薄层水流冲刷条件下斜坡土体的临界起动

斜坡土体侵蚀是丘陵地区和水库岸坡普遍存在的灾害现象,其主要动力因素是降雨或者波浪上爬产生的薄层水流对土体产生的冲刷剪切作用。为探索水流冲刷作用下的斜坡土体临界起动条件,采用自主研发的冲刷起动试验装置,开展斜坡土体的冲刷起动试验和理论研究。通过颗粒染色和高倍数电子显微等技术手段观测无黏性土颗粒的起动现象,确定了无黏性岸坡土体的起动模式与水流流速的相互关系;探索了不同干密度、不同黏粒含量及不同坡度与黏土斜坡临界起动流速的相互关系,土体的黏粒含量、干密度及坡度对黏性土体的起动流速影响较大,与干密度和土体坡度相比,黏粒含量对黏土斜坡的起动流速影响更为明显。验证了无黏性岸坡土体的临界起动方程,其中滚动起动流速方程具有较强的可靠性;基于黏土的起动模式构建了黏土斜坡的起动力学平衡方程,获得了黏土斜坡半经验半理论的起动流速方程,用试验结果求解了起动流速方程的相关参数,最终确定的起动流速公式与试验结果拟合度较好,同时验证了起动流速公式的可靠性。     

东港湖岸种植香根草抵抗波浪侵蚀的效应研究

对东港湖水文气象资料进行调查,取湖泊岸坡土样进行土工试验,并对香根草进行根系调查,在此基础上运用抗冲蚀经验公式分别计算出裸岸及3种香根草种植方案条件下湖岸的侵蚀速率.研究结果表明,风浪对东港湖裸土岸坡的冲蚀速率为6.72 mm/h.不同香根草护岸方案下湖岸侵蚀速率较之于裸土岸坡减少69.18%~92.36%,根土面积比越大,风浪对岸坡的冲蚀速率越小,合理的香根草护岸能够有效地抵抗波浪对湖岸的侵蚀.     

变坡度变雨强下坡面流阻力特性时空分布

为了研究坡面薄层水流阻力特性规律,以室内人工降雨试验数据为基础,通过基于物理概念的水文数值模型试验,虚拟了150种工况,在大坡度范围（5°~55°）和大雨强范围（30~240 mm/h）内,以Darcy-Weisbach阻力系数为研究对象,研究阻力系数的时空分布规律,定量分析雨强和坡度对阻力系数的影响,从黏性底层厚度和能量的角度分析原因,根据试验结果回归得出考虑空间位置的阻力系数公式.研究结果表明：在坡度和雨强一定的前提下,在时间上,坡面阻力系数随着时间的增加呈减小趋势,在空间上,向下游出口处,阻力系数沿程递减;坡面流阻力系数受雨强影响显著,在一定坡度下,雨强越大,阻力系数越小;在一定雨强下,阻力系数与坡度基本呈正相关关系,且雨强越大,坡度对阻力系数的影响越弱.     

基于SPH的新型人工块体TB-CUBE设计优化和水动力特性数值模拟

为探究高透空性新型人工块体TB-CUBE的最优结构尺寸型式及其水动力特性,本文利用基于光滑粒子方法的Dualsphysics开源代码开展斜坡堤新型人工块体TB-CUBE数值模拟研究,探究其在规则波作用下的爬高和越浪等水动力特性及波浪变化规律。研究结果表明：数学模型所模拟的爬高和越浪与物理模型试验的实测值误差分别在6%和9%以内,可较好的刻画波浪在人工块体上的演变过程。基于此验证模型,分析不同细部尺寸参数下块体的水动力特性,综合块体爬高、反射系数、越浪、块体孔隙率和材料用量等因素,得到最优消浪效果所对应TB-CUBE块体的球相对半径R1、圆柱相对半径 R2与块体边长h的关系。此基础上,以优化后的TB-CUBE块体为对象,分析其爬高和越浪的过程,揭示出该块体的消浪机理主要为相邻块体之间的圆孔对波浪的爬高和回落均有阻滞作用,且块体内部孔隙可以容纳水体并形成紊流效能,可以相应地减少波浪的爬高。此外,研究斜坡坡度、堤前水深、入射波高和波周期等对波浪爬高的影响,得到TB-CUBE块体爬高随入射波高和波坦的增大而增大,而随坡度的变化呈现单峰曲线的变化趋势。进一步的考虑不同波浪破碎形态对波浪爬高的影响,拟合得出TB-CUBE块体的爬高经验公式,公式拟合值与模型计算值相关系数达0.981,能够真实反映该块体的爬高情况,为今后该块体在海岸工程中的实践运用提供科学依据。     

径流条件下散粒体斜坡的颗粒冲刷启动机理

摘 要：为研究地表径流对散粒体斜坡的冲刷侵蚀效应,根据斜坡坡面径流和坡内渗流特征建立了散粒体斜坡径流-渗流耦合模型。该模型用Navier?Stokes方程描述淹没区坡面径流,用Brinkman-extended Darcy方程描述散粒体斜坡坡内渗流。径流区和渗流区的流体运动均满足连续性方程,且在交界面处的流体满足Neal和Nader提出的流速相等和剪应力连续双边界条件。采用Navier?Stokes方程和Brinkman-extended Darcy方程分别联立连续性方程推求出径流区和渗流区的流速分布。分析流速理论表达式可知,影响斜坡表部径流流速和坡体内部渗流流速的主要因素有斜坡坡度、径流水深、斜坡散粒体的孔隙率和渗透率,且流速随它们的增大而增大。为探究在径流条件下散粒体斜坡坡面颗粒的冲刷启动机理,引入Newton内摩擦定律求得径流区和渗流区交界面上的切应力,并对颗粒发生滑动和滚动两种情况分别进行受力分析,给出了颗粒滑动和滚动两种运动方式相应的失稳判据。分析两种判据可知：(1)颗粒发生滑动时,其抗滑稳定安全系数主要受散粒体斜坡坡度、颗粒的内摩擦角、颗粒半径、径流水深、散粒体斜坡孔隙率和渗透率的影响,且随颗粒的内摩擦角、颗粒半径、散粒体斜坡孔隙率和渗透率的增大而增大,随散粒体斜坡坡度和径流水深的增大而减小;(2)颗粒发生滚动与否主要取决于散粒体斜坡坡度、径流水深、颗粒半径、散粒体斜坡孔隙率和渗透率,且它们的值越大,颗粒越容易失稳。     

库区水位下降对库岸边坡稳定性的影响

为了研究库区水位下降过程中岸坡的稳定性,在探讨库岸边坡稳定性影响因素的基础之上,通过数值计算与稳定性分析理论,同时考虑坡度、坡体渗透系数与库区水位下降速率的不同工况条件下渗流场中孔隙水压力的变化,并对库区水位下降期间各因素变化对边坡稳定性系数的影响进行了分析.研究结果表明:库区水位下降对库岸边坡的稳定性有着较大影响,是库区边坡失稳破坏的重要因素,当水位下降时,库岸边坡稳定逐渐降低.采用FLAC对不同工况进行数值计算,当研究参数取值在符合工程实际范围内时,相同水位下降速率条件下库岸边坡坡度逐渐增加时,边坡稳定性呈现逐渐下降趋势;坡体渗透系数逐渐减小时,边坡稳定性也越来越低.而不同的水位下降速率对边坡稳定影响也不同,当水位下降高度相同时,下降速率逐渐增大则边坡的稳定性逐渐降低;坡度、水位下降速率与坡体渗透系数的变化都会导致边坡稳定系数的变化,其中库区水位下降过程中存在着稳定性系数最小值,水位下降速度越大,最小值越小;此外,库水位下降时存在一个最危险水位,此时坡体稳定性系数最小,而该水位大致位于坡体下1/3处.研究结果对三峡库区水库水位的调控和库岸边坡的稳定性具有一定的工程意义.     

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。     

规则波对台阶式海堤冲击的试验研究

为了研究台阶式海堤在规则波浪冲击作用下堤身的动压力分布特性,在广西大学水利实验室二维玻璃水槽中建立了不同结构参数的台阶式海堤物理模型,通过分别对比海堤的水平台阶面和直立台阶面上的规则波浪冲击后的动压力,得出了波浪冲击海堤后的动压力与台阶式海堤坡度和台阶高度的相关规律。研究表明:在一定的海堤坡度范围内,同一入射条件下,当海堤台阶高度一定时,海堤坡度越缓,海堤台阶面上的动压力越小;而当海堤坡度一定时,海堤台阶高度越大,海堤台阶面上的动压力越大。     

不同人工植被分布条件下坡面水流动力学特性试验研究

基于一系列坡面流试验研究了人工植被条件下的坡面水流动力特性,即水深、流速、弗劳德数、雷诺数及阻力系数随不同植被分布条件、流量和坡度的变化规律。试验包括11°、13°、15°和18°等4种坡度,单宽流量为0.64-5.5L/s.m。试验结果表明,水动力学参数受植被分布影响显著,植被的阻水减速效果明显,阻力系数f随坡度以及弗劳德数增大而降低,阻力系数与雷诺数基本上呈幂函数负相关,随着坡度的增加,其相关性减弱。通过引入植被分布特征角及坡面水流参数,建立了植被坡面水流阻力达西系数计算方法。     

库水位升降作用下土质岸坡变形特征实验研究

库水位升降作用下三峡库区土质岸坡坡体吸水、应力集中及滑移变形,形成不同时段和不同空间部位的裂缝体系。通过模型试验的方法,分析了土质岸坡在一个蓄水降水循环周期内裂缝体系的时空演化分期配套规律。试验结果表明：蓄水初期,裂缝主要出现在岸坡前缘水位线附近,且出现频率高、规模逐渐增大,岸坡出现局部坍塌破坏;蓄水中期,岸坡前后缘均有裂缝出现,但出现频率低、规模减小;蓄水后期,前缘裂缝发育基本消失,后缘裂缝继续发育,岸坡以沿滑动面整体蠕滑为主;水位上升过程中暂停蓄水时裂缝发展缓慢。降水阶段,拉张裂缝主要出现在岸坡坡体后缘,初期降水裂缝出现频率较低,发展缓慢;后期降水裂缝出现频率、规模变大,产生下座变形及下错台坎;水位下降阶段岸坡沿滑动面发生整体缓慢蠕滑。     

小宽深比条件下弯道水流特性的试验研究

在弯道水流中,几何参数宽深比对水流的3维运动特性具有重要影响。由于小宽深比（< 5）河道广泛存在于山区及人工河道中,采用声速多普勒流速仪（ADV）对固定宽度不同宽深比（B/H 分别为1.5,2.0,3.0）的U型弯道内水流流速进行了精细测量,并以水面横比降、横向环流、流速重分布、紊动强度与剪切力为研究内容,讨论与分析了该情况下的弯道水流结构。试验结果表明,在小宽深比条件下增加宽深比时：1）水流动力轴线开始向凹岸偏移的位置提前,因而小流速主流线沿着凸岸流动,直到出弯道才开始向凹岸偏移,大流速则更早地向凹岸偏移;2）横向流速在凹岸开始波动的位置依次靠近上游,3种工况中波动位置分别为120°断面、90°断面及60°断面;3）凹岸表层附近出现次生环流的位置依次提前,其位置分别为120°断面、60°断面及30°断面,并且次生环流强度及范围不断增大;4）床面剪切力不断增大。需要指出的是：3种工况的剪切力在弯道入口断面到弯顶断面之间较大,最大剪切力位置均出现在弯道的前半段,可以推断在动床中弯道泥沙在此段的冲刷比较严重;过弯顶断面后,凸岸床面剪切力大于凹岸。试验结果可以有效地反映不同小宽深比参数对弯道水流结构的影响,并为该条件下的弯道泥沙冲淤研究提供参考。     

盲沟排水对碎石桩加固软土路基的影响分析

排水系统的合理设置对加速土体固结、提高饱和软土地基承载力有重要作用。为探讨盲沟排水对路基下碎石桩加固的软土地基的工程特性的影响,进行了路基试验段的对比试验,并在路堤填筑施工中进行了孔隙水压力和地基沉降测试。试验和工程测试结果表明,渗水盲沟的合理设置可加速地基的固结,提高地基土体的承载力,有效地降低地基中的孔隙水压力,加速路堤填筑的速率。     

砾粒质量分数对泥石流启动影响的试验研究

泥石流形成过程复杂,所以泥石流启动受很多因素的影响.太行山区泥石流中砾粒质量分数较高,即以太行山区泥石流为原型,在室内进行人工模拟泥石流的试验,分析在坡度一定的情况下,土体中砾粒质量分数对泥石流启动的影响.通过筛分,配成5组不同砾粒质量分数的土体(分别为65%,70%,75%,80%,85%),对不同砾粒质量分数土体的启动流量进行分析.试验结果表明:砾粒质量分数高的土体启动流量大;砾粒质量分数不同,泥石流暴发形式也不同;砾粒质量分数为65%,70%的土体,伴随着表面出水,土体整体突然垮塌形成泥石流;砾粒质量分数为75%,80%和85%的土体,在整体垮塌前,总是伴有局部的塌陷和表面径流.研究结果可为太行山区泥石流的防治提供理论依据.     

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。     

冲刷过程中岸坡条件对塌岸淤床交互作用影响的试验研究

在弯道水槽中开展系列试验,研究不同的岸坡条件对岸坡稳定性以及崩塌体与河床交换作用所产生的影响。试验成果表明：岸坡崩塌及崩塌体的分解输移与近岸水流的紊动能关系密切。水流冲刷过程中岸坡破坏是水流淘刷岸坡坡脚、岸坡崩塌及崩塌体淤积坡脚并在河床上输移的反复循环过程。无论岸坡是黏性土组成还是非黏性土组成,坡脚附近河床并没有与崩塌土体发生掺混。在岸坡形态、河床组成及水力条件相同的情况下,黏性岸坡坡脚处河床冲刷量明显大于非黏性岸坡坡脚处河床冲刷量;黏性岸坡崩塌量小于非黏性岸坡崩塌量。在岸坡材料相近、河床组成及水力条件相同的情况下,较陡岸坡经水流淘刷后更易失稳,岸坡冲刷坍塌量及崩塌物质在河床上的淤积量明显大于较缓岸坡情况。     

坡面径流对斜坡散粒体稳定性影响的试验分析

坡面径流是松散介质斜坡上颗粒发生搬运滚动的水动力条件。为研究坡面径流对斜坡散粒体颗粒稳定性的影响,开展室内水槽冲刷试验。试验设置3种粒径和4种坡度,通过高清摄像捕获斜坡散粒体受水流冲刷起动过程,获得不同条件下颗粒冲刷起动的临界径流水深h_cr。实验结果表明：在同一粒径条件下,起动水深h_cr随着斜坡坡度的增大而减小;而在同一坡度条件下,起动水深h_cr随着粒径的增大,出现先增大后减小的情况,这主要是由于随着颗粒粒径的增大,坡体的渗透性增强,在水流的渗透作用下,颗粒更容易发生运移造成的。为合理解释实验现象,建立斜坡径流-渗流耦合模型来分析坡面径流条件下颗粒的稳定性变化情况,通过将水流的流速特征与土颗粒的受力起动特性结合起来,给出临界水深h_cr的理论表达式,其主要受颗粒粒径、颗粒比重、孔隙率、坡体渗透率和斜坡坡度等因素共同控制。通过将实验结果与计算结果进一步对比发现,在同一粒径区间内,临界水深h_cr的实测值与理论值均随坡度的增大而减小,而理论值与实测值之间的相对误差随坡度的增大而增大,但其均控制在35%以内,并对产生该误差的原因进行了分析。为修正实测值与计算值之间的误差,应用MATLAB的神经网络模块对数据进行拟合,建立含两个神经网络结构的临界水深h_cr修正公式,精度较高。     

一次洪水过程的泥石流物源体侵蚀机制试验

洪流是泥石流水动力条件的主要来源之一,洪流引起的沟道物源体形成的水力类-侵蚀型泥石流的形成机理较复杂,为研究一次洪水过程中,不同降雨类型对泥石流物源体的侵蚀-破坏过程的影响,利用自制大比例模型槽,通过降雨和洪水共同作用,以北京市南窖沟为研究对象,进行泥石流缩尺模型试验.通过对试验现象的观测和描述,实时记录了物源体表面在发生面蚀、坡脚掏蚀和切沟侵蚀过程中降雨量和洪水流量的变化.根据物源体不同位置的含水率仪及孔隙水压力计的测试结果,研究了泥石流物源体随降雨和洪水作用的侵蚀-破坏变化特征及机理.结果表明:一次洪水过程中,3种雨型作用下,物源体发生切沟侵蚀破坏的洪水流量均小于洪峰流量;前期降雨作用降低了物源体破坏的累计降雨量;直接暴雨作用下土体未饱和就已发生切沟破坏.试验结果为判断泥石流物源体发生破坏的降雨量和洪水量提供了借鉴,对泥石流启动过程中雨型的研究有重要意义.