基于等效阻力的植被化复式河道流速分布研究

天然河道中许多都是具有主槽和滩地的复式河槽,水流漫滩以后,复式河槽的水流结构发生复杂的变化.而天然河道漫滩上常常生长着各种植物,水中植被的存在增加了河床的阻力,如何确定流速分布和流量十分重要.本文基于植被作用下水流阻力的等效平衡原理,提出刚性植被等效附加阻力系数以及植被等效综合阻力系数的计算方法.通过运用SKM方法计算植被作用下的复式河槽垂线平均流速的横向分布,结果表明,本文提出的植被等效综合阻力系数的计算方法是可行的,能较好地确定植被作用下的复式河道垂线平均流速的横向分布.     

河床冲刷粗化计算

本文首先分析了沙质河床和卵石夹沙河床不同的冲刷粗化机理．讨论了卵石夹沙河床发生粗化的条件，探讨了粗颗粒对小于起动粒径的细颗粒不同程度的隐蔽作用，针对现有非均匀沙起动公式存在的不足，得到了一个能反映河床冲刷粗化特点的起动流速公式，建立了粗化过程中床沙级配的计算公式．在此基础上按冲刷过程中水位不变和水位下降两种情况提出了河床清水冲刷粗化计算方法，文中选用水槽和天然资料对两种情况下的粗化计算方法进行了验证．计算结果表明，无论是冲刷深度、粗化层级配还是水位下降值均与实测值接近     

清水冲刷河床粗化研究

根据永定河的野外观測資料和室內試驗結果,对卵石夹沙河床經清水冲刷后所形成的抗冲粗化层的特性进行了探討,提出計算河床极限冲刷深度的公式,及粗化完成后的河床糙率系数与粗化顆粒下限粒径的关系式。沙貭河床受清水冲刷后将通过床沙与悬沙间的不等值交換发生粗化。冲刷段、冲淤平衡段及淤积段上都将发生粗化現象。但其粗化层不是稳定的,不能抗拒水流的推移,在一般情况下,以沙浪形式向下游运动。这一粗化层的出現加大了河床阻力,減小了水流輸沙能力,从而减緩含沙量沿程恢复速度,加长冲刷段及延长河床比降調整过程。     

丹江口水库坝下游沿程Z～Q关系变化分析

丹江口水库坝下游河道属典型的冲刷型河道，滞洪期是浑水冲刷，蓄水期是清水冲刷，冲刷导致过水面积增大，河床粗化。但沿程各站Z～Q关系都有一个共同规律，各站建库前后Z～Q关系都存在一个交点，即临界流量（水位）值，在此值以上则建库后的水位抬高；在此值以下则水位是下降的；在临界流量（水位）点上，则建库前后在同流量条件下水位是相等的。对建库前后沿程水位抬高及下降原因作了简要的分析，以供汉江及今后三峡水库坝下游防洪问题的规划、设计参考。     

高含沙水流与渭河河道冲淤关系的初步探讨

本文根据渭河20年的实测资料,就高含沙水流对于河道冲淤、水流结构和河道平面形态的影响等问题,进行了初步分析研究,得到如下几点认识: 1.渭河下游有大水高含沙量冲刷,小水高含沙量淤积的特点; 2.由于十多年来渭河水少沙多,下游出现河床“粗化”现象,增加了河床的抗冲性; 3.在天然河道中,高含沙水流不仅改变垂线流速分布,而且也改变垂线平均流速分布,在弯道最大流速偏离凹岸趋向凸岸,使凹岸淤积凸岸边滩冲刷; 4.渭河在含沙量高达500～600公斤/米~3的条件下,垂线流速分布服从对数分布规律。但它几乎近似于直线,而且没有发现有流核区.     

三峡水库蓄水后长江中游河床粗化及含沙量恢复特性分析

三峡水库蓄水后清水下泄,长江中游含沙量将长期处于严重不饱和状态,水流含沙量沿程恢复将会引起长江中游河道长距离冲刷。根据三峡水库蓄水以来实测资料,分析了长江中游河段河床粗化与月均含沙量恢复的特性。结果表明:三峡水库蓄水运用以来,宜昌-枝城河段床沙粗化明显,河床已基本以卵石为主;枝城-监利河段河床粗化较为明显;监利-螺山河段、螺山-汉口河段河床有一定程度粗化。三峡水库蓄水运用后,d0.125 mm粒径沙量在长江中游沿程恢复缓慢且恢复程度远小于蓄水运用前,d0.125 mm粒径沙量在宜昌-监利河段恢复速率较快,且在监利站附近该粒径含沙量基本恢复饱和。宜昌-监利河段月平均含沙量恢复达到最大值,监利-螺山河段月平均含沙量以减小为主,而螺山-汉口河段月平均含沙量变化不明显。研究成果为将来水库下游不平衡输沙的深入研究提供了参考。     

波状床面消力池的流速分布和壁面阻力系数

根据S.A.Ead和N.Rajaratnam(2002)对波状床面消力池流速、边界层厚度和壁面阻力的试验成果,通过对试验资料的分析,研究波状床面消力池断面流速分布和最大流速沿程变化的规律;根据边界层理论,研究波状床面消力池边界层的发展和壁面阻力系数的变化规律。研究表明:波状床面消力池的断面流速分布具有相似性和分区性,断面流速具有同一分布规律,各断面以最大流速为界,将其分为边界层区域和混合区域,在边界层区,流速沿垂线不断增大,在混合区,垂线流速不断减小;消力池的最大流速沿程逐渐衰减;波状床面消力池的边界层厚度远大于光滑壁面的边界层厚度;壁面阻力系数大于光滑壁面的阻力系数。提出了断面流速和沿程最大流速的计算公式和波状床面消力池边界层厚度和壁面阻力系数的计算方法。对所提出的公式与S.A.Ead和N.Rajaratnam(2002)的试验成果进行了对比分析,验证了计算方法的正确性。     

北方河流冰期水流阻力分析

本文通过由流速分布推求冰期河道冰盖糙率系数,提出了由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法,同时考虑冰盖影响区与河床的流速分布,确定最大流速位置,阐述了冰盖对水流的阻力是研究河道冰情演变及其运动规律的依据.并对河道冰期形成冰盖,其阻力使河道水位升高、过流能力降低、水位流量关系改变.流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法进行了分析.为北方地区基层测站的冰期测验工作提供参考.     

三峡工程运用后长江中下游冲淤变化

三峡工程建成运用后,改变了水库下游河道的水沙条件,坝下游河道水流输沙能力处于不饱和状态,河道将发生沿程冲刷,并可能引起河势的调整,进而可能对防洪产生一定影响.为此,采用数学模型计算与实测资料分析的手段进行了三峡工程建成后长江中下游江湖水沙变化及河道冲淤演变及其对防洪影响的初步研究.结果表明,三峡工程蓄水运用后,长江中下游河道发生大量冲刷,同流量水位降低.各河段冲刷量达到最大时,荆江河段河床平均冲深约2.0～5.3 m,槽蓄量约增加13亿m3,城陵矶至武汉河段河床平均冲深约2.5 m,槽蓄量约增加8.5亿m3;由于干流河床冲刷,荆江三口分流分沙减少,洞庭湖湖区淤积减缓,增加调蓄量约23.8亿m3;水沙过程改变、河床冲刷及局部河势调整对河道稳定及堤防、护岸工程的安全会带来一定影响,需采取相应的对策措施.     

水库下游河床粗化计算模型

根据泥沙起动及河床粗化理论公式，建立了水库下游河床粗化数学模型，以研究水库下游河道极限冲刷深度及粗化层级配，该模型计算简捷方便，通过实例计算结果分析，与一维数模计算成果比较及实际资料验证等级结果表明，该模型计算结果合理，可靠，对研究水库下游局部河段冲刷，具有重要意义。     

湘江下游河床下切对水动力条件影响的数值模拟

在研究分析相关水文数据的基础上,拟定多个不同的水动力条件情景,通过一维水动力数学模型模拟分析了湘江下游河床下切对湘江下游水动力条件的影响,探讨湘江下游河床下切引起模拟河段沿程水位、流速的变化,结果表明,湘江下游河床下切会引起模拟河段沿程水位不同程度的降低,其幅度从下游向上游逐渐增大;距离下游水位边界越远,河床下切引起的水位下降的幅度越大;下游水位越低,河床下切引起沿程水位降低的幅度越大;伴随着水位下降,河床下切使得模拟河段沿程断面的平均流速普遍减小。     

修建水库后下游河道重新建立平衡的过程

冲积河流上修建水库以后,下游河道将失去平衡。河流为了重新建立平衡,必将发生一系列的变化。本文对这—变化的过程,提出了一些新的概念。根据枢纽下游所在地区的地质地理条件,河流的坡降可以有各种不同的变化。坡降的渐趋和缓只是三种可能性中的一种,不能当做普遍规律来看待。河槽的重新建立平衡,主要是通过河床质的粗化作用。河床质的粗化现象具有两种不同的类型。一种是河床表层复盖物因清水冲刷而外移,露出了底下属于另一地质时代的较粗的卵石层,这时河床质的粒径会发生突变。另一种是由于水流的分迭作用,河床质的变化是连续的,徐缓的。在第二种情况下,河床质的粒径虽然变化不多,但是,通过河底沙垅的加多,却可以使曼宁糙率系数有很快的增加,这就使水流的流速降低,挟沙能力减小,河流逐渐建立起新的平衡。随着河床质的渐次粗化,河床的冲刷下切率与时俱減。野外实测结果及水槽试验成果都指出冲刷率与冲刷历时之间成一指数关系。河床质中不能为水流所挟运的颗粒所占百分比愈大,冲刷率下降得愈快,河道重新恢复平衡所需要的时间也愈短。从黄河下游的具体情况来判断,将来修建枢纽以后,下游河道在承受清水冲刷时可能作整体下降,坡降的变化不会很大。黄河下游的河床质虽然很细,同样也存在着粗化的可能。通过粗化作用,可以使河床下切的深度大大减低。     

壅水条件下水流阻力试验研究

壅水条件下的水流阻力及输沙特性,在水利工程的应用中占有十分重要的位置。对壅水条件下河道开展概化水槽试验,采用声学多普勒测速仪ADV对水流流速进行了测量,并对壅水条件下水流阻力和床面切应力等进行了分析。结果表明壅水条件下,水流流速沿垂线分布较均匀流条件下更加均匀,当壅水程度越大时,水流流速沿垂线分布越均匀,且流速分布大致上仍服从对数率分布;壅水条件下,随着水深的增大,摩阻流速不断减小;壅水条件下河道水流阻力系数随着非均匀系数及水力半径的增大而增大;引入壅水程度指标,并拟合得到了床面切应力随壅水程度指标的变化关系式。成果可为壅水条件下水流结构特征及输沙规律的研究提供参考。     

小浪底水库运用以后高村-艾山河段冲淤分析

根据实测资料分析了1999年10月～2007年10月黄河下游高村-艾山河段来水来沙及冲淤变化情况,结果表明:高村-艾山河段冲刷1.15亿m3,占全下游冲刷量的10.5%,同流量水位下降0.88～1.47 m;下游各河段河道断面得到相应调整,冲刷强度沿程逐渐减弱,高村以上河段的断面形态调整展宽和下切同时进行,高村以下河段以下切为主;河床明显粗化,主槽过流能力明显增强.     

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。     

三峡水库蓄水后坝下游干流枯水期水位变化研究

三峡工程建成运行以来,水库清水下泄对坝下游河道造成了明显冲刷,同时枯水期水库向下游补水,提高了坝下游沿程水位与平均流量,改善了下游供水形势。根据坝下游干流沿程宜昌、枝城、沙市、螺山、汉口、大通等水文站的水位、流量、大断面等资料以及三峡水库优化调度方案,分析了三峡水库建成运行以来沿程各站枯水期水位流量关系变化,旨在定量研究三峡水库枯季补水和清水下泄对河道的冲刷作用及对三峡坝址下游沿程水位的影响。研究表明:三峡水库蓄水以来,宜昌-汉口河段各控制站在不同流量条件下,水位均有不同程度的降低;枯水期综合考虑补水和冲刷作用后,不同月份沿程各站水位有升有降。     

黄河下游河床演变规律及对接冲刷分析

在总结以往经验和成果的基础上,指出黄河下游河床演变遵循着溯源冲刷与溯源淤积、沿程冲刷与沿程淤积两类基本的矛盾运动规律,演绎出河道淤积、河道冲刷以及冲淤动态平衡3类结果;黄河下游河床不断抬升的根源在于溯源淤积和沿程淤积的共同作用.据此,提出了沿程冲刷和溯源冲刷对接的基本原理,并以艾山断面为例,对对接冲刷动力注入点的布局及其动力源进行了系统分析.     

箱形涵洞对河床水沙特性影响的试验研究

以漳河的穿河涵洞为对象,采用物理模型的方法,就3年一遇和50年一遇洪水工况时箱形涵洞所在河道的沿程水位、上下游各断面流速及其下游河床局部冲淤变形等问题进行了试验观测,探讨了箱形涵洞对河床水沙特性的影响。试验表明:在3年一遇和50年一遇洪水工况下,箱形涵洞对上游河床的壅水较少,最大壅水高度分别为0.57m和0.3m;涵洞上游各断面的平均流速较无涵洞时有所减小,且断面横向流速分布曲线更平坦。在迎水面出现了河中心流速较左右岸流速大的现象;在涵洞下游较远的CS8断面的平均流速分别为1.8m/s和3.7m/s,与无涵洞时相差不大;在3年一遇洪水工况下,箱形涵洞洞后能形成Fr=4.52的稳定水跃,使得箱形涵洞下游CS6断面的河床局部冲刷较少,其平均冲刷深度约为0.5m。由此可见,箱形涵洞具有较优的水力条件。     

袁河新泉乡段梯级溢流堰水动力模拟及侵蚀分析

为了分析梯级溢流堰对袁河新泉乡段河道行洪及河床抗冲的影响,优化河道治理工程中溢流堰布置,建立了将拦河溢流堰作为闭边界条件的二维水动力数值模型,采用非结构化网格的有限体积法,对比分析了十年一遇洪水情况下梯级溢流堰建设前后河道水动力、河道水位、流场沿程变化特征,讨论了溢流堰布置对河道防洪及冲刷的影响。结果表明,在十年一遇洪水情况下溢流堰会抬升河道水位,平均增加0.49 m,满足河道行洪要求;梯级溢流堰使河道整体形成人工“阶梯深潭”体系,河道流速在空间上发生明显的异质性,堰上流速下降幅度较堰下流速大;水流发生急流与缓流之间交替,水流紊动强烈,加剧了水流能量损失,有效降低流速,减轻了河道冲刷,有利于稳定河岸结构。     

三峡水库下游河道冲刷粗化研究

三峡工程运行10余年以来,水库拦截了上游约75.5%的泥沙,破坏了原天然河道的自然形态与水沙条件的相对平衡,三峡大坝下游河道产生强烈冲刷,致使河床明显粗化。根据三峡水库蓄水后下游河段实测地形及床沙级配资料,分析了河道冲淤变化,并总结了四种床沙粗化计算方法。在此基础上利用接近冲淤平衡的宜枝河段实测资料对四种方法进行了验证计算。研究结果表明,韩其为方法的床沙粗化级配和冲刷深度与实测值吻合较好,较客观地反映了三峡水库下游河道的冲刷粗化过程。