明渠水流阻力研究现状分析

只有正确深入地把握水流阻力规律,才能掌握解决水力学及河流动力学中各种实际问题的主动性。本文通过系统评述和研究分析前人成果,对相关问题有所澄清。历史上曾经影响较大且不需要调整参数的杜博公式、艾特魏因公式、曼宁第二公式,可反映曼宁公式所代表的平均情况,但难以像曼宁公式那样能够适应自然界复杂多变的摩阻特性。至于巴辛公式,若将其河道粗糙特征的系数与曼宁糙率系数建立关系,同样能够适用于水流阻力计算。对于动床阻力问题,众多学者已认识到水流强度、河床形态的变化及流体中含沙浓度的重要影响,也通过不同角度建立了一些经验或半经验公式。为能找出实用性强或精度高的计算公式,还必须注重分析水流、河床与泥沙运动之间相互影响的内在机理,尤其需要在各种因子的影响机理及计算途径上开展深入研究。     

含植物河道等效床面阻力试验研究

植物广泛存在于滩地和河槽中,可有效改善水环境,但同时也增加了水流阻力。通常采用不同材料的棍状物或仿生植物模拟实际植物进行试验研究,将植物阻力附加于床面上与原床面阻力一起构成等效床面阻力,因模拟实际植物的不相似导致含植物河道等效床面阻力的研究不够完善。本文提出了对实际植物分区施加实际流速条件进行试验的思路,即按河道现场调研的植物密度布置,沿横向和垂向对河道横断面分区,对实际植物区域施加实际流速条件,试验研究分区水体中的植物阻力,最后换算得到表征等效床面阻力的等效床面糙率。以独流减河上游河道为对象,选用乔木、灌木和芦苇三种典型植物,考虑河道横断面不同分区的流速条件进行了试验,结果表明,当遭遇100年一遇洪水时,乔木种植区域的等效床面糙率为0.060～0.066,灌木种植区域的等效床面糙率为0.083～0.099,芦苇种植区域的等效床面糙率为0.698～0.989。研究成果可为防洪计算和水环境治理提供理论支持。     

封冻河道的阻力研究

冰盖引起的流动阻力是研究河冰生消演变及其运动规律的关键问题之一。封冻阻力使河流水位壅高、过流能力降低、水位流量关系改变。本文应用 Prandtl半经验紊流理论，推导得到封冻河道水力要素间的理论关系表达式，并对冰盖影响区与床面影响区的交界位置进行了分析讨论；对由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法进行了研究，并与现场实测资料进行了验证。     

黄河下游河道水流摩阻特性的研究

在前人研究成果的基础上，引入水力摩阻厚度的概念，经理论推导与分析，导出了糙率计算公式，并进一步综合考虑了沙波尺度及沙波波速对水流摩阻特性的影响，建立了一套计算黄河铁谢至孙口河动床糙率的方法。该方法既能反映水力泥沙因子变化的影响，又能反映天然河道中各种附加糙度的影响，具有较大的应用价值。     

黄河下游滩区水动力条件及阻力特性变化分析

黄河下游滩地是蓄滞洪水的主要场所，滩区边界的条件对滩区水动力条件和阻力特性产生了较大影响，通过系统分析漫滩洪水期典型滩区实测资料表明，近年来滩区阻力建筑物增多，局部水头损失增大，水动力作用明显减弱，滩区水面比降仅为大河比降的1/3～1/2。同时；滩区面积增大，植被增加，滩地阻力也增大，若直接采用大河比降反求滩区糙率系数，结果比实际糙率偏大很多。因此在用水文学和水动力这学数学模型进行黄河下游排洪能力计算过程中，应注意滩区比降与糙率的率定及匹配。     

峡谷河道综合糙率变化规律的预报

本文揭示了峡谷与宽谷河道水流结构特性与阻力损失的机理和同异，指出前者的综合糙率常比后者大1－3倍，其原因除了通常认识的周界粗糙度不同有影响外，主要因素是河型和断面形态（B／H）不同，紊流涡体的产生、规模、强度和分布不同，集中表现在水流内部结构不同所引起的能损不同的结果。论证了阻力系数公式（5）仍可用于三维水流。但卡门常数K值不再是0.4；峡谷河道水流的K值可用式（8）或式（9）求解。宽阔河道水流的K值可用文献的公式计算，在动床水流中，K不仅是表征流速分布变化的一个系数，也是衡量水流阻力系数变化和床面形态定性变化的一个指标，是阻力系数的重要组成部门。引入紊流能损理论（即K值的变化）之后，水流阻力变化规律便与水流结构变化和床面形态变化建立起有机的联系，取得了与实测值基本一致的结果，解决了现有的糙度阻力系数公式无法求解超高（低）阻力的难题。     

山区河道水流阻力研究进展

山区河道水流阻力研究对于认识山区河道中水流特性、山洪行进过程以及山区河道输沙规律都具有重要的意义.本文从4个方面总结前人关于山区河道水流阻力方面的研究进展,包括:(1)泥沙阻力;(2)河道底坡与水流阻力的关系;(3)典型形体阻力;(4)阻力划分.其中泥沙阻力是肤面阻力的主要来源,这是以往研究中涉及较多的内容;河道底坡属于关注较多的形体阻力;其它形体阻力包括床面沙石突起、漂浮的树木、阶梯—深潭构造等均是山区河道所特有的,研究成果相对较少.阻力划分思想为从整体上得到具有普遍意义的阻力计算式提供了有效途径,但由于山区河道的阻力形成机制和物理来源尚未完全理清,使其应用受到一定的限制.今后还需在深入了解山区河道水流阻力机理的基础上,采用阻力划分方法对阻力系数量化做进一步的研究.     

关于北江下游河道保证流量的探讨

北江下游石角站河道防洪安全保证流量为18 800 m3/s,在防洪调度方面不宜超越;以飞来峡站控制,枯水期北江下游维持航运、发电、供水、河流生态等功能相应保证流量为160~340 m3/s,建议利用飞来峡水库调节后飞来峡站最小流量:平水年为220~300 m3/s,枯水年为190~250 m3/s,特枯水年为170~220 m3/s;河流动力保证流量为860~9 400 m3/s,要重视小洪水敝泄调度。     

黄河下游糙率奇小的原因分析

在系统回顾已有成果的基础上,通过理论分析和实测资料计算,对黄河下游糙率奇小的原因进行了探索,认为黄河下游糙率之所以小到脱离原有物理含义的程度,其主要原因有:①采用曼宁公式来反求糙率;②含沙量引起流速分布图形改变,具有"减阻作用";③黄河下游水文泥沙测验精度较差,尤其水面比降难以观察,从而直接影响由曼宁公式反求糙率系数的精度。     

凉水河水环境治理生物填料对河道阻力的影响

结合北京市凉水河水环境治理工程,利用水槽试验,研究河道布设生物填料后,其阻力特性的变化规律.分析了水槽中布设单排、双排生物填料,在不同生物填料高度、流量等运行条件下,水槽综合糙率系数的变化规律;定量提出生物填料相对高度与综合糙率系数的相关关系.并根据凉水河河道水力参数及布设的生物填料数量、高度等参数,提出凉水河布设生物填料后的综合糙率系数值,为论证凉水河水环境治理工程是否影响河道行洪安全提供技术依据.     

冲积河床的河床阻力

本文利用520组水槽实验资料对修正的Engelund-Fredsoe(1982)床面阻力公式进行了检验，该公式虽然反映了阻力变化的趋势，但公式的总体精度有待进一步提高。作者通过分析影响床面阻力的水沙因子，利用泥沙实验数据建立了新的床面阻力公式，并利用第一作者收集整理的国内外2261组水槽实验资料和592组河渠观测资料进行了检验，检验结果表明该公式的精度令人满意     

分汊型河道潜洲阻力特性的试验研究

利用含潜洲结构的分汊河道模型,对潜洲阻力特性进行了试验研究.结果表明:①对于断面形状固定的河道,其糙率系数并不为常数,而是随均匀流水深、流量、断面平均流速以及雷诺数等水力要素的变化而变化;②对于不同床面布置的河道,其糙率系数也不为常数,而是随床面布置的变化而改变.     

河流动床阻力影响参数分析及其计算研究

动床阻力计算对河流研究和工程问题解决十分重要。自20世纪中叶起利用现代水力学知识计算动床阻力的方法陆续出现,本文对现有成果进行了分析评述,并对经典的Einstein和钱宁等阻力计算方法进行剖析,发现基于水力半径分割假说建立的动床阻力算法,不适用于研究主要由悬移质输沙强度决定床面形态的水流阻力问题。为此,本文首先选取有代表性的基本物理量,同实测糙率值进行相关性分析,确定出主参数;通过数据分析确定水深和能坡的指数后,运用造床流量下床沙中值粒径公式计算河床比降;基于能坡I计算需体现河床比降主导影响的同时应考虑边岸局部水头损失作用的认识,给出能坡修正式,再引入能体现沙粒和含沙量对动床摩阻的影响的因子,建立了动床阻力计算新方法。大量实测资料验证结果表明,本文公式计算精度高,适用性强。     

变态河工模型中的水流阻力相似分析

通过钱塘江河口闻家堰河段水文测验资料,得到了该河段的水流阻力损失的构成、各种阻力损失的大小以及该河段的河床糙率系数,同时对变态河工模型中的糙率相似问题进行了深入探讨.理论分析和模型验证结果表明,河工模型在几何相似满足的前提下,只需满足河床糙率相似,即可基本满足模型中水流阻力的相似问题.     

东江下游及三角洲河道糙率分析

２０世纪８０年代以来,珠江三角洲水文情势发生了显著的变化。为研究东江下游及三角洲河网河道特性,基于河床演变、主要水文站Ｈ－Ｑ曲线、比降与糙率的比值系数等分析结果,建立一维河网数学模型,推求基于１９９７年实测地形的河道综合糙率系数。结果表明:河床下切致使主要控制水文站博罗站Ｈ－Ｑ曲线呈不断下降,利用历史Ｋ值推求的博罗站Ｈ－Ｑ曲线高水部分相对合理。东江三角洲河道糙率在三角洲顶部较大,三角洲下部河道糙率较小,河段糙率在０．０２～０．０３之间,糙率取值与１９８９年水面线基本一致。本次水面线选取的石龙汊口附近糙率较大,这与该处河道床面坡降较大有关。     

动床阻力研究与应用

动床阻力随床面形态的变化而变化,而床面形态又是水流强度的函数,Simons将两者关系分为三个流区,即低水流区、过渡区和高水流区.不同流区阻力特性和规律是不相同的,正确和合理地判别流区是正确确定阻力关系的先决条件.此文在Browline研究的基础上,进一步分析了影响床面形态的基本要素,提出了在第一时间判别流区的方法,建立了各区阻力关系式,并利用长江和黄河实测资料和水槽试验资料进行了预报计算,其精度优于其它同类公式.     

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.     

黄河冲积河道动床阻力,冲淤特性与输沙特性形成机理探讨

根据对冲积河道实测资料的分析，论述了河槽水力几何形态、动床阻力特性，床沙与悬沙不同的水力特性与冲淤特性之间的密切关系，阐明了造成窄深河槽“多来多排”的力学基础，指出底沙运动速度滞后于洪水波传播速度是造成涨冲落淤的主要原因，ｄ５０＝０．０５～０．１ｍｍ的粗沙在洪水期也能顺利输送。     

冰覆盖下河道水流特性及床面高程的研究

本文对冰覆盖下的河道水流进行了区域划分,给出了区域分界面上的水流条件。应用水力学中的一些基本概念和基本原理,对冰覆盖下河道水流阻力、水流流速、切力、能坡及床面高程等问题进行了研究,给出了它们的物理概念和计算公式,并用实验观测资料进行了验证,结果令人满意。     

含植物河道曼宁阻力系数的研究

含植物河道的水流阻力不仅仅来源于边壁,传统的曼宁公式不能够直接用来计算这种河道的糙率。本文基于水流阻力等效原则,首次提出了一系列等效水力参数的概念,建立了等效综合曼宁糙率系数和等效植物附加曼宁系数的计算公式,并给出了能否使用水深代替水力半径的判别参数。使用刚性圆柱棒进行水槽试验,对植物在非淹没和淹没条件下的曼宁系数进行了计算和比较。试验结果验证了理论分析提出的关于判别参数的结论,并且表明使用水深计算的糙率在植物非淹没条件下可以用来表示植物引起的附加阻力。本文提出的等效综合曼宁糙率系数计算公式包含了植物的物理特性,因此具有普遍的应用价值,可以用来进行实际工程中糙率的计算。