，并进一步导出了近床面区的挟沙气流流速垂线分布廓线方程，由该方程计算得到的结果与实测资料吻合很好，此外，研究还表明，Bagnold提出的不同风力条件下挟沙气流流速廓线聚焦于一点的观点基于正确，但这一点不宜作为跃移层内外风速廓线的分界点，实际失发界点高度是沙粒跃移层外气流摩阻速度平方的0．015倍；Owen提出的跃移层外层速廓线方程基本合理，但其中有效粗糙度公式中的系数C取值为0．04时更符合实测资料；来流速度相同的情况下，挟沙气流的摩阻速度大于清洁气流的摩阻速度。     

垂直点阵集沙仪的集沙效率

垂直点阵集沙仪是挟沙气流中输沙量垂线分布测量的主要仪器，各类垂直点阵集沙仪的集沙效率有所不同，因而相应获取的实测资料之精度也差异较大，作者将大量实测输沙量垂线分布数据与获取这些数据的集沙仪类型相联系，分析了各类垂直点阵集沙仪的集沙效率。发现在近床面区各种集沙仪的集沙效率都较低提出了“集沙效率指标”。即用近床面区实测输沙量分布与上段输沙量确定的分布在近床面区外延计算值之间的偏离程度来反映各种集沙仪的集沙效率变化特征，在风速和沙粒粒径相似的条件下，集沙效率指标值越大，对应的集沙效率也越高，单管集沙仪的集沙效率最高，一般点阵式集沙仪的集沙效率次之，台阶式点阵集沙仪的集效率最低。集沙效率指标随集沙仪类型的变化主要受集沙仪中单个进沙口高度影响，反映了集沙仪内部排气状况的重要性。通过对气流速度和沙粒粒径等因素对集沙效率影响的讨论，提出了可以通过改善近床面区集沙条件，减小集沙进沙口高度等方法来提高集沙效率的建议，这些对进一步研制高效的集沙仅都具有参考价值。     

公乌素引洪灌区淤积土壤粒径分布研究

对公乌素引洪灌区新淤地、淤后耕地、天然风沙地0～100cm剖面分层取样,采用筛分法和密度计法进行了颗粒粒度分析。结果表明：淤灌后土壤以细沙粒、粗粉粒为主,分别占总量的68％和15％;表层淤土中细沙粒、粗粉粒分别占总量的43％和26％;天然风沙地以细沙粒为主、占总量的95％。淤灌后土壤颗粒趋于细化,粒径级配趋于不均匀。     

砂卵石河流粗化完成后细沙补给对河床阻力的影响

结合Venditti关于细沙补给对河床活动性影响的分析,引用修正后的Einstein-Barbarossa方法对河床阻力进行划分,探讨了细沙补给对砂卵石河流冲刷粗化完成后河床阻力变化的影响。研究结果表明:在一定量细沙补给的条件下,沙粒阻力与床面阻力的比值先减小后增大,形状阻力与床面阻力的比值先增大后减小;水流克服表面阻力损失的能量随沙粒阻力减小而减少,进一步导致水流损失的机械能减小,河床上大颗粒泥沙获得的能量增大进而导致其活动性增强;河床上活动的泥沙颗粒与裸露大颗粒泥沙之间不断接触碰撞形成局部能量交换,裸露大颗粒泥沙通过水流方向的动量交换所产生的颗粒剪应力增大,这可能也是河床上大颗粒泥沙活动性增强的一个原因。     

冲积河流粗化后的床面沙粒阻力

通过理论分析提出了与泥沙起动水力条件及泥沙重度有关的泥沙等效粒径的概念及其计算方法,并在此基础上提出了一种计算粗化后床面沙粒粗糙尺度的简化公式,对其取值方法及区间进行了说明。该式表明床面上沙粒粗糙尺度不仅与泥沙颗粒的重度及水的重度有关,且与一定水流条件下形成粗化层时床面上泥沙颗粒的最大起动粒径有关。采用国内外70组天然河道及试验室实测资料,对本文提出的床面沙粒阻力计算公式进行了验证,结果表明该公式的计算精度令人满意。该公式可以用来计算冲积河流粗化后的床面沙粒阻力。     

非均匀卵砾石粗糙床面的分形特征

针对传统方法刻画粗糙床面总体特征存在缺陷的问题,将分形几何理论引入非均匀卵砾石粗糙床面特征研究,以卵砾石床面激光扫描试验资料为基础,探讨了分形尺度区宽度与中值粒径d50的关系,分析了覆盖基准面对分形维数的影响,研究了床面整体与局部分形维数的特征与联系,获得了分形维数随床面颗粒组成及高程统计参数的变化规律。结果表明:分形尺度区宽度与床面颗粒中值粒径d50有关,上临界尺度可取为1.5d50;分形维数与覆盖基准面位置有关,覆盖基准面距平均床面的距离越大,分形维数越大且逐渐失真,为有效量化和区分床面粗糙特征,覆盖基准面宜取平均床面;粗糙床面分形维数具有良好的稳定性,局部分形维数变异性很小,并与整体分形维数接近;粗糙床面的分形维数与颗粒大小、级配组成及床面高程统计参数有关,中值粒径越大,颗粒组成越均匀,床面高程极差、标准差、偏度(绝对值)和峰度越大,分形维数越小。     

几种模型沙激光粒度仪测试结果与筛析-沉降法的比较

为了解激光粒度仪法和传统的筛析-沉降法在模型沙粒度测量方面的差异,用这两种方法对几种模型沙样品分别进行了粒度分析。结果表明,激光粒度仪法测试的结果偏粗,分选偏差;上述两种方法获得的平均粒径或分选系数之间均存在显著的线性相关性。激光粒度仪法测定的粗颗粒物质（小于 2.184 Φ）和细颗粒物质（大于 4 Φ）比筛析 - 沉降法偏多。对不同的粒级组分进行了激光法和筛析 - 沉降法的回归分析,粗颗粒物质相关性好,可以进行数据间的转换。     

粗糙度对结构物-细砂界面剪切特性的影响

下部基础与土体界面的剪切特性对于整个结构的安全施工至关重要,地基上部土层中多见砂土层,砂粒径大小和结构物表面粗糙程度会影响下部基础的受力特性,对于研究砂土层下部基础的侧摩阻力具有重要意义。利用改进后的直剪仪,进行粒组为0.075~0.150 mm,0.150~0.300 mm的砂与人造粗糙混凝土板、钢板的界面剪切试验,研究不同砂粒组、不同粗糙度、不同法向应力下的钢-砂和混凝土-砂界面抗剪强度和界面剪切强度指标。结果表明:界面剪切应力-剪切位移关系可用双曲线模型描述,试验峰值剪切应力与模型峰值剪切应力的比值为0.85~0.95;峰值剪切应力随法向应力和粗糙度的增大而增加,粒组Ⅰ的较粒组Ⅱ略大,混凝土-砂界面峰值剪切应力较钢-砂界面的大;对于未刻纹路的结构物-砂界面剪切面为一移动的水平面,刻有纹路的结构物-砂界面剪切面由间断的水平剪切面和动态曲形剪切面构成;界面摩擦角随粗糙度增大而增加,粒组Ⅰ的抗剪强度指标较粒组Ⅱ略大,钢-砂界面摩擦角集中在23°~28°,混凝土-砂界面摩擦角集中在25°~31°。研究成果可为砂土层桩侧摩阻力估计和数值模拟提供参考。     

风沙流中颗粒运动参数的分布特征

以风洞内颗粒高速摄影实验资料为基础，对颗粒跃移运动参数的分布及其跃移速度分布函数进行了探讨。研究结果表明，颗粒跃移的相对高度和相对长度的分布都不呈正态分布；降落角大致成正态分布，而起跃角则为非正态分布；颗粒起跃时水平速度，垂直速度和合速度的分布都呈非正态分布；随着跃移高度的增加，颗粒的平均粒径减小。速度分布函数是描述颗粒跃移统计特征的有效工具，具有修正指数形式或修正正态分布形式的概率密度分布函数都能较好地描述跃移颗粒的速度分布状况。     

泥沙粒径及射流速度对沙床冲刷的影响

射流冲刷在众多疏浚工程中应用广泛并发挥了重要作用,对其开展深入研究很有必要。基于Eulerian二相流模型和k-ε湍流模型,以粒径为0.04~0.23 mm的沙床为研究对象,进行了二维垂向淹没射流冲刷沙床的数值模拟,研究了粒径和射流速度对沙床冲刷的影响。结果表明,在研究的粒径范围内,最大冲刷深度和悬浮泥沙体积与流速成正相关,与粒径成负相关,且流速的影响更大。     

长江源曲麻莱段河床沉积物分布特征

基于长江源通天河曲麻莱河段河床沉积物测量和分析,通过各参数的统计及对比,探讨沉积物粒度的基本特性及时空分布规律。结果表明:取样河段沉积物以沙砾石为主,由跃移质和悬移质成分组成,无滚动沉积,粒度参数和频率分布曲线特征显示长江源曲麻莱段河床沉积物分选较差,自然分布频率曲线多为双峰,是较典型的河流动力沉积物。而阶地沉积物则为多峰,分选差,应为河流与冰川共同作用的结果;同一断面河槽附近沉积物粒径较粗,与水流动力分布一致;洲滩沉积物粒径的垂向分布呈现粗细交替的基本规律,可反映不同历史时期河道水文节律以及青藏高原气候的定性变化。沉积物粒度的垂向分布可以为河流历史形态复原和水力反演提供基本数据。     

黄河乌兰布和沙漠段不同区域入黄沙物质粒度特征及其来源分析

土壤是具有自相似结构及一定分形特征的不规则复杂多孔介质,为更好地对黄河乌兰布和沙漠段不同区域入黄沙物质粒度特征进行定量表征并解析其来源,利用传统统计学和多重分形理论,研究了黄河乌兰布和沙漠不同地段土壤的粒度特征及粒径分布.结果表明:研究区土壤颗粒组成具有明显的多重分形特征,沙头对岸D0值为0.821、D1值为4.386...     

丁字河口附近海域冬季悬浮体特征及其对潮流运动的响应

基于冬季实测的悬浮体及潮流数据,分析丁字河口附近海域悬浮体的分布、组成及变化动力因素。研究结果表明：水平方向上,海域表层悬浮体浓度总体呈南高北低的分布趋势;垂直方向上,底层悬浮体浓度要明显高于表层,且分布形式较表层更为复杂。但在丁字河口附近及悬浮体高值区二者分布形态一致。悬浮体粒径与潮流流速有明显的相关性,最粗粒径出现在落急阶段,最细粒径出现在涨憩期间。主要为涨、落潮期悬浮体来源及携砂能力不同所致。     

长江口澄通河段床沙粒度特征分析

为了进一步研究长江口水土资源和岸线开发利用工作对该段河床演变和水动力变化的影响,根据2012年及2013年枯水期长江口澄通河段两次大范围床沙取样监测成果,分析了各主支汊床沙的物质组成,粒度分布及丰枯水年粒度特征。结果表明：澄通河段主槽砂粒粗,浅滩砂粒细;主汊砂粒粗,支汊砂粒细;总体上,从上游向下游床沙粒度逐渐变细;主槽及主汊区域床沙类型主要为细砂及粉砂质砂,支汊及浅滩区域床沙类型主要为砂质粉砂及黏土质粉砂;2012年,全河段床沙的粒度组成表现为,砂含量大于粉砂含量,粉砂含量大于黏土含量。     

长江下游河道河床阻力分布特征及影响因素分析

河床阻力是河流动力学的基本问题之一,与河流的泄流能力及挟沙能力息息相关。利用2014—2016年长江下游九江至河口段河床的多波束、ADCP及底质沉积物的同步采集数据,通过计算沙粒阻力和沙波阻力,分析不同河段河床阻力的分布特征,探讨河床阻力与宽深比、粒度及流速3个因素之间的相关关系,并对比三峡蓄水前后主要河段河床阻力及其与影响因素之间相关性的变化特征。研究结果表明:三峡蓄水前后,总体上,长江九江至吴淞口河段最大河床沙粒阻力和平均沙粒阻力分别减小57％和63％。长江下游河道河床阻力在蓄水前后均以沙粒阻力为主,沙波阻力在河床阻力中占比不足1％且随着三峡工程的运用有减小的趋势。三峡蓄水前,长江下游河道河床阻力与3个影响因素相关性从大到小依次为粒度、流速和宽深比,相应的平均决定系数依次为0.48,0.30,0.25;而三峡蓄水后,长江下游河道河床阻力与3个影响因素相关性从大到小依次为流速、宽深比和粒度,相应的平均决定系数依次为0.71,0.41,0.30,但各河段河床阻力在不同时期主要影响因素又有所区别。研究结果可为长江下游航道整治、航运安全和防洪提供参考依据。