黄河下游河道悬移质泥沙与床沙交换计算研究

在前人研究成果的基础上,根据挟沙水流任一粒径组泥沙在输移过程中质量守恒原理,建立了一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换基本方程;通过引入平衡冲淤物粒径的概念,建立了河床处于淤积与冲刷时冲淤物粒径的计算公式,并提出了一套完整的一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换计算方法。将该成果引入黄河下游一维扩展泥沙数学模型中,采用黄河下游1977年高含沙洪水与1999年汛后至2002年汛前冲刷系列进行了验证。结果表明,该方法能较好地模拟悬沙与床沙的交换过程,克服分组挟沙力方法的缺陷,使得非均匀沙计算理论上更加完善,应用上更加方便。     

黄河泥沙冲淤数学模型研究

应用作者提出的动床阻力、非均匀沙挟沙力、床沙交换调正及滩槽水沙交换等关系与新的不平衡输沙等初步经验关系,建立了黄河下游及水库河床变形计算一维数学模型。经1960年～1988年共28年实测水沙资料的验证计算,结果与实际基本符合。该模型的特点是可预报各种水流及河床边界条件下的动床阻力;可同时计算确定混合沙中各粒径组的推移质、悬移质挟沙力、含沙浓度垂线分布及上滩水流含沙量;能较好地反映浑水上滩淤积减沙使主槽减淤增冲的实际情况;能够基本反映泥沙多来多排及高含沙水流的冲淤特性;能综合反映出来水流量、含沙量及级配的调节变化产生的输沙冲淤差别。应用该模型计算黄河小浪底水库库区及下游河道的冲淤,成果比较合理。     

黄河高含沙水流的含沙量分布特性及测验方法的探讨

本文根据野外试验资料分析指出,黄河中游高含沙水流泥沙具有均质分布的特点。认为这种均质分布在流域产生径流时就已形成,并且在浑水流体较大的极限切应力和密集泥沙形成的结构体作用下保持下来。扩散理论的垂线分布公式不适用于高含沙水流,这时的泥沙测验内容、方法和仪器等应与低含沙测量不同。一、高含沙水流泥沙分布特性黄河中游干支流,洪水时期常出现高含沙水流。根据这个地区部分水文站的实测资料分析,这种水流有如下的分布特性:     

不同坡度草地含沙水流水力学特性及其拦沙机理

参照黄土区侵蚀降雨和坡面片蚀产沙特征,采用恒流泥沙输送装置模拟坡面上方来水来沙,探讨不同坡度草地含沙水流的水力学特性及其对上方来沙的拦蓄机理。结果表明,草地坡面的水流弗劳德数随坡度增大而增加,而阻力系数与坡度呈反势。按明渠水流的一般标准,不同坡度草地水流均为层状缓流。草地坡面拦沙效应随坡度增大而减小,且径流前期的减沙作用较后期更为显著。不同坡度草地坡面的出流泥沙平均直径和大颗粒(>10μm)泥沙含量均显著小于上方来沙,这说明草地的拦沙效应主要体现在对大粒径泥沙的拦蓄上。     

小浪底水库溯源冲刷效率评估试验

水库溯源冲刷试验是评估在水库速降水位过程中,结合工程控制条件、水沙条件、冲刷时机和初始水库蓄水条件等因素,研究支流拦门沙坎破坏程度对干流溯源冲刷的影响。采用按照水库高含沙模型相似律建立的小浪底水库实体模型开展了4个组次的水库降水库区发生溯源冲刷的试验,第1~4组次库容恢复率依次为11.6%、6.8%、12.2%和6.6%。拦门沙坎破坏越严重,水量越大,库区溯源冲刷量越大,库容恢复率大;侵蚀基准面越低,库区溯源冲刷量大,库容恢复率大;库区淤积量42.00亿m3时采用降低水位引起库区发生溯源冲刷优于库区淤积量32.00亿m3。对原有的陕西水利科学研究所与清华大学的逐日溯源冲刷公式在考虑支流促因的基础上进行了改进,说明支流蓄水量进入干流越多,引起支流口以下的干流河段冲刷量越大,其计算结果与实测值满足生产实践精度,可作为多沙河流水库调水调沙方案制定参考。     

流域产沙模型的研究

由坡面泥沙颗粒的动力平衡条件,推导出坡面上细颗粒泥沙的起动切应力,由坡面径流的剩余输沙能力,导得坡面径流的侵蚀量计算公式,与文献[4]的雨滴溅蚀量计算公式一起,构成了概念清楚、过程明确、结构完整的流域产沙模型。产沙量取决于水流挟沙能力与可供沙量的对比关系,若水流挟沙能力小于供沙量,则产沙量等于水流挟沙能力;反之,水流将进一步冲刷表土,形成径流侵蚀,产沙量就等于供沙量与径流侵蚀量之和。据此,可计算出坡面和流域产沙量。模型在岔巴沟流域上应用,结果令人满意。     

黄土高原区高含沙水流发生频率空间分异及其影响因素

以1964-1989年黄土高原区284个水文站的泥沙观测资料为基础,结合相应区域内自然条件与人类活动相关资料,运用空间分析及数理统计方法,研究了黄土高原区高含沙水流发生频率的空间分布规律,并分析了高含沙水流发生频率及其与各影响因素之间的关系。研究结果表明,黄土高原区高含沙水流发生频率高值区为带状分布,呈东北-西南向,且存在3个高值中心区,分别位于111°E、40°N,107°E、36°N和104°E、34°N附近;在分析各影响因素与高含沙水流发生频率关系基础上,进一步研究了多因素对高含沙水流发生频率的综合影响,结果表明,灌木林、丘陵旱地、有林地、黄土厚度、年平均降水量等主要影响因素对高含沙水流发生频率的相对贡献率依次为17%、4%、7%、30%、42%。     

黄河下游高含沙洪水过程一维水沙耦合数学模型

采用浑水控制方程,建立了基于耦合解法的一维非恒定非均匀沙数学模型,用于模拟高含沙洪水演进时的河床冲淤过程.然后采用黄河下游游荡段1977年7—8月实测高含沙洪水资料对该模型进行率定,基于水沙耦合解法的各水文断面流量、总含沙量及分组含沙量的计算过程与实测过程符合更好,计算的沿程最高水位及累计河段冲淤量与实测值也较为符合.最后还采用2004年8月高含沙洪水资料对该模型进行了验证.模型率定及验证计算结果表明,采用一维水沙耦合模型计算高含沙洪水过程,能取得较高的精度.     

对黄河下游河道输沙能力的新认识

综述了10a来利用高含沙水流特性治理黄河下游河道的研究进展,其中包括黄河水沙变化趋势,高含沙洪水的输沙特性,阻力特性,河槽形态调整变化规律,河道特性与来水来沙之间的关系;改造下游宽浅河道的最优水沙组合,水库调水调沙运用原则,及治理前景等内容.如能实现,下游河道淤积可大幅度减少,输沙用水可大量节省,黄河水资源可得到充分利用,并能形成窄深稳定的新河槽.     

粘性土及粘性土夹沙的起动规律研究

从水流脉动的机理出发,以粘性土的宾汉应力作参数,建立了粘性土的临界起动剪切力公式.根据一系列实验结果,分析了不同情况下粘性土夹沙的起动条件,归纳出统一的表达式.此外,还对上部水流为浑水的情况下,粘性土及粘性土夹沙的起动条件作了定性分析.     

基于HBP本构模型的泥石流动力过程SPH数值模拟

本构模型是描述泥石流流变特性的关键,也是决定其动力过程数值模拟准确性的核心问题之一。泥石流流体属多相混合物,现有的研究已证实其存在剪切增稠或剪切变稀的现象,传统基于Bingham及Cross线性本构关系的数值模型难以准确描述泥石流流变特性。文中探讨了Bingham模型在低剪应变率下的数值发散问题,在光滑粒子流体动力学（SPH）方法框架上建立了整合Herschel-Bulkley-Papanastasiou(HBP）本构关系的稀性泥石流动力过程三维数值模型。相比传统基于浅水波假设的二维数值模型,所述方法从三维尺度建立SPH形式下的泥石流浆体纳维?斯托克斯方程并进行数值求解,可获取泥石流速度场时空分布及堆积形态,同时采用HBP本构关系描述泥石流流变特性,能在确保数值收敛的前提下反映泥石流流体在塑性屈服过渡段及大变形状态下应力?应变的非线性变化。为验证提出方法的合理性,结合小型模型槽实验观测进行了对比,结果表明数值模拟与实测结果基本吻合。     

Flow regimes in debris flow

The Bingham model has been suggested for the rheological behaviour of debris flow. Velocity plotted against yield strength uniquely defines turbulent and laminar flow in published experimental data on flow of Bingham materials. These regimes are not defined by a unique value of the Bingham number even though it includes both of the critical parameters, yield strength and velocity. Laminar flow in at least the final stages natural debris flows is suggested by sediments with parallel-to-flow or inclined clast fabric, preservation of delicate clasts, blocks projecting from the top of the deposit(?), and an absence of flutes.     

锚固长度对锚杆受力影响分析及其临界值计算

基于锚固界面的一种非线性剪切滑移模型,采用荷载传递方法分析了锚固长度对锚杆受力特性的影响,建立了锚杆临界锚固长度的计算方法,并通过工程案例检验其可行性。结果表明：锚固长度较小时,锚杆荷载-位移曲线为承载力较小的单峰曲线;随着锚固长度的增加,逐渐衍生出一个平缓变化区段;锚固长度越小,界面剪应力分布越均匀,但整体承载力也越小;随着锚固长度增加,界面剪应力分布的不均匀特征逐渐明显,整体承载力也随之提高;锚固长度超过一定取值时,锚固界面软化荷载、抗拔荷载以及整体承载力均趋于定值,与锚固长度无关;计算得到的临界锚固长度与工程实际的锚固长度具有较好的一致性,验证了方法的可行性。     

荆江段河岸粘性土体抗冲特性试验

粘性土体具有较强的抗冲能力,其抗冲性强弱决定了河岸的侵蚀速率。为了估算河岸的侵蚀速率,确定粘性土体的起动条件、侵蚀系数及两者之间的数量关系非常重要,为此开展了荆江段河岸粘性土体起动条件与冲刷特性的水槽试验研究。根据试验结果获得了粘性土体的起动流速与土体液限/自然含水率之间关系以及起动切应力与干密度、起动切应力与液性指数之间的定量表达式,综合反映了粘性土起动条件与其物理性质指标之间的关系;结合冲刷特性试验结果,还获得了土体侵蚀系数随起动切应力的变化规律,并与已有其他试验结果进行了比较。结果表明:荆江河岸粘性土侵蚀系数均比相同条件下其他公式计算值偏大,这与该试验土体中粘粒含量相对较低、土体结构受到扰动等因素有关;根据试验结果,拟合得到了荆江河岸粘性土侵蚀系数与起动切应力之间定量关系式,其相关系数R2=0.90,故该关系式能为荆江段崩岸过程的计算提供参考依据。     

植被作用下土壤抗剪强度和径流侵蚀力的耦合效应

利用野外径流小区动态监测和人工模拟降雨试验,阐明了草被和灌木的减流减沙效应,从力学层面揭示了坡面侵蚀产沙的过程机理。结果表明,与裸地相比,野外坡面草地和灌木地径流量分别减少28.1%~56.5%和85.7%~100%、产沙量分别减少84.9%~90.7%和98.5%~100%;在人工模拟降雨强度下,草地和灌木地径流量分别减少51.9%~90.9%和61.7%~80.6%、产沙量分别减少93.6%~99.2%和95.5%~99.2%;植被具有明显的增强土壤抗剪强度的作用,不同植被坡面抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;不同下垫面条件下土壤黏聚力与坡面径流量和侵蚀产沙量呈显著的负相关关系,随着黏聚力的增大,径流量和侵蚀产沙量呈下降趋势;草地和灌木地坡面侵蚀临界径流切应力分别为裸地的2.64~3.16倍和2.44~3.18倍,建立了不同被覆坡面临界径流切应力与土壤抗剪强度和黏聚力的关系。研究结果对定量评价植被减蚀作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。     

输沙能力模式在坡面非恒定输沙过程中的应用

在坡面土壤侵蚀输沙计算中,可选用的输沙能力模式较多,但这些模式多运用于恒定输沙,在非恒定输沙中运用不多。建立了坡面土壤侵蚀非恒定输沙数学模型,模型中的输沙能力运用水流切应力、水流功率、单位水流功率3种模式,对模型过程采用有限差分格式离散求解。根据实测水沙资料进行模型参数率定,运用3种输沙能力模式于不同降雨强度、不同坡度的非恒定坡面输沙过程中。结果表明:在坡面非恒定输沙计算中,不同输沙能力模式对计算结果有明显影响,在降雨强度较小时,单位水流功率模式结果较其他两个模式为好,而在雨强较大时,切应力模式计算结果较好。     

非均匀颗粒流应力关系实验研究

颗粒流问题在自然界和许多工程领域都可能遇到。采用特殊的内外筒均可单独旋转的同心圆筒颗粒剪切实验装置,测量了非均匀离散颗粒在旋转剪切流动下的切应力变化,分析了颗粒浓度、粒径与边界条件等因素对颗粒流动应力的影响。结果表明,颗粒浓度和颗粒粒径均对剪切应力产生影响,Savage实验（内筒旋转）和Bagnold实验（外筒旋转）的结果产生差异的主要原因是边界滑移和旋转离心力。同时,基于已有成果,深入研究了颗粒应力关系变化的特点和规律。     

Modelling the flow of self‐compacting concrete

A Lagrangian particle‐based method, smooth particle hydrodynamics (SPH), is used in this paper to model the flow of self‐compacting concretes (SCC) with or without short steel fibres. An incompressible SPH method is presented to simulate the flow of such non‐Newtonian fluids whose behaviour is described by a Bingham‐type model, in which the kink in the shear stress vs shear strain rate diagram is first appropriately smoothed out. The viscosity of the SCC is predicted from the measured viscosity of the paste using micromechanical models in which the second phase aggregates are treated as rigid spheres and the short steel fibres as slender rigid bodies. The basic equations solved in the SPH are the incompressible mass conservation and Navier–Stokes equations. The solution procedure uses prediction–correction fractional steps with the temporal velocity field integrated forward in time without enforcing incompressibility in the prediction step. The resulting temporal velocity field is then implicitly projected on to a divergence‐free space to satisfy incompressibility through a pressure Poisson equation derived from an approximate pressure projection. The results of the numerical simulation are benchmarked against actual slump tests carried out in the laboratory. The numerical results are in excellent agreement with test results, thus demonstrating the capability of SPH and a proper rheological model to predict SCC flow and mould‐filling behaviour. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

海底泥流的流变试验及强度模型

海底泥流是海底斜坡发生失稳滑动后,经复杂的水土交换作用演变成的稀式海底滑坡体,表现出土体和流体的双重特征,而现有的测试方法难以获得低剪切应变率下连续变化的强度值,不能很好地揭示其综合强度特性。利用新型全流动贯入仪和RST流变仪,对模拟海底泥流在不同剪切应变率下的流变和强度特性进行了多组试验研究,并基于试验结果分析了不排水剪切强度、屈服应力和表观黏度与含水率的相关性。基于剪切稀化理论,提出分阶段拟合模式来描述海底泥流从低剪切应变率到中高剪切应变率的流变关系;通过多种常规流变模式拟合结果的对比分析,显示出新流变模式的适用性和优势。考虑强度软化的影响,建立了全剪切应变率范围内海底泥流的不排水剪切强度模型,为海底泥流运动过程的数值模拟和灾害评价提供科学依据。