底孔前散体泥沙冲刷漏斗形态研究

本文通过清水动床模型试验,探讨了底孔前散体泥沙冲刷漏斗形成的物理机理;从孔前泥沙受力分析出发,由试验和野外实测资料得到了可以运用于工程实际的孔前冲刷深度的计算公式;接着从理论上分析、并用水流结构试验论证了当坝前壅水、上游无推移质补给时,漏斗坡角接近于泥沙的水下休止角并保持稳定;再由试验得到不同粒径散体天然沙水下休止角的经验公式,从而对壅水情况下底孔前冲刷漏斗形态问题,给出了一套可行的解决办法,可为大中型水电站排沙底孔的设计提供必要的参考.     

岸坡稳定分析中休止角的运用

从泥沙水下楔入堆积模式出发,建立了动水中的黏性与散体均匀沙休止角计算公式,运用所得公式推导出河岸的临界边坡方程。计算分析表明：所得方程能在一定程度上揭示水流与河床间的交互作用,能解释各种岸坡的形成原因,对岸坡稳定性问题的分析有所帮助。     

深水孔口前冲刷漏斗形态研究

本文通过清水动床模型试验,探讨了漏斗形成的物理机理;从孔前泥沙受力分析出发,由塑料沙、天然沙、电木粉所作漏斗试验和野外实测资料的分析,得到了可以运用于工程实际的孔前冲刷深度的计算公式;接着从理论上分析、并用水流结构试验论证了当坝前壅水、上游无推移质补给时,漏斗的坡角接近于泥沙的水下休止角并将保持稳定;进而测定了粒径范围较广的天然沙和漏斗模型试验中使用的轻质沙的水下休止角,得到了不同粒径散粒体天然沙水下休止角的计算公式;从而对壅水情况下的漏斗形态问题,给出了一种可行的计算方法.另外,还对泄流规模较大时,常常出现的较缓漏斗的形成条件及主要特点作了粗略分析,阐述了这种较缓漏斗与溯源冲刷的共性与差异.     

均匀切变水流对黏性细颗粒泥沙絮凝的影响研究

黏性细颗粒泥沙的絮凝是河流动力学中一个重要且尚未完善的研究课题。本文以分形聚集生长理论为基础,考虑了絮团破碎、泥沙浓度等因素的影响,使用三维无网格方法,在MATLAB平台上通过模拟泥沙颗粒和絮团在布朗运动、重力沉降和均匀切变水流作用下的碰撞黏结过程,研究了水流剪切作用对黏性细颗粒泥沙絮凝的影响。研究结果表明：水流作用可提高颗粒之间的碰撞几率,促进絮凝,但高水流剪切力作用下絮团破碎现象明显,因此,水流速度梯度的大小对细颗粒泥沙的絮凝有一定的影响,即絮凝速度及絮团平均粒径随水流流速梯度的增大呈先增后减的规律;均匀切变水流作用下,絮团粒径分布均匀化,絮团在垂直水流方向上发育较好且分形维数较大。本文研究成果是进一步研究天然河道中黏性细颗粒泥沙絮凝机理的成功尝试。     

一种塑料模型沙运动特性试验

对一种复合塑料模型沙的水下休止角、群体沉速、起动流速等运动特性进行了试验研究:使模型沙在静水中自然落淤成丘,通过几何关系可得水下休止角;将沙样按粒径分组进行单颗粒沉速试验,统计平均后再按质量加权得到模型沙群体沉速;在玻璃水槽中对5种水深下的泥沙起动流速进行了测量及经验公式验证。试验结果表明:该模型沙水下休止角为28.4°,较传统塑料沙、水下休止角范围大,具有较好的水下成形特性;对于该模型沙,其单颗粒沉速用W.W.Rubey公式计算精度较高,但群体沉速用中值粒径进行经验计算则精度不够,合理的代表粒径有待进一步研究;起动流速比传统塑料沙大,这与水下休止角试验是相符的,通过调整沙莫夫系数K,沙莫夫公式可较好地表述个别起动和少量起动的情况,大量起动时则不够精确。     

泥沙对挟沙水流流动结构影响的研究

应用MicroADV研究了不同粒径的泥沙颗粒在不同水力条件下对水流流动结构的影响。实验发现：挟沙水流流动结构的变化不仅与颗粒的大小密切相关，而且与水流流动条件有关，颗粒对水流结构的影响随着水力条件的变化而改变：在强水流条件下，不论粗、中、细泥沙都不改变主流区的流速分布及紊动强度；在中等强度水流条件下，粗、中、细三种颗粒的加入都使流速大于相同条件的清水水流，而其紊动强度则较清水水流低；在弱水流条件下，三种颗粒的加入都不改变水流的流速分布，但粗颗粒使水流紊动强度显著增大，而中、细颗粒基本不改变其紊动强度。     

床沙粒径及级配对非均匀沙起动的影响分析

对Wu W.等的荫暴系数计算方法进行了修正,根据滚动起动模型建立了以荫暴系数为主要参数的起动底流速公式,在此基础上理论探讨了暴露程度、床沙各分组泥沙粒径及其质量比对泥沙起动的影响,并论述了非均匀沙起动中完全暴露、完全荫蔽和极限跃移3种极限起动情况。结果表明:1非均匀沙起动底流速随着荫暴系数的增大而减小,荫暴系数越大,泥沙越容易起动;2在由两种粒径泥沙组成的非均匀沙中,粗颗粒的荫暴系数在定义域上均随着细颗粒床沙比例和粗细颗粒比例的增大而增大,即细颗粒比例越大,粗细颗粒间粒径差异越大,粗颗粒越容易起动;细颗粒的荫暴系数在定义域上随着细颗粒床沙比例的增大而增大、粗细颗粒比例的增大而减小,即细颗粒的比例愈大,细颗粒愈容易起动,且起动规律渐趋于和均匀沙的相仿,粗细颗粒粒径相差愈大,细颗粒受到的荫蔽作用愈显著,其起动流速也愈大。     

长江口非均匀细颗粒粘性泥沙扬动流速

泥沙的扬动流速是指泥沙颗粒跃起后不再回落到床面,而是悬浮于水中,并随水流运动前进时的临界流速.在4次野外调查的基础上,基于扬动流一般公式,对长江口区流向稳定时期同步观测的垂线平均流速、底部悬沙粒径、水深和泥沙沉速等数据进行回归分析,拟合长江口区非均匀细颗粒粘性泥沙杨动流速公式,相关系数达0.85以上.经该公式计算的长江口非均匀细颗粒粘性泥沙扬动流速值大于已有公式计算值.     

粘性～散体均匀沙的动水休止角公式

该文基于均匀沙的楔入堆积模式,考虑粘结力及动水作用等影响,建立了相应的力学平衡方程.由此获得了粘性～散体均匀沙的动水休止角计算公式;该式较为全面地包含了影响动水休止角的主要因素;计算分析表明,公式所反映的规律与实际情况较为接近,可为沙波运动、河相关系等相关后续研究提供参考,具有实用价值.     

竹粉模型沙特性试验研究

对竹粉模型沙物理特性(容重、干容重、水下休止角等)和运动特性(沉速、起动流速和糙率)分别进行了试验研究。物理特性试验表明:其容重受粒径变化影响较小;干容重随粒径增大而增大;水下休止角随粒径增大而减小,并提出计算竹粉模型沙水下休止角的经验公式。运动特性试验表明:竹粉单颗粒沉速随粒径增大而增大,相对沉速随含沙浓度增加先增大后减小;起动流速随粒径增大而增大,随水深增大而增大,并提出估算竹粉模型沙起动流速的经验公式;糙率随水深增大而减小,随流速增大而增大。     

散粒体斜坡失稳破坏内部因素试验研究

影响散粒体斜坡稳定性的诸多因素中,外部因素起到诱导作用,内部因素则起到主导作用,其中天然休止角对散粒体斜坡的稳定性起到控制作用。故配制4种不同级配样品(1＜C_u≤7),模型架上模拟散粒体的堆积失稳过程表明休止角的大小随颗粒不均匀系数的增大而增大;休止角的大小随浑圆度的增大有增大的趋势,浑圆度为1.14～1.40,休止角的增长速率较低,浑圆度达到1.40以后增长速率较高;休止角的大小随m值增大先增大后减小,而后趋于稳定;休止角整体上随c,φ的增大而增大,但在起初阶段变化较为缓慢。最后运用多元线性回归理论线性拟合以上5种内部因素,建立散粒体斜坡天然休止角的估算模型,通过验证证明了该模型的准确性。     

溜砂坡防治措施之棚硐和挡砂墙工程研究

通过室外物理模拟实验,针对溜砂坡防治工程,模拟棚硐和挡砂墙防治措施,初步探讨了棚硐顶面坡度与坡体排砂效果关系,挡砂墙墙背土压力分布状况。实验结果表明:棚硐板的设置角度应比野外溜砂坡的天然休止角大约1°,能达到最佳的排砂效果;溜砂坡的不均匀系数越大,墙背土压力越大,降雨过后挡砂墙后主动土压力降低,散粒体粘聚力增加。更多还原     

Turbulence structure and bank erosion process in a dredged channel

Riverbank erosion has significant geomorphological as well as anthropogenic consequences. The geomorphological impacts include form changes such as lateral channel migration, meanders, channel expansion, etc. The anthropogenic effects include the threat to floodplain human habitation, agricultural land, and stability of instream hydraulic structures and buried pipelines. Channel dredging for the extraction of sand and gravel has seen a multi-fold rise in the last few decades. Therefore, riverbank erosion response to channel mining gains importance in river basin management. Sandpits dredged in the riverbeds can significantly impact the downstream riverbank stability. In order to assess these impacts, we conducted a series of experiments at a laboratory scale in a recirculating water flume. Three riverbank slopes, 25° (gentle), 31° (equal to the angle of repose of the bank sediments), and 40° (steeper than the angle of repose), were tested along with a sandpit. Remarkable changes in the turbulence structure of riverbank flow were found due to the channel pit. Pit excavation directly impacts the fluvial erosion characteristics of the riverbank. Pit action increases the Reynolds shear stress fields in the near-bank flow, which causes progressive fluvial erosion of the berm at the bank toe. The erosivity of the main channel flow in the riverbank also leads to channel degradation, which increases the exposed height of the bank slope. Pit dredging leads to the generation of stronger ejection bursts which provide a mechanism for berm sediment mobility and erosion. The hydro morphological response of the riverbank due to sand mining was analysed, and process understandings are presented in the paper.     

三峡坝区非粘性均匀花岗岩砂粒起动条件研究

由花岗岩风化而成的砂粒质地粗，石英、长石颗粒的粒径较大。通过实验室对非粘性均匀花岗岩砂粒起动条件研究，得到特定条件下不同砂粒粒径在薄层水流紊流流态时的起动流速。实验结果表明，同一粒径组的非粘性花岗岩风化砂粒随底坡坡度的增加其起动流速变小；同一边界条件时，细粒砂随坡度的增加，其起动流速降低幅度较小，相应地随着砂粒粒径变大坡度增加时，其起动流速降低幅度较大。     

丁坝局部冲刷坑形态演变及冲刷平衡临界条件

丁坝局部冲刷坑垂向冲深、平面宽度及上下游边坡构成了冲刷坑几何形态的三维特征。局部冲刷达到平衡状态时,冲刷坑上下游边坡保持相对稳定的斜率。其与泥沙颗粒水下休止角大小及冲刷平衡临界条件的关系仍不太明确。一系列清水冲刷试验表明,不同来流强度条件下冲深与展宽速率存在非对称特征,坝体上下游边坡斜率随时间演变振荡衰减至相对稳定坡度。坝体上游坡度均较下游陡,比值近似常量为0.5。边坡斜率略小于泥沙颗粒水下休止角,比值下限近似为常量0.7。     

STUDY ON THE ANGLE OF REPOSE OF NONUNIFORM SEDIMENT

A conception of exposure degree is used in this article to account for the hiding and exposure mechanism of nonuniform sediment transport. The force arms of particles on the bed slope are assumed to be a function of the exposure degree, which is stochastically related to the size and gradation of bed materials. Based on this conception, the formula for the angle of repose of nonuniform sediment is developed. The angle of repose of nonuniform sediment is experimentally investigated in rotation drum at the rolling motion of sediment particles. The nonuniform sediment is gotten from the mixture of two kinds of uniform sediment with different weight ratios and two experimental plans that one for changing the weight ratio of two kinds of uniform sediment from 1:9 to 9:1 and the other changing the uniform sediment size and weight ratio are used. The effect of the rotation speed and the filling degree on the angle of repose is investigated, too. Finally, the formula has been tested against a wide range of laboratory data, the prediction by the newly proposed formulas is very good.     

不同正压力下钙质砂颗粒剪切破碎特性分析

钙质砂受力后易产生颗粒破碎,从而使其力学性质发生变化。对取自我国南沙某岛礁的钙质砂样进行了不同正压力下的直剪试验。分析了钙质砂颗粒剪切破碎特性,并就不同试验压力下剪切后钙质砂样的颗粒破碎程度通过筛分试验进行了粒径级配分析。结果表明,在不同正压力下进行直剪试验,钙质砂存在一定的颗粒破碎现象,随着正压力增大,颗粒破碎越来越严重;由于钙质砂颗粒破碎的影响,剪切后钙质砂的颗粒级配性质发生改变,随正压力增大钙质砂由级配良好逐渐变得级配不良。钙质砂直剪试验强度包络线为峰值强度包络线,而非残余强度包络线。钙质砂残余强度的摩擦角数值等于或接近砂的天然休止角。从工程安全角度考虑,选用钙质砂的内摩擦角应等于或接近天然休止角。     

沙质床面河道演化过程湿润带渗流规律试验分析

为揭示试验室条件下无黏性沙质河道演变过程中河床湿润带的渗流规律,设计循环水槽装置系统,通过控制床沙粒径、入流流量、床面坡降及河岸植被覆盖率4个变化参量,分析不同因素对河床渗流的影响以及河床湿润带含水率的时空变化。结果表明：颗粒粒径及床面坡降对渗流流量的影响较大,粗沙的渗透性远大于细沙,流域坡降与渗流流量成正比;初始含水率对渗流有重要影响,床面初始含水率较小时,渗流流量偏大;对于河道演变试验,当床沙、坡降、河岸植被等流域控制因素一定时,系统存在相对饱和渗流流量;当流量大于相对饱和渗流流量时,渗流流量将保持相对稳定。此外,床面含水率在时间尺度上变化较小,而在空间尺度上呈区域阶梯变化。     

无黏性沙质床面上冲积河湾形成和演变规律自然模型试验研究

采用无黏性中粗沙进行河流演变的自然模型试验,通过调整流量、初始河道形态等在室内模型河流中进行河湾塑造的尝试,分析冲积河流河道展宽规律,另外对典型河湾的演变规律进行试验研究。研究表明,河道的横向稳定性是河湾发育的重要条件,试验中泥沙抗冲能力的低弱使得河岸的稳定性难以保持,致使河流向分汉、游荡和辫状河型的方向发展;河岸后退的方式不但与河岸土体抗冲能力有关,而且与当地河道水动力特性和河岸坡降等因素有关;河道展宽速率反映了河流断面与水流条件不相协调的程度,随时间呈指数下降趋势,河流横断面演变所需的时间尺度远小于横向摆动所需的时间尺度;典型的河湾形态以局部扰动引起河岸失稳的方式横向发展。