水库下游冲刷的数值模拟──模型的检验

文献（１）建立了水库了游冲刷的一维数学模型，模型考虑了非均匀悬移质不饱和输移，非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。本文利用系统的水槽试验资料及汉江丹江口水库水游，长江葛洲坝下游冲刷资料对文献（１）提出的模型进行了全面检验，检验结果表明，计算的冲淤量及沿横断面分布，出口断面含沙量过程，推移质输沙率，各河段床沙粗化过程及水位过程均与实测资料吻合较好。     

清水冲刷不连续宽级配床面阻力特性及输沙规律试验研究(Ⅱ)——输沙规律

以天然河床中广泛存在的不连续宽级配床沙为例,开展了清水冲刷水槽试验研究。通过水槽试验对清水冲刷不连续宽级配床面推移质输沙率衰减规律、推移质级配及推移质输沙率的计算进行了分析与探讨,得到了清水冲刷不连续宽级配床面的一系列输沙规律,揭示了不连续宽级配床面与连续宽级配床面输沙规律的联系,为进一步认识不连续宽级配床沙提供了基础。     

水库下游冲刷的数值模拟—模型的构造

由于水库下游冲刷过程中悬移质与推移质、推移质与河床质、河床质与悬移质交换机理及床沙粗化机理的复杂性,使得研究水库下游冲刷数学模型的难度较大。 为了研究水库下游冲刷、河床演变问题及由此而引起的对防洪、航运等造成的影响,本文建立了一维全沙数学模型,模型考虑了非均匀悬移质不饱和输移、非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。文中考虑了冲刷过程中挟沙能力的沿程调整,挟沙能力包括以下三个方面,即悬移质中细颗粒部分从累计效果看不参予与床沙交换(冲泻质),这部分泥沙全部计入挟沙能力;悬移质的粗颗粒部分落淤到床面与床沙交换后部分地计入挟沙能力;床沙中可悬浮部分从床面冲起后部分地计入挟沙能力。非均匀沙推移质输沙率公式考虑了床沙运动的随机性及床沙粗化对输沙率的影响。床沙级配的调整采用CARICHAR混合层模型。对计算中经常遇到的关键性问题提出了处理方法。     

不连续宽级配床沙推移质输沙率特性试验分析

通过水槽试验对不连续宽级配床沙的推移质输沙率进行试验研究.深入分析、探讨了不同水流强度及不同床沙组成对连续与不连续宽级配床沙输沙率的影响.在已有研究成果的基础上,构造了考虑床沙不均匀性的相对水流强度表达式,着重研究了相对水流强度与推移质输沙率函数的关系.利用试验资料对提出的表达式进行回归分析,确定了有关参数.最终确定的...     

宽级配泥沙分形特性及其输移规律试验研究

为了探寻宽级配泥沙粒度分形特性及其输移规律,通过水槽冲刷试验,分析了床沙和推移质的分形特征,并对不同床沙、不同流速条件下的泥沙粒度分维值进行了定量的计算和对比。结果表明:不论床沙还是推移质的级配都具有良好的统计自相似性,具有分形特征;级配是否连续对于粒度分维值的变化存在显著影响,床沙粗化后粒度分维值变小,且随着冲刷流速的增大,非连续级配时粒度分维值逐渐变小,而连续级配时粒度分维值逐渐变大。推移质粒度分维值与其所对应的中值粒径存在显著的负相关性。     

局部冲刷坑发展过程的泥沙输运特性

为揭示水流作用下沙质河床结构物周围床面冲刷过程中的泥沙输运特性,采用三维紊流、考虑推移质和悬移质运动的河床变形数值模拟,研究了清水冲刷和动床冲刷条件下,墩柱型结构物局部冲刷过程中悬移质和推移质泥沙输运贡献及其与马蹄涡流特征量、床面切应力以及泥沙悬浮指数的相关性。研究发现,清水冲刷条件下,悬移质输运占比较小,推移质泥沙输运占优;动床冲刷条件下,悬移质输运的贡献随悬浮指数的减小迅速增大;冲刷过程中悬移质和推移质输沙率与床面切应力变化趋势一致,结构物周围局部切应力的大小与马蹄涡涡量呈正相关关系。     

清水冲刷河床粗化数学模型

本文建立了大坝下游清水冲刷河床粗化一维数学模型。该模型考虑了非均匀推移质不平衡输移,并引入混合层模式用于模拟河床组成的变化。利用Preissmann隐式格式求解水流方程组,用显式格式求解河床变形方程及床沙级配调整方程。该模型侧重于模拟河床粗化过程,也能用于河床一维变形计算。利用我们做过的清水冲刷水槽实验资料对模型进行了全面的验证,取得了令人满意的结果。     

粗化层厚度及其级配的研究

在分析活动层与粗化层厚度关系的基础上,根据活动层沙量平衡原理,建立了粗化层级配预报一步和多步计算关系式,该模式不仅可以用来计算冲刷过程中床沙级配调整,还可以同时计算出冲刷剖面和推移质输沙率变化,适用于中、细沙河床.经部分中、细沙河床水槽试验资料检验,计算精度良好.     

非均匀推移质溯源冲刷规律研究

本文研究了溯源冲刷条件下床沙不均匀性对其冲刷强度的影响问题.水槽试验结果表明,非均匀床沙的冲刷强度随着其不均匀系数的加大而增加,并据此提出了绕流掀沙强度的概念,建立了考虑床沙级配影响的推移质输沙率计算公式和渠首排沙闸累积排沙量计算公式.理论公式与水槽试验结果吻合良好,与渠首实测资料基本相符.     

冲积河流混合活动层内床沙级配变化的动力学基本方程

本文将冲积河流混合活动层内床沙的交换、掺混概括为表层床沙与水中运动泥沙在床面附近湍流作用下的掺混交换和混合活动层中泥沙在沙波运动作用下的掺混交换过程，建立了冲积河流混合活动层内床沙级配变化的基本方程。该方程定量地反映了水流强度、床面沙波运动及河床冲淤变化与床沙级配变化的关系，描述了河床冲淤过程中床沙级配时空变化的动力学特性。文中还应用该方程，分析了河床冲刷粗化现象。     

松花江三姓浅滩航道整治的二维数值模拟研究

松花江三姓浅滩上段河床由沙质组成，但抄质覆盖层很薄，中下段底质坚硬由石质组成并有基岩裸露。本文以三姓浅滩航道整治工程为例．应用航道工程泥沙数学模型，由一期整治工程作用下的水面线、流场及河床变形资料率定模型中的糙率、推移质输移方程等，然后进行二期整治工程作用下的水流及河床变形模拟．并与实体模型试验资料进行了比较。     

平面二维河床变形的数值模拟

为了研究河道平面二维的河床变形问题，及由此而引起的对防洪、航运等造成的影响，本文给出出非均匀沙的平面二维全沙动床数学模型方程组，并考虑了移质不和饱和输移、非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。在求解水流泥沙运动方程时，采用控制体和只法及动边界技术，对水流速度场、悬移质浓度场及河床变形进行了数值模拟。该模型采用正交曲线网格来克服天然河道边界形状复杂、长度尺度相差悬殊以及由于水位波动引起计算边变化等等困     

山区宽窄相间河道不同流量下水流结构研究

为了研究山区河流宽窄相间河段不同流量下水流结构特性,以雅安宝兴河上游河段为研究对象,概化实际河道,并建立三维水流计算模型。结果表明①小流量下,窄段上游无明显壅水现象,宽窄相间河道显现出与顺直河道相似的特性,随着流量的增加,窄段上游壅水剧烈,宽段到窄段沿程断面平均流速呈现“增加—相对稳定—骤减—相对稳定—增加”的分布规律;②受河宽、壅水和回流影响,不同流量工况下宽段横断面的水流特性分布较窄段更加复杂,且在宽段的壅水区与非壅水区流速分布规律差异亦较大;③不同流量状况下,宽段床面剪切力剧烈变化将造成卵石沿程运动的不连续性,宽段河床呈现周期性往复发展的复归性变形,从而维持了宽段河床结构的稳定,而在窄段,河道在较大的床面剪切力长期作用下,形成了与周围环境相适应的河床结构,以消耗窄段较大的水流能量,从而保护河床的稳定。     

2-D NUMERICAL SIMULATION OF CRUSH BEDROCK RIVER

In this paper, the erosion-resisting coefficient was introduced to compute bed deformation in a crush bedrock river. In the case of crush bedrock, there has been no proper control equation to describe bed stability, which leads to difficulty in calculation of the bed deformation with conventional methods. The data from field survey were used to give the erosion-resisting capability with an appropriate coefficient. After the determination of longitudinal distribution expressed by polynomial regression and transversal distribution expressed by normal distribution function, the plane distribution of erosion-resisting coefficient in a crush bedrock river was obtained. With the computational results from a 2-D horizontal flow mathematical model, the erosion-resisting coefficient and controlling condition of local stability were employed to compute the values of bed deformation when riverbed is stable.The above method was applied in a case study, and the computational results of flow and bed deformations are in good agreement with physical model test data.     

沙质河床二维粗化数值模拟初探

沙质河床冲刷过程中河床变形、冲刷深度、悬移质含沙量恢复及床面级配等沿时空的变化与河床粗化紧密相关，只要对河床粗化机理和特性有较深认识才会对河床冲刷现象有较好的定量模拟。本文依据ADI算化原理，在交错网格上建立了非耦合非均匀不平衡输沙的平面二维非均匀沙水流挟沙力的计算方法和混合层计算模式。依据该模型所做的数值实验表明，模型能从定性上较好地模拟上述因素随时间沿纵横方向的变化，具有二维性，从理论和实践上进一步反映了数学模型能模拟河床冲刷过程中诸因素变化规律的潜力，并充分表明，正确预测冲刷河床变形的关系在于较好地模拟河床组成的粗化过程，对此，均匀沙模型是无能为力的。     

二维水沙模型在深圳港铜鼓航道选线研究中的应用

采用边界拟合坐标系下的水流基本方程和泥沙连续方程及河床变形方程,建立二维动边界非恒定水流泥沙数学模型。根据研究水域的泥沙特点及冲淤特性,分别处理冲淤系数,提出了实用的挟沙能力公式,并辅之于动边界技术,增强了模型的适应性和灵活性。以深圳港铜鼓航道选线研究为例,对模型进行了验证及航道开挖回淤计算。结果表明,模型能较好地模拟河口水流泥沙运动及河床变形情况,且计算稳定性好,速度快,精度较高。水流、泥沙运动、冲淤验证成果基本能达到规范要求的精度。     

水库坝前冲刷漏斗形态三维水沙数学模型研究

利用"动刚盖法"处理自由表面边界,结合水库坝前水沙运动规律导出坝前局部床面泥沙边界条件及泄流初期河床滑塌变形的判别条件,通过坐标变换建立坐标系下水库坝前冲刷漏斗形态三维水沙数学模型.分别利用正向和侧向底孔泄流条件下冲刷漏斗水槽试验资料对模型进行验证.模拟结果表明,不同泄流方式下底孔附近三维水流结构、横断面、纵剖面及平面形态特征等均与实测资料基本一致,模型关于自由表面边界、近底泥沙交换条件、河床纵坡、横坡滑塌处理是合理的.     

泥沙运动统计理论前沿研究成果

本文是作者数十年来以力学和概率论相结合的途径,广泛、深入研究泥沙运动统计理论的主要成果。其中包括泥沙运动的概化模式;单颗泥沙运动力学及统计规律;床面泥沙4种状态之间的转移概率及交换强度;不同状态之间的多种输沙率(而不是现有的两种)研究;泥沙起动规律及起动流速;从理论上导出的床面泥沙的边界条件;一维不平衡输沙规律及相应的数学模型;推移质与床沙和悬沙同时交换的不平衡输沙;床沙冲刷粗化与交换粗化规律;推移质点源、线源及退化面源扩散。另外,文中还给出了由泥沙运动统计理论带动的泥沙研究领域其他成果,如挟沙能力级配及有效床沙级配、粗细泥沙交换、挟沙能力多值性以及黄河高含沙量时的"揭底冲刷"。