清水作用下全动床复式河槽泥沙输移特性及其模拟

推移质运动是河流动力学的基本问题之一,通过水槽试验探讨了清水作用下全动床复式河槽泥沙的输移特性,并通过理论分析提出了该类河道的推移质输沙率的计算方法.试验表明:在清水作用下全动床复式河槽推移质输沙率先随时间单调递增,而后随时间单调递减;推移质中值粒径先随时间大幅度增大,后随着时间的增加中值粒径增大的幅度减小,最终将趋于初始床沙中值粒径.根据推移质输沙率的变化特性,运用仙农熵的概念与理论,通过最大熵原理和变分法推导了河道粗化过程中的推移质输沙率公式,并对该公式参数的敏感性进行了分析.计算结果表明,该公式可以模拟全动床复式河槽河道粗化过程中的输沙率随时间的变化特性.     

弯曲复式河槽水流泥沙因子的横向分布模型及其应用

在弯道环流的作用下,滩槽水沙交换的强度和模式明显有别于顺直河道情况,其研究内容相对复杂。目前,对弯曲河道水沙输移规律尚缺乏较系统的研究。将SHIONOKNIGHT方法拓展应用到弯曲复式河槽中研究弯曲河道的水沙因子的横向分布规律,从考虑侧向二次流惯性力和河道弯曲程度的动量方程出发,对水流微小控制体进行了受力分析,建立了复式断面流速横向分布模型,得到了复式断面流速和挟沙力的横向分布规律,最后论证了不同弯道曲率对复式河道水流泥沙因子横向分布的影响。     

不同来水来沙条件下山区河流的河床响应试验研究

山区河流受季节性水文条件及产沙过程的影响,水沙条件变化频繁。尤其是暴雨山洪频繁挟带大量泥沙进入河道,从而引起河床急剧调整。本文以龙溪河典型河段为研究对象,通过调查天然河道的地形、床沙组成及来水来沙特性,开展了系列水沙模型试验,突出分析了来水来沙条件变化的河床响应。试验包括不同流量下清水冲刷和恒定流量下改变泥沙补给条件两种对比方案。以泥沙起动条件的沙莫夫公式判定方法,分析比较了不同工况条件下的断面泥沙起动流速和水流运动平均流速的关系,揭示了不同断面间泥沙冲淤特性及河床变形特点。在此基础上,探讨了河道沿程水位变化及致灾范围,对比分析表明,龙溪河在清水来流条件下,即使通过最大流量300m3/s,洪水位也未超过龙池镇堤防高程,即清水来流条件一般不会影响龙池镇的防洪安全。若大量泥沙下泄至主河道,龙池镇段由于河床比降变缓与河道展宽等床面形态的变化,水流平均流速显著降低,携沙能力减小,引起大量泥沙淤积,致使水位陡增,甚至出现漫滩现象,存在显著的防洪安全隐患。随着泥沙补给量的不断增加,河床不同区域输沙动力的调整制约了泥沙的输移距离,从而引起局部区域河床的淤堵,并导致洪水位的增加,甚至产生漫滩洪水并诱发洪水灾害。研究表明,山区河流泥沙补给对河床响应及水沙灾害具有重大的影响,来水来沙变化下的水沙运动致灾机理急需深入研究。     

矩形定床明渠阻力系数分布的计算

本文研究了矩形水槽定床直道水力粗糙区水流阻力系数沿槽宽的分布。把影响阻力的因素归结为床面粗糙和边壁的作用,并认为沿边壁法向和床面法向具有相同的流速分布规律。由此得到阻力系数分布的计算公式。通过水槽试验验证,计算结果与试验结论基本相符,说明用该方法求阻力系数的分布是可行的。     

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。     

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。     

植被作用下的弯曲复式河槽漫滩水流2维解析解

研究植被作用下的弯曲复式河槽流速分布对于确定其过流能力、泥沙输移、河床变形、滩岸保护有着十分重要的作用。作者研究了有植被的弯曲复式河槽中的垂线平均流速横向分布问题,在动量方程中加入滩地植被引起的拖曳力项,并考虑弯曲主槽和二次流的影响,采用3种不同的紊流扩散项积分方法,得到了3种计算模型。运用英国FCF弯曲复式河槽试验资料对模型进行验证,结果表明,在不同区域选取合适的二次流系数K比仅考虑主槽中的K值能更好地预测流速分布;滩地种植植物后,主槽中的K值明显增大;3种模型的预测结果在滩地上基本相同,主要差别出现在主槽区和掺混区。通过比较分析不同模型的计算误差,得到了计算结果最优的模型。     

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。     

基于阻力原理的稳定河流几何形态判定方法研究

受上游来水来沙条件影响,自然河道通过自我冲淤调整,常形成稳定的几何形态。稳定河流几何形态设计在工程应用中十分重要,稳定断面有利于水沙输移,且避免河道冲淤平衡破坏发生。本文系统分析了达西水流阻力梯度沿程变化,表明阻力梯度主要作用于三方面：河道深度调整,河道宽度调整,河道坡降调整。若调整宽度与深度的概率为线性关系,可推导出稳定河流几何形态关系式。在泥沙输移作用下,总能坡可分解为两部分,清水对应能坡和泥沙运动产生的附加能坡,其中,清水对应能坡可采用清水河道达西阻力表达式计算,泥沙输移附加能坡,可利用实测资料推求。通过分析含有总坡降的河道几何形态表达式,指出未知函数与坡降的0.3次方呈线性关系,而指数则与参数关系明显,随着参数的增大而呈现减小的趋势。利用收集的野外实测数据确定了这些未知变量,并给出了相应的求解表达式,该表达式不仅适用于沙质河道,还适用于砾卵石河道。以大量野外实测数据与室内试验数据对比分析,本文提出的稳定河道几何关系计算方法具有很高的精度。     

复式河槽动能损失强度分析

在复式河槽中，由于滩槽交界面存在强烈的动量交换，使得复式河槽过流能力降低。为了反映动能损失的强度，针对恒定、均匀、紊动水流，提出了横向动能校正系数和动能损失率的概念。通过分析复式河槽动能损失的机理发现：在复式河槽中，横向动能校正系数大于1和动能损失率大于0。分析英国科学工程研究委员会洪水水槽设施的系列试验成果，发现横向动能校正系数和动能损失率与复式断面形态有关。动能损失强度随着主槽边坡系数的增大而减弱，随着滩槽宽度比的增大而增强。对称复式河槽的动能损失大于非对称的复式河槽。对于所有断面形态，动能损失强度先随相对水深的增加而增强，后又随着的相对水深的增加而减弱，最终表现出单一河槽的特性。     

岸坡植被对复式河道水动力特性影响的数值模拟

广泛分布于天然河道岸坡的植被能够改变河道水流特性,进而影响坡脚淘刷、河岸稳定及河道形态演变趋势。为精细揭示岸坡植被对复式河道水动力特性的影响,提出植被固壁边界处理方法,利用雷诺应力模型封闭紊流控制方程构建了复式河道三维水动力数学模型,并对复式河道水流特性进行了模型验证,模拟结果与实测结果吻合较好。将该模型应用于岸坡有植被的复式河道水流特性研究,对比非淹没刚性植被、淹没刚性植被、淹没与非淹没刚性植被交替和无植被情况下流速、流量、河床剪应力、雷诺应力以及紊动能分布的差异。结果表明：岸坡植被加剧了滩槽间横向动量交换,引起二次流涡旋数量、强度和范围的增加,同时使得横断面流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能在滩槽交界区显著减小,紊动交换在临近植被的周边区域明显增加。其中岸坡种植非淹没刚性植被时效果最为显著,相比无植被情况,二次流涡旋数量增加了一对,岸坡植被区流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能大幅减小,甚至趋近于零,而临近植被的周围区域紊动交换剧烈,无量纲化的紊动能值可达到20。     

An experimental study of the incipient bed shear stress partition in mobile bed channels filled with emergent rigid vegetation

This paper investigates the bed shear stress based on the condition of the incipient motion of sediment in a uniform-flow flume covered with emergent rigid vegetation,which is represented by arrays of circular cylinders arranged in a regular pattern.A total of 148 tests are performed to observe the influence of the vegetation density,bed slope,flow depth and sediment size on the bed shear stress.The tests reveal that when the sediment is in incipient motion,the resistances acting on the flow passing the rigid vegetation contain the vegetation resistance and the bed shear stress.This shear stress could be divided into two parts:the grain shear stress and the shear stress caused by sand dunes,which are the deformed bedform with the sediment incipient motion.An empirical relationship between the shear stress of the sand dune and vegetation density,the Froude number,the apparent vegetation layer velocity is developed.     

动床沙粒阻力计算的研究

沙粒阻力的计算是泥沙运动力学的重要问题。基于泥沙的起动阻力来研究沙粒阻力的计算，是一种较为直接的方法。利用泥沙起动的Shields曲线与明渠阻力特性之间的相似性，结合实测泥沙起动资料给出了沙粒阻力的计算公式。该公式表示的沙粒阻力系数仅是能坡的函数，从而避免了采用相对水深时床沙代表粒径选择的困难。验证结果表明，该公式要优于其他沙粒阻力的计算公式。     

边界条件对植被化矩形复式河槽流速及床面切应力的影响

在水深平均动量方程中加入了植被引起的拖曳力,给出了垂线平均流速及床面切应力的2维解析解.根据滩地植被化矩形复式河槽的断面形态特点,建立了滩槽交界面的切应力平衡方程进而提出了2种边界条件.比较这2种边界条件后发现它们的计算结果在水深较大时几乎相同,而水深较小时在剪切区内有一定差别,考虑了主槽边壁切应力影响的边界条件可以给出更好的计算成果.运用8组不同的矩形复式河槽试验资料对该边界条件的应用情况进行验证,结果发现,在各个区域选取合适的二次流系数比忽略二次流能更好地模拟流速及床面切应力分布,在各组矩形复式河槽工况中,考虑二次流可以得到较好的计算成果.     

Lateral distributions of streamwise velocity in compound channels with partially vegetated floodplains

Natural rivers are commonly characterized by a main channel for primary flow conveyance and a floodplain, often partially covered with vegetation such as shrubs or trees, to carry extra flow during floods. The hydraulic resistance due to vegetation on the floodplain typically causes a further reduction of flow velocity and increases the velocity difference between the main channel and the floodplain. As a consequence a strong lateral shear layer leads to the exchange of mass and momentum between the main channel and floodplain, which in turn affects the overall channel conveyance and certain fluvial processes. The prediction of the lateral velocity distribution is important for many flood alleviation schemes, as well as for studies on sediment transport and dispersion in such channels. The present paper proposes a method for predicting the depth-averaged velocity in compound channels with partially vegetated floodplains, based on an analytical solution to the depth-integrated Reynolds-Averaged Navier-Stokes equation with a term included to account for the effects of vegetation. The vegetation is modelled via an additional term in the momentum equation to account for the additional drag force. The method includes the effects of bed friction, drag force, lateral turbulence and secondary flows, via four coefficients f, C _D, λ & Γ respectively. The predicted lateral distributions of depth-averaged velocity agree well with the experimental data. The analytical solutions can also be used to predict the distribution of boundary shear stresses, which adds additional weight to the method proposed.     

植被条件下河相关系研究

由于植物的影响,植被条件下河相关系变得更加复杂。在窦国仁提出的最小活动性假说的基础上,根据水流连续方程、水流阻力方程和Meyer Peter输沙率公式,同时考虑植被对边坡糙率、边坡稳定系数、泥沙输移强度等方面的影响,提出了植被和非植被条件下推移质河床的河相关系。为了验证该河相关系,进行了植被条件和非植被条件下的河道几何形态变形试验。通过试验数据与计算结果的比较及植被条件和非植被条件下的河相关系差异的比较,验证了所建立的河相关系。     

分汊河道水沙输移特征试验

根据分流河道的水沙特性,对现有的水沙输移计算模式进行了分类,总结了分汊河道分流分沙计算模式在国内外研究发展的现状,并进行了简要的分析评论,继而通过水槽试验对分汊河道整体水流结构和底沙输移演化特征进行了初步的探讨.试验结果表明:在汊道洲头和洲尾的局部范围内流速减小较明显,洲尾处出现水流分离区且左右两侧为高流速区;主、支汊流量的分配决定底沙输移强度,最大冲刷深度在主汊分流口下游.     

考虑干支流倒回灌的小浪底水库异重流模拟

小浪底水库支流众多,支流库容占总库容的41.3 %,干支流倒回灌对干流洪水演进和库区淤积过程有重大影响,为此本文提出了考虑干支流倒回灌影响的水库一维明流及异重流耦合模型。推导了不同类型倒回灌引起的水沙控制方程附加项,并提出了相应的水沙耦合形式的浑水明流与异重流控制方程。针对不同的倒回灌形式提出相应的倒回灌流量计算方法：对于干流水位涨落引起的干支流倒回灌,提出了零维水库法在使用有限体积法的数学模型中的实现方法;对于异重流向支流的倒灌,采用考虑支流底坡影响的异重流倒灌流量公式计算。将这两种方法与已建立的水库一维明流与异重流耦合模型结合,模拟了2006年小浪底水库调水调沙实验的完整过程,对库区内水位下降、上游段冲刷及人工异重流形成与发展均做出了较为准确地模拟。模拟结果显示,干支流倒回灌过程对于异重流厚度变化过程和调水调沙出库沙量有显著影响,对于汛前泄水阶段库区水位下降速度也有一定影响,支流淤积在一次异重流过程淤积总量中可达43.5%。相对于简化干支流倒回灌过程的计算方法,该模型对异重流排沙比的预测效果更好,证明其有助于实现更加科学合理的调水调沙方案设计。