沙波尺度和运动速度与水力泥沙因素的关系

沙波运动是冲积河流泥沙运动的一种重要形式。沙波的消长对河道水流的阻力损失有很大的影响。研究沙波的运动规律对研究泥沙运动、河床演变和河道整治具有十分重要的意义。本文对国内外有关水槽与天然河道实测顺行沙波资料进行了分析研究,提出了计算沙波波高及波速和推移质单宽输沙率的公式。     

推移质输沙率计算公式分析

基于推移质运动滞后于水流运动的特点,提出推移质运动所需能量与推移质相对水流的速度成正比,与悬移质悬浮功概念一致,推导了推移质输沙率公式。应用实验资料和河道实测资料对公式及其参数进行了验证,计算结果表明,所建公式计算精度较高,可用于以推移质为主要运动形式或全沙的输沙率计算。     

山区河流浅水条件下漂石对河床响应与泥沙补给影响的试验研究

受暴雨洪水与滑坡、泥石流灾害的影响,山区河流床沙多为宽级配卵砾石泥沙,甚至出现较多的漂石,从而影响近底水流结构与推移质输移特性。基于野外漂石河流的调查,通过概化试验,探讨了漂石颗粒对河床冲淤的影响;对比分析了不同水沙条件下漂石对推移质输沙率过程的影响;根据床面粗化程度与漂石状态相异的两种类型对比试验,探讨了漂石对不同水沙条件下推移质输沙率的影响程度。初步表明：随着漂石颗粒相对暴露度（D/h,漂石等效粒径与平均水深之比）的减少,漂石对其尾部区域水流的混掺越加突出,从而对河床的冲刷能力变大;根据本试验采用的水沙参数,漂石对推移质输沙率的扩大效应为几倍至十几倍。     

粗化层破坏过程中的最大推移质输沙率试验研究

为了探讨清水冲刷与粗化层破坏过程中的推移质输沙率与水流强度的相关关系,进行了清水冲刷与粗化层破坏的概化试验研究.清水冲刷与粗化层破坏过程中的推移质输沙率峰值相应的无量纲输沙强度随水流强度的增大而增大,其增速较梅叶-彼德公式、拜格诺公式、恩格隆公式的计算结果明显偏大.采用梅叶-彼德公式相同的形式,通过回归得到了清水冲刷与粗化层破坏过程中的推移质输沙率峰值相应的无量纲输沙强度与水流强度的相关关系.这一成果对受清水冲刷时间较长河段的河床冲刷保护与取水防沙等有一定的参考价值.     

非均匀推移质输移特性研究

在非均匀推移质输移机理的基础上, 通过理论分析、推导及计算,得到泥沙起动无量刚最小临界切应力参数θ0值为0.02。提出了一种计算推移质输沙率的方法及公式,该公式表明,在水流强度一定时,输沙率并非为一个常量,而是随颗粒在床面的相对暴露度而变。根据平衡输沙时θ0的最小取值,得到平衡输沙时推移质泥沙颗粒最大粒径dc max的计算式,在此基础上提出了一种计算推移质级配的方法。验证结果表明计算与实测资料符合较好。     

双峰型床沙推移质输沙率

本文采用拜格诺水流功率的概念,由量纲分析得出双峰型床沙推移质输沙率的函数关系。对实验资料进行回归分析,求出了双峰型床沙无量纲推移质输沙率和无量纲的单位水流功率间的关系。文中对双峰型床沙代表粒径的选取,临界起动功率的计算作了一定的探讨,对双峰型床沙推移质输沙率和单峰型床沙推移质输沙率进行了比较,并分析了双峰型床沙推移质级配随水流条件的变化。     

非均匀沙的运动特性与规律

在理论分析及前人试验结果的基础上,从非均匀沙的起动条件及机理、挟沙力及推移质输沙率的计算方法、悬移质不平衡输沙等方面分析了非均匀沙的运动特性,根据非均匀沙推移质输沙率公式分析了同一启动标准条件下输沙率的变化规律及输沙率变化的影响因素.     

溪洛渡水电站导流洞卵石推移质采样方案及其输沙特性

溪洛渡水电站位于金沙江下游,水流流速大,挟沙能力强,本文结合溪洛渡水电站导流洞推移质情况,开展了高速挟沙水流条件下卵石推移质测验方案的试验研究,提出了溪洛渡水电站卵石推移质测验方案即缆道悬挂采样器加拉偏的方式进行测量并予以实施。测验成果表明,金沙江溪洛渡6#导流洞河段存在河床卵石运动情况,而且推移量很大。根据导流洞实测水沙运动资料,揭示了溪洛渡水电站导流洞卵石推移质的输移特性,并建立了卵石推移质输沙率与流量的经验关系。     

清水作用下全动床复式河槽泥沙输移特性及其模拟

推移质运动是河流动力学的基本问题之一,通过水槽试验探讨了清水作用下全动床复式河槽泥沙的输移特性,并通过理论分析提出了该类河道的推移质输沙率的计算方法.试验表明:在清水作用下全动床复式河槽推移质输沙率先随时间单调递增,而后随时间单调递减;推移质中值粒径先随时间大幅度增大,后随着时间的增加中值粒径增大的幅度减小,最终将趋于初始床沙中值粒径.根据推移质输沙率的变化特性,运用仙农熵的概念与理论,通过最大熵原理和变分法推导了河道粗化过程中的推移质输沙率公式,并对该公式参数的敏感性进行了分析.计算结果表明,该公式可以模拟全动床复式河槽河道粗化过程中的输沙率随时间的变化特性.     

来沙条件变化对河床形态及推移质运动的影响研究

针对山区河流来沙条件不确定性导致的河流形态变化问题,根据J.G.Venditti的系列来沙条件变化水槽试验成果,引入无量纲参数河床结构强度Sp,充分考虑推移质泥沙运动特性,探讨来沙条件变化对卵石河床形态、推移质输沙率和河床级配的影响。结果表明:在已经粗化的河床上加入细沙会对河床形态、推移质输沙率和河床级配产生影响。加入细沙会造成河床重新出现冲淤变化,底坡变大,冲刷变严重,最终降低河床结构强度Sp;加沙会增大推移质输沙率,其中中值粒径为3 mm的细沙运动表现为行进推移质,而中值粒径为8 mm的粗沙运动表现为结构推移质;加入细沙后会细化河床,且加入的粒径越小,细化效果越明显,加入中值粒径为3 mm的细沙后推移质的中值粒径先减小后增大,与加入中值粒径为8 mm的粗沙相反。     

长江宜昌站沙质推移质输沙规律

现有几家起动公式中的K值不能够准确预测长江宜昌站沙质推移质输沙规律。对宜昌站1956年到1964年和1973年到1974年11年的246组沙质推移质实测水力、泥沙因子资料进行统计分析,将沙质泥沙近似作为均匀沙处理,从均匀沙的起动特点出发,通过分析泥沙颗粒受力和起动模式推导得出宜昌站沙质推移质起动公式,并且公式中的K值随着流量的变化而变化,呈指数分布。在此基础上进而建立了适合宜昌站沙质推移质输沙率公式,并用宜昌站1975年沙质推移质资料对公式进行验证,按公式计算的起动流速和输沙率与实测值比较,获得满意结果。     

来沙条件变化对河床形态及推移质运动的影响

摘要：针对山区河流的来沙条件的不确定性导致的河流形态变化的问题,根据J . G. Venditti的系列来沙条件变化水槽试验成果,引入无量纲参数河床结构强度Sp,充分考虑推移质泥沙运动特性,探讨了来沙条件变化对卵石河床形态、推移质输沙率和河床级配的影响。结果表明:在已经粗化的河床上加入细沙会对河床形态、推移质输沙率和河床级配产生影响。加入细沙会造成河床重新出现冲淤变化,底坡变大,冲刷变严重,最终降低河床结构强度Sp;加沙会增大推移质输沙率,其中中值粒径为3mm的细沙运动表现为行进推移质,而中值粒径为8mm的粗沙运动表现为结构推移质;加入细沙后会细化河床,且加入的粒径越小,细化效果越明显,加入中值粒径为3mm的细沙后推移质的中值粒径先减小后增大,与加入中值粒径为8mm的粗沙后推移质的中值粒径先增大后减小相反。     

Coupling mechanism of mathematical models for sediment transport based on characteristic theory

This paper aims to explore the coupling mechanism between flow movement, sediment transport and riverbed evolution in currently widely used mathematical models for sediment transport. Based on characteristic theory, analytic forms of eigenvalues, eigenvectors and characteristic relationships of total-sediment transport model, bed-load transport model and suspened- load transport model were derived, respectively. The singular perturbation technology was implemented to obtain the asymptotic solutions to different families of eigenvalues. The results indicate that, interactions between motion variables were explicitly coupled in the characteristics of total-sediment transport model and bed-load transport model. Further qualitative and quantitative analysis demonstrates that high sediment transport intensity and significant riverbed change will inevitably affect the property of flow movement. In the process of deposition, sediment-laden flow will move faster when sediment transport intensity becomes stronger. In contrast, the wave of flow will propagate at slower speed as erosion intensity becomes stronger. For most existing suspended-load transport models, however, the characteristics are decoupled as the interactions between motion variables cannot be integrally illustrated in eigenvalues, eigenvectors and characteristic relationship.     

基于雅鲁藏布江辫状河流的洪峰流量输沙变异数值模拟

该研究根据雅江中游辫状河流平面形态建立输沙地形,构建了可用于辫状河流输沙模拟的数学模型。数值计算采用二维水动力学和非粘性泥沙耦合模型对辫状河流中泥沙输运规律进行模拟研究,模型基于不可压缩雷诺平均N-S方程,模型中包括连续方程、动量方程、河床面变形方程、全沙输沙方程。该数学模型通过全沙输移理论计算悬移质和推移质输沙率。当模拟洪峰流量时,辫状河流出口含沙过程和悬移质输沙过程峰值滞后于入流过程,形成相位差,泥沙粒径越小,相位差越小,0.01mm和0.02mm泥沙相位差接近0,出口悬移质输沙率产生的相位差小于含沙量;0.3mm、0.2mm和0.1mm泥沙在辫状河流中淤积的淤积量超过50%。在计算泥沙输移的同时,考虑泥沙的启动、沉降淤积作用导致的地形更新,进而求解挟沙水流在辫状河流当中运动时对地形变化的影响,为天然辫状河流的研究预测建立一定的数值模拟基础。     

Numerical simulation of pollution process due to resuspension of bed materials adsorbing pollutants in alluvial rivers

Resuspension of bed materials absorbing pollutants potentially poses unpredictable challenges to water management in alluvial rivers and its mechanism of transport has not been widely recognized.In this study,a transport equation that defines the movement of pollutants adsorbed on the bed materials in the active bed layer is established,on the basis of mass conservation law and continuum theory.The transport equation is coupled into the 1-D mathematical model to numerically investigate water pollution process due to the scour of the bed sediment adsorbing pollutants.Comparisons with the situation in which the dynamics of the active bed layer is not considered indicate that the periodical evolution of the bed layer plays an innegligible role in the pollution process due to sediment re-suspension.Furthermore,comparisons of the results with available experimental observations are presented,and fairly good agreement is obtained.     

泥沙补给变化下山区河流河床适应性调整与突变响应

针对泥沙运动力学经典理论体系与天然山区河流推移质运动存在显著差异的若干基本问题,开展山区流域沙量补给条件变化下,山区河流河床调整与突变响应机理研究。揭示了泥沙补给条件对非均匀卵石起动、输移的影响特征和卵石沙量补给与山区河流沙波形成、碍航机理;探索了泥沙补给变化下陡坡河道水沙运动奇异特征和宽窄相间漫滩复式航槽河床突变响应现象。采用水沙错峰、水沙分离等集结降阶技术手段调控洪峰时段成灾河段卵石沙量补给条件,是山洪泥沙灾害致灾风险降阶防控的核心。     

两相泥石流运动过程中固体颗粒的分选

泥石流颗粒分选效应影响泥石流沿程侵蚀、运动距离、冲击力等运动和动力特性,对于泥石流的工程防治和危险性分析的研究具有重要意义。本文采用人工配制沙样,共进行了105组室内水槽实验,通过改变沟道物质组成、坡度及流量,研究泥石流颗粒物质分选规律。实验结果表明,泥石流龙头颗粒的分选性随砂粒含量、坡度、流量的上升,呈先上升后下降的趋势。为了综合考虑各因素的影响,定义分选比(R)为水流功(W)与泥沙颗粒水下重力(G＇)的函数。实验结果揭示出泥石流龙头颗粒物质的分选性随 上升,呈先上升后下降的趋势,最终建立并验证了描述泥石流龙头分选性的模型。     

水平井岩屑床层移运动的规律分析

在环空紊流场作用下岩屑床呈具有特定本构关系的浓缩流动介质．本文由岩屑床层移（剪切）运动的内在机理与物理模型出发，研究层移颗粒微观运动的能量平衡与交换，得到了层移床的本构关系和流动速度场方程，以及层移床转静止床的临界水力条件，层移岩屑床的最大厚度，岩屑床的流动能力与流动阻力．阻力方程中考虑了层移床的承压特点及其与环室内外壁的不同摩擦特性．结果表明层移床的结构应力导致其运动失去关于环空几何中心的对称性，流动中心向钻具侧偏移及层移岩屑床的显著增阻效应．