沙波运动与床沙交换调整

冲积河流非均匀沙表层床沙粒径组成是影响水流阻力、输沙及河床冲淤的重要因素.表层床沙组成随着冲淤及与深层床沙不断交换而调整变化.本文分析提出沙波运动是床沙交换最基本最普遍的原因,提出了随冲淤及床沙交换床沙调整变化的计算关系.根据作者及其它水槽试验和河流实测沙波资料,文中总结得出了沙波高度、沙波运动速度及周期的新的计算公式,可用于估算床沙活动交换层厚度及交换速度,也可用于其它方面的分析计算.     

沙波运动对冲积河流悬移质冲刷不平衡输沙的影响

基于冲积河流河床活动交换层动力学基本方程和悬移质不平衡输沙方程，利用数值方法计算了冲积河流冲刷不平衡输沙过程。结果表明，冲积河流床面沙波准周期性运动的动力学特征影响了河床中泥沙暴露至河床表面的速度，延缓了河床冲刷时由河床表面补充到水体中的速度，从而对悬移质不平衡输沙产生显著影响。分析结果同时表明，悬移质冲刷不平衡输沙恢复饱和系数的理论值是在不考虑沙波运动对河床内部泥沙暴露到河床表面的速度的制约条件下得到，使得理论值大于经验统计值。     

床沙混合活动层计算方法探讨

本文从天然河道冲淤过程中床沙变化的实际情况出发，建立了床沙混合活动层模式，在此基础上按不同的冲淤时间尺度，不同的水沙条件及河床组成提出了相应的混合活动层厚度确定方法，用丹江口水库下游河段资料对所建模式进行了验证，计算结果表明，所提出的床沙混合活动层确定方法是合理的。     

水库下游冲刷的数值模拟—模型的构造

由于水库下游冲刷过程中悬移质与推移质、推移质与河床质、河床质与悬移质交换机理及床沙粗化机理的复杂性,使得研究水库下游冲刷数学模型的难度较大。 为了研究水库下游冲刷、河床演变问题及由此而引起的对防洪、航运等造成的影响,本文建立了一维全沙数学模型,模型考虑了非均匀悬移质不饱和输移、非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。文中考虑了冲刷过程中挟沙能力的沿程调整,挟沙能力包括以下三个方面,即悬移质中细颗粒部分从累计效果看不参予与床沙交换(冲泻质),这部分泥沙全部计入挟沙能力;悬移质的粗颗粒部分落淤到床面与床沙交换后部分地计入挟沙能力;床沙中可悬浮部分从床面冲起后部分地计入挟沙能力。非均匀沙推移质输沙率公式考虑了床沙运动的随机性及床沙粗化对输沙率的影响。床沙级配的调整采用CARICHAR混合层模型。对计算中经常遇到的关键性问题提出了处理方法。     

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。     

冲积河流悬移质泥沙与床沙交换机理及计算方法研究

本文在分析前人研究成果的基础上，从非恒定挟沙水流沙量平衡入手，建立了冲积河流悬移质泥沙与床沙交换关系表达式，并引入平衡冲淤物粒径的概念，对冲淤物粒径的计算方法进行了系统分析，提出了一整套计算非恒定挟沙水流悬移质泥沙与床沙交换的模式与方法，同时将该方法引用到数学模型中，采用黄河下游典型洪水进行了验证。     

冲积河流悬移质泥水与床沙交换机理及计算方法研究

本文在分析前人研究成果的基础上，从非恒定挟沙水流沙量平衡入手，建立了冲积河流悬移质泥沙与床沙交换关系表达式，产引入平衡冲淤物粒径的概念，对冲淤２物粒径的计算方法进行了系统分析，提出了一整套计算非恒定挟沙流悬移质泥沙与床沙交换的模式与方法，同时将该上用到数学模型中，采用黄河下游黄型洪水进行了验证。     

冲积河流底泥中污染物的输移转化方程

本文推导了底泥中污染物输移转化方程。该方程定量地反映了水流强度、床沙级配与底泥污染物迁移转化的关系,描述了河床冲淤过程中底泥污染物时空变化的动力学特性。文中以石油类污染物为例,利用数值方法模拟了底泥污染及冲刷释放现象,并与实验资料进行了比较,计算与实验符合良好,说明本文结果可作为冲积河流底泥污染物输移转化规律研究的基础。     

平面二维非均匀沙数值模拟方法

本文基于三角形网格划分，从平面二维水流泥沙的基本方程及基础理论出发，针对方程的基本特性采用剖开算子方法，将水流运动方程及悬移质扩散方程剖分成对流、扩散及传播三部分并提出了各自相应的计算方法；连续方程采用有限体积法进行计算，保证了水量的守恒；泥沙计算中采用平面二维非均匀沙水流挟沙力公式，并着重对河床冲刷过程中悬移质含沙量、级配，床沙级配等沿时空变化特性进行了计算分析，模拟了概化河道中床沙抗冲层的形成过程.数值实验表明，该方法边界符合良好，计算量小，能准确地模拟河床冲刷过程.     

河床交换层及其计算方法

河床表面以下存在一个交换层，分析了交换层在泥沙输移与河床变化中的作用，讨论了影响交换层厚度的主要因素，除相对于河床平均粒径的水流强度以外，还应当考虑床沙粒径的分布与水流强度的分布特性，提出用分布参数ＳＷ来描述水流和床沙的分布特性，得到估计交换层关系，根据交换层内泥沙连续条件，可以计算交换层的级配变化，与水槽试验表层床沙取样资料对比，吻合良好。     

沙质河床二维粗化数值模拟初探

沙质河床冲刷过程中河床变形、冲刷深度、悬移质含沙量恢复及床面级配等沿时空的变化与河床粗化紧密相关，只要对河床粗化机理和特性有较深认识才会对河床冲刷现象有较好的定量模拟。本文依据ADI算化原理，在交错网格上建立了非耦合非均匀不平衡输沙的平面二维非均匀沙水流挟沙力的计算方法和混合层计算模式。依据该模型所做的数值实验表明，模型能从定性上较好地模拟上述因素随时间沿纵横方向的变化，具有二维性，从理论和实践上进一步反映了数学模型能模拟河床冲刷过程中诸因素变化规律的潜力，并充分表明，正确预测冲刷河床变形的关系在于较好地模拟河床组成的粗化过程，对此，均匀沙模型是无能为力的。     

挟沙水流的冲刷率及河床惯性的研究

在清水水流河床冲刷率的实验研究基础上，本文进一步研究了挟涉水流来沙率对冲刷率的影响。结果说明挟抄水流的冲刷率随来沙率与水流输沙力欠饱和度之比以负指数律降低。当来水挟抄率与水流饱和输抄率相等时，冲刷率降刊0。河床惯性是河床在非恒定流中一种重要的动力学性质。利用河床惯性与冲刷率的关系测量了各种沙样的河床惯性值。发现河床惯性随床沙颗粒分选系数增大而增大，分选系数很大时趋近于极限值50t／Tn0。利用河床惯性和河床变形方程得出了冲刷过程中水流输沙率沿程和随时间的变化规律，结果说明水流输沙率欠饱和度向下游以负指数律下降，这与冲刷率随实际水流挟沙率与欠饱和度之比以指数率下降的规律有耜同意义。河床惯性愈大，实际水流输沙率增长得愈慢。河床惯性与于容重及摩阻流速之比构成的无困次数A。代表河床变形和水流实际挟沙量对水流挟沙力变化的响应程度。     

泥沙运动统计理论前沿研究成果

本文是作者数十年来以力学和概率论相结合的途径,广泛、深入研究泥沙运动统计理论的主要成果。其中包括泥沙运动的概化模式;单颗泥沙运动力学及统计规律;床面泥沙4种状态之间的转移概率及交换强度;不同状态之间的多种输沙率(而不是现有的两种)研究;泥沙起动规律及起动流速;从理论上导出的床面泥沙的边界条件;一维不平衡输沙规律及相应的数学模型;推移质与床沙和悬沙同时交换的不平衡输沙;床沙冲刷粗化与交换粗化规律;推移质点源、线源及退化面源扩散。另外,文中还给出了由泥沙运动统计理论带动的泥沙研究领域其他成果,如挟沙能力级配及有效床沙级配、粗细泥沙交换、挟沙能力多值性以及黄河高含沙量时的"揭底冲刷"。     

Subsidence of riprap protection without filters for different installation types of riprap around a pier in sands

Synthetic and/or stone filters should be applied to prevent riprap subsidence due to sediment winnowing or leaching between the riprap and sand bed layers when riprap protection is installed around the pier to prevent scour. However, riprap protection without filters is commonly constructed in the field due to the technical and economical difficulties of installing the filter layer. Riprap is also sometimes placed on the bed rather than flush with the bed, especially in the case of deep water and tidal conditions at marine structures. Hydraulic experiments were conducted in this study to quantify and analyze riprap subsidence without filters placed on sand beds for various riprap layer thicknesses, riprap and bed material sizes, riprap installation types, and hydraulic conditions. The experiments showed that, as the flow velocity was increased and the size of bed materials and thickness of the riprap layer were decreased, the subsidence of the riprap protection was increased. A dimensionless riprap subsidence equation was developed using the experimental results for two types of riprap installations (on and below the bed surface). The results of this study can be used to evaluate the subsidence stability of riprap protection without filters.     

松花江三姓浅滩航道整治的二维数值模拟研究

松花江三姓浅滩上段河床由沙质组成，但抄质覆盖层很薄，中下段底质坚硬由石质组成并有基岩裸露。本文以三姓浅滩航道整治工程为例．应用航道工程泥沙数学模型，由一期整治工程作用下的水面线、流场及河床变形资料率定模型中的糙率、推移质输移方程等，然后进行二期整治工程作用下的水流及河床变形模拟．并与实体模型试验资料进行了比较。     

推移质运动的二维数学模型

本文建立了一个模拟推移质运动的二维数学模型，水流运动方程中考虑了河流弯曲处环流所引起的动量交换，推移质运动方程中则考虑了推移质运动的随机性、床沙粗细颗粒的相互影响及床沙级配沿河宽的调整。利用连续弯道清水冲刷河床变形试验资料对模型进行了检验，检验结果表明，数值计算结果在定床及动床水面线、流速沿河宽分布、冲刷过程中水位下降过程、河床的平面变形、出口断面推移质输沙率及其级配、床沙沿纵横向的分选等方面与试验结果吻合较好。     

CONCENTRATION DISTRIBUTION OF SEDIMENT IN BED LOAD LAYER

In this paper the concentration profile in bed load layer is derived based on kinetic theory. According to observations, particles moving in near wall region behave differently during ejection and sweeping of turbulence burst, as indicates that they are subject to different influences from turbulence, and therefore, the forces acting on particles are not the same. Consequently, particles moving in bed load layer are classified into two groups, one lifted upward by ejections, the other carried back to bed by sweepings, and the forces corresponding to upward and downward motions are proposed. By solving the basic transport equation of kinetic theory, the velocity distribution functions, upward and downward fluxes of particles in bed load layer are derived. Upon assumption of equilibrium sediment transport, concentration profile in bed load layer is obtained. Verification is also presented in this paper, which shows that the concentration profile produced by the relation proposed in this paper agrees with observations well.