射流冲刷试验及其在黄河潼关河段的应用

为解决黄河潼关河段射流清淤工程有关技术问题，分析其冲沙效果，利用室内水槽进行了静水、动水条件下射流冲刷试验．试验采用容重为0.0215N／cm^3、孔隙率为0．61的粉煤灰．根据水槽试验研究，提出了能较好反映不同粘性床沙的射流冲刷坑尺寸的射流能力指标F0^0.6(d／D)^-0．19，并建立了冲刷坑尺寸与F0^0.6(d／D)^-0.19的关系；同时在潼关河段进行了现场试验，研究了喷嘴距床面的最优高度。提出喷嘴距床面的最优高度在0．7m左右．并初步分析了潼关河段的射流冲刷效果，射流冲刷后，含沙量明显增加；通过5年的清淤实践，平均每年射流清淤可使潼关高程在汛期降低0．15m左右.     

动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型

现有大部分溃坝水流模型仅适用于模拟定床条件下的水流演进,但溃坝水流经常可在动床条件下演进。因此非常有必要同时模拟溃坝洪水演进时的水沙输移及床面冲淤过程。本文首先建立了动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型。该模型主要由二维浑水控制方程、非均匀沙不平衡输移方程及河床冲淤方程组成,采用水沙耦合解法以及基于无结构三角网格下的有限体积法离散。同时利用Roe-MUSCL方法以及时间方向的预测-校正格式,使模型在时空方向具有二阶计算精度。然后采用已有算例及水槽试验资料对模型进行了初步验证。最后采用该模型研究了均匀沙及非均匀沙床面对典型溃坝水流演进的影响。模拟结果表明溃坝水流在定床及动床条件下的演进过程明显不同。溃坝水流因流速大,床面变形较快,且床面冲淤速率可与水流变化速率相当,故需要采用浑水控制方程及耦合解法。     

平面二维溃坝水沙输移动床数学模型研究

为数值模拟溃坝洪水作用下泥沙输移及河床变形，建立了无结构三角形网格的平面二维水沙耦合数学模型。水动力学模型采用浑水流动方程，考虑了泥沙输移及床面冲淤变化对动量的影响；泥沙输移采用不平衡泥沙对流扩散方程描述。模型数值计算格式采用有限体积法，单元界面的对流通量采用基于近似黎曼解的Roe格式计算，扩散通量采用中心格式，不平衡泥沙输移方程采用坡度限制的二阶空间精度格式离散。模型经经典算例和小尺度瞬间全溃的动床实验资料检验，水面、床面及流速等计算结果与实验资料或解析解等比较吻合。在上述检验的基础上，分别采用动床及定床模型对浙江省某河道型水库溃坝诱发的水沙运动进行了数值模拟，结果表明动床下的溃坝洪水的传播速度快于定床，动床与定床的水位、流速差异很大，这说明溃坝洪水下水流、泥沙及河床变形发生强烈的相互作用，采用水沙及河床变形耦合的数学模型是必要的。     

射流作用下不同沙床动态冲坑变化规律的试验研究

基于泥沙动力学和射流冲刷理论,对粗沙沙床和中沙沙床在某一流速下进行不同靶距的淹没射流实验,通过高速摄像机捕捉动态冲坑在短时间内的发展变化,分析了在前10s和前1s内的坑深发展规律。并将前1s等分成24个时间段分析其细微变化。结果表明:冲坑深度在前10s内基本呈对数规律发展;射流冲刷刚开始时中沙沙床冲坑深度的发展趋势有时滞后于粗沙沙床;冲坑深度随时间有先增加后减小的趋势,在此流速下存在一个最优靶距。此实验的研究成果在疏浚工程施工作业时具有一定的参考价值。     

扰动对明渠湍流结构及床面稳定性影响的实验研究

本文通过在水槽实验中采集的流速过程数据，定量地研究了沙纹阶段明渠水流在不同形式扰动作用下的湍流结构，以及湍流结构对泥沙运动和床面演化的影响。实验发现，扰动附近水流紊动大大增强，扰动促使局部泥沙在断面平均流速低于平床起动流速的情况下起动，并促使床面失稳形成沙纹。另外，不同的扰动形式、位置及尺度对泥沙运动以及床面稳定性的影响各不相同，实验中进行了深入的比较和分析。     

基于动网格技术对泥沙输运和局部冲淤的数值模拟

该文建立泥沙输运和床面冲淤的垂向二维模型,采用SST k-ω模型模拟湍流并使用VOF法处理自由面运动,同时用动网格技术实现水底地形变化,计算了水平射流的泥沙冲淤问题。流场和地形变化的计算结果与实验数据基本一致,从而验证了计算模型的可靠性。在此基础上,该文进一步研究动床条件下的带横向沟槽明渠流动中水底地形随时间的变化过程。结果表明,水流在上坡过程中,由于水深减小流速增大,上坡部分受到局部冲刷作用;而坡顶处由于泥沙沉积形成一个小沙丘,坡顶位置在来流作用下逐渐向下游推移,最终地形趋于平衡状态。     

抛石法在桥墩冲刷防护工程中的应用研究

河道范围内新建桥梁、码头的桥墩附近常会出现影响堤防安全的淘刷,动床模型试验是研究工程实施后河槽、桥址及堤脚处泥沙冲淤特性的有效手段之一。采用4组特征水文条件,进行骝岗涌特大桥工程建设前后的清水定床试验研究,分析桥址附近水动力特征的变化;开展动床冲刷试验,研究极端流速下桥址及堤脚处的河槽冲淤特性;对推荐的抛石护底防护措施的工程效果进行了评价,为工程设计和施工提供依据。     

动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型

现有大部分溃坝水流模型仅适用于模拟定床条件下的水流演进,但溃坝水流经常是在动床条件下演进.因此非常有必要同时模拟溃坝洪水演进时的水沙输移及床面冲淤过程.本文首先建立了动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型.该模型主要由二维浑水控制方程、非均匀沙不平衡输移方程及河床冲淤方程组成,采用水沙耦合解法以及基于无结构三角网格下的有...     

射流冲刷试验研究

为研究影响射流冲刷的因素，作者进行了７０组试验，分别研究了单管和多管，水平和有入射角，贴底和离开床面，静水和动水等情况。对试验结果的分析表明，在床沙一定、河流流速与射流流速相比不大的情况下，冲刷坑的几何尺寸与Ｖ＾２／３Ｄ＾５／６有较好的关系。     

黄河下游"多来多排"的输沙机理与不淤河槽设计

冲积河道的水力几何形态在不同流量时的变化，是床面形态由沙纹逐渐进入高输沙动平整床面，引起的动床阻力变化的结果。当床面形态处于不稳定状态时，河床阻力的变化使水流处于不稳定状态，形成假潮。床面处于高输沙动平整状态时，床面上存在着强烈的底沙运动，较床沙细得多的悬沙不会在河床上落淤，故形成了悬沙“多来多排”的输沙特性。因此，床面进入高输沙动平整的水流条件是控制河床不淤的临界条件。在黄河下游床沙组成的条件下，其流速1．8～2．0m／s可作为不淤设计参数，在比降一定的条件下，可设计出不同输沙流量时的河槽宽度。     

Effect of submerged vane on three dimensional flow dynamics and bed morphology in river bend

A series of hydraulic experiments were undertaken in a 180° bend laboratory flume with parabolic erodible bed to simulate the effect of submerged vanes on the flow field and subsequent scour morphology in a river bend. The objective of the study was to investigate the role of submerged vanes in protecting riverbed erosion in a river bend. Parameters responsible for scour and deposition, including the velocity distribution field, bed shear stress, and kinetic energy, are presented. Results indicate that the presence of submerged vanes (a) reduced the maximum velocity along the outer bank of the parabolic riverbed by approximately 23%, and the location of this velocity field shifted from the outer bank of the 150°‐section to a central zone of 40°; (b) reduced the maximum bed shear stress and turbulence by 32% and 19%, respectively, and their locations also changed; and (c) reduced scour depths by up to 40% at the outer bank of the bend. The data obtained from these experiments will aid in the efficient design of riverbed protection works.     

黄河洪水的非恒定性对输沙及河床冲淤的影响

本文根据黄河主要干支流冲积河段实测高含沙洪水的输沙资料，从黄河下游河道比降、河宽、流速沿程调整、洪水非恒定性等方面分析研究了冲积河道输沙特性与河床冲淤特性。分析了动床阻力与输沙特性间的关系。当水流流速大于1．8～2．0m/s时，床面进入高输沙动平整状态，河道输沙特性呈现“多来多排”状态，是形成河床沿程冲刷的水流动力条件。从洪水期作用在床面上的剪力或功率的变化，引起底沙输移强度的变化，论证了涨水期河床强烈冲刷与落水时迅速淤积的必然性。指出底沙运动速度比洪水波传播慢是造成河道长距离冲刷的根本原因。     

双峰型非均匀沙粗细颗粒相互作用对推移质输移的影响

为研究粗细颗粒间相互作用对非均匀沙输移的影响,采用推移质动态采集、图像识别和多普勒测速技术,实现了瞬时输沙量、颗粒组成与近壁脉动流速的实时同步监测。针对双峰型非均匀沙进行了211组推移质系列水槽试验,分析表明:推移质输移量与粗沙拣选度的随机波动与紊动猝发引起的流速脉动具有响应关系;推移质中细粒基本保持持续输移,而粗粒输移则具阵发性,并遵循促发、触发与失怙3种模式;颗粒组成结构对3种模式的实施过程有重要影响;它制约着泥沙中细粒对粗粒的激励、碰撞和解怙强度,使得推移质总沙、细沙和粗沙输移率随床沙组成的改变各自呈现出不同的变化规律;水流强度一定时,随床沙粗细比的减小,输沙率呈驼峰型曲线变化;只有适宜的粗细颗粒搭配(ηc)才能使非均匀推移质输沙率达到峰值,且大于该床沙组成中任一均匀沙的输沙率。     

冲积河流沙质河床推移质级配分布规律

推移质级配是进行推移质输沙率、河床冲淤等计算模拟的重要条件。本文从分析沙质河床近壁紊动源区内泥沙运动临界图景入手,运用瞬时动量对撞平衡原理得到推移质泥沙临界运动条件,并基于垂向瞬时紊动速度所具有的高斯分布规律,求解随机方程,建立了理论性较强的沙质河床推移质颗粒级配计算公式。黄河与长江的实测资料检验结果表明,本文提出的公式能同天然沙质河床推移质实测资料符合,因而对于确定冲积河流沙质河床推移质泥沙级配具有重要的理论意义和实用价值。     

长江中游沙卵石-沙质河床过渡带冲刷趋势研究

通过30余年特别是三峡水库蓄水以来水文、地形、地质等实测资料的系统收集，对长江中游枝城-陈家湾沙卵石-沙质河床过渡带冲刷特性和发展趋势开展分析，其结果表明：虽然河段内自上而下呈现出卵石逐渐减少而沙质比例逐渐增多的渐变特点，但以昌门溪~马家店一带为界，上下游的洲滩组成、深泓形态、河床冲淤、水位下降等方面存在突变现象。在三峡水库蓄水后的冲刷过程中，虽然全河段内均出现了汊道冲刷、枯期河槽扩大的现象，但可以预计的是，河段内河势不会发生大的变化，而昌门溪以下河段难以抵御水位下降的溯源传递，马家店以上在枯水期将出现比现状更为严重的坡陡、流急、水浅现象。     

平面二维河床变形的数值模拟

为了研究河道平面二维的河床变形问题，及由此而引起的对防洪、航运等造成的影响，本文给出出非均匀沙的平面二维全沙动床数学模型方程组，并考虑了移质不和饱和输移、非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。在求解水流泥沙运动方程时，采用控制体和只法及动边界技术，对水流速度场、悬移质浓度场及河床变形进行了数值模拟。该模型采用正交曲线网格来克服天然河道边界形状复杂、长度尺度相差悬殊以及由于水位波动引起计算边变化等等困     

冲刷条件下长江枝城至沙市河段床沙级配模拟

三峡水库蓄水运行后,清水下泄,坝下游河道遭受持续冲刷,以致产生了不平衡的输沙问题,而床沙级配的变化又是其中不可忽视的原因之一。结合2015年7~9月长江枝城至沙市河段的冲刷过程实测资料,依据断面地形测量计算的冲淤变化结果以及河段进出口断面的悬移质级配成果,采用韩其为理论公式,对该河段的床沙级配进行了数值模拟计算,并运用实测数据对模拟的结果进行了验证。验证结果表明,在冲刷条件下,该方法基本上可以预测长江枝城至沙市河段沿程床沙的级配变化情况。该结论可为验证三峡水库坝下游的不平衡输沙理论提供实例证据。     

港珠澳大桥对伶仃洋滩地演变影响试验研究

介绍了珠江河口整体潮流泥沙物理模型的主要特点.通过清水定床、局部动床及悬沙淤积试验,研究了港珠澳大桥修建后对伶仃洋滩地演变的影响.研究结果表明:港珠澳大桥修建后对河道的行洪、排涝有一定程度的影响;伶仃洋海区涨落潮主流没有明显改变.工程后主流区附近桥址断面局部河床将出现明显的冲刷调整.与无工程相比,工程后伶仃洋各主要浅滩10 a累积淤积厚度有所增大,但量值较小;主要浅滩发展速度呈增大趋势,但变化幅度不大.工程实施后,伶仃洋三滩两槽的总体格局基本保持不变.