阶梯-深潭系统的水力特性

阶梯-深潭系统是山区河流中常见的河床形态,具有稳定河床和消能减灾的作用,其水力特性较为复杂。在温峡水库下游温峡河修建典型的阶梯-深潭系统开展野外实验以研究阶梯-深潭系统的水力特性。利用先进的高频声学多普勒流速仪测量阶梯-深潭系统阶梯上游、阶梯上、深潭中和沿深泓线的水力特性。实验在10 L/s、50 L/s、100 L/s、150 L/s、290 L/s 和 420 L/s 6种流量工况下进行。实验结果表明:阶梯-深潭系统流场尤其是深潭流场具有很强的三维性,阶梯上与深潭中水力特性相差很大。阶梯上沿流向的时均流速远大于横向和垂向的时均流速,三向紊动强度处在一个量级且较小。深潭中的时均流速比阶梯上小,但紊动强度远大于阶梯,紊动强度随流量变大增大。实验工况下,阶梯上的相对紊动强度在0.1左右,深潭中则最大超过8.0。随着水流从阶梯上跌入深潭,机械能大量转化为紊动能消耗。实验流量范围内,雷诺应力随流量小幅增大,深潭中的雷诺应力约为阶梯上的50倍。阶梯-深潭系统消能率在实验工况下为64%~91%。     

阶梯-深潭结构对沟道稳定性的作用机制

阶梯-深潭结构是山区河流中典型的高效消能结构, 以消耗水能、增加阻力的方式提升沟道稳定性。通过水槽试验模拟沟道冲刷, 探究阶梯-深潭结构稳定沟道的机制及效果, 为山区河流消能减灾和稳定河床提供科学和技术参考。结果表明: 阶梯-深潭结构能有效消耗水流能量、抑制泥沙输移和提升水流阻力, 从而有效控制河床下切和边坡破坏; 在阶梯-深潭结构的作用下, 沟道的Darcy-Weisbach系数约增加为无结构条件下的4倍, 时均输沙率降低20%~66%, 但随着流量的增大, 阶梯-深潭稳定沟道的效果降低; 阶梯高度与长度比(0.1)相同时, 结构提升沟道稳定性的效果接近。阶梯-深潭结构自身的稳定是其稳定沟道的关键条件, 实际应用过程中需防止结构发生逐级破坏。     

东江沙卵石河床浅滩-深潭序列水沙演变特征

东江是珠三角网河区入汇河流之一,属少沙河流,其上游浅滩-深潭序列密集分布,河床结构的演变特性尚不清晰。选取东江浅滩-深潭序列河段进行现场河床质与推移质测量,结合试验得到不同流量和坡降中水流与河床在无上游来沙补给中的互馈机理。试验结果表明:浅滩与深潭交替造成沿程平均流速不连续变化,浅滩中部在洪水流量的塑造下容易产生紊动能峰值。无上游来沙条件下,序列中粗化层的形成、破坏过程交替与循环发生,其中静态分选是主导因素且导致沿程级配不连续。流量与坡降的增大促进浅滩-深潭序列发育,同时使得深潭与浅滩的纵向长度缩短;有上游来沙条件下推移质输沙率增大,无来沙条件下输沙率减小。     

人工阶梯-深潭防治地震区泥石流的探索

阶梯-深潭是山区河流中常见的一种具有高效消能作用的河床结构。2009年采用人工阶梯-深潭系统对文家沟滑坡体上的新生泥石流沟治理进行野外治理实验。在主沟上游段人工构筑33级阶梯-深潭,经历当年几次暴雨,由于通过在深潭内耗散水流的大部分能量,阻止了沟谷下切并有效地控制了泥石流的发生。对野外实验和数值模拟的结果分析表明,在一定的流量下,阶梯-深潭发育的河流系统有助于单位时间内单位重量水流能量耗散率将趋于最小,可以提升河流系统的稳定性。在地震区的泥石流沟内构筑阶梯-深潭系统有利于加速其稳定的进程,并减少灾害的发生。     

悬移质运动增强水流紊动强度的一个必要条件

从气固两相流颗粒增强流体紊动的有关研究成果出发,结合悬移质和推移质的划分标准,推导出悬移质运动增强水流紊动强度的一个必要条件,并通过已有试验资料进行了验证。     

碰撞作用下单个阶梯-深潭稳定性模型

阶梯-深潭系统是山区河流广泛分布的控制性河床结构,泥沙输移过程中大颗粒碰撞阶梯关键石块,使其发生位移,强烈影响阶梯-深潭的稳定性。以单个阶梯-深潭的关键石块为研究对象,重点考虑碰撞对阶梯-深潭的影响,量化来沙中大颗粒碰撞作用并改进稳定性理论模型,利用新模型分析阶梯-深潭的临界条件和破坏机制。来沙颗粒对关键石块的碰撞作用受自身粒径、运动速度和阶梯下游冲刷程度影响且皆为正相关关系。颗粒撞击减小阶梯失稳临界流量,且参与碰撞的石块粒径越大,减小作用越明显。当η> 0.55时（η=D₁/D,D₁为碰撞石块粒径,D为关键石块粒径）,临界流量下降幅度达到50%以上,表明来沙中卵石漂石对阶梯-深潭稳定性发挥主要影响。山区河流发生低频率洪水或滑坡泥石流,向下游河道输运大粒径石块并与阶梯碰撞,显著增大转动合力矩并降低失稳临界流量,使得单个阶梯-深潭更易达到临界条件发生破坏。     

西南山区河流阶梯-深潭系统的生态学作用

山区河流发育的阶梯—深潭系统具有显著的生态学作用。阶梯—深潭系统增大水流阻力和河床抗冲刷力,稳定了河床和岸坡。大卵石堆积成阶梯,细颗粒泥沙在深潭河段的缓流滞流区沉积下来形成淤泥层,形成适宜多种生物的栖息地。选择小江支流——深沟、蒋家沟和小白泥沟,以及四川九寨沟和金沙江进行野外实验、取样分析。结果发现阶梯—深潭系统较发育的深沟和九寨沟底栖动物密度高达552个/m2,生物量高达5.96 g/m2。而邻近的小白泥沟和蒋家沟底栖动物密度仅0.75个/m2,生物量不到0.006 g/m2。考虑河流不同部位底质、水深、流速等特性,提出了生物栖息地多样性及其计算方法,研究发现大型无脊椎动物的生物多样性随栖息地多样性增加而增加。利用阶梯—深潭系统治理山区河流,既能保持河道稳定,又能维持较高的生物多样性,保持健康的河流生态系统。     

深尾水消力池非完全宽尾墩消能试验研究

为解决下游深尾水工程中常规底流式消力池内由于消能紊动不足引起出池水流二次水跃、冲刷下游天然河床等一系列工程难题,结合物理模型和数值模拟对比研究平尾墩、常规宽尾墩以及非完全宽尾墩下游消力池内流场差异。研究结果表明:非完全宽尾墩利用平尾墩闸室与相邻宽尾墩闸室入池水流横向水位落差和纵向流速梯度,迫使雍高射流入池水流呈弧形横向扩散、碰撞,显著增强剪切紊动,促使消力池上游区域形成由底至表不断发展壮大的立轴旋滚,提升消力池内能量紊动耗散、降低出池水流流速,完全解决常规底流式消力池中易出现的二次水跃、消能不充分等问题。     

泥沙起动概率的高速摄影测量方法

为了通过实验测量泥沙起动概率,基于封闭槽道内开展的泥沙起动实验,系统论述了基于高速摄影的起动概率测量方法所涉及的起动概率定义、相机采样频率、图像处理方法、起动比例与运动比例的关系等关键问题.根据泥沙在水流紊动猝发作用下起动的物理机制,定义实测起动概率为单个紊动猝发周期内,从一定面积床面上冲刷外移的泥沙比例.根据推移质运动概念模型,提出高速图片拍摄间隔应小于推移质运动的中间时间尺度,以捕获泥沙的每一次起动.在高速图像处理时,通过连续两帧图片之间的灰度差实现运动比例的无偏差提取.进一步分析表明,运动泥沙可处于起动、止动或滑翔状态,运动比例等于起动比例、止动比例和滑翔比例之和,起动比例与运动比例之比等于两张图片之间的时间间隔除以推移质运动的中间时间尺度.基于上述关键技术,将高速摄影测量方法用于泥沙起动概率的测量,结果表明,临界起动水流条件时,床沙处于少量起动现象,对应的临界起动概率与窦国仁所推导的2.28%接近.     

基于高速摄像技术的推移质运动特征试验

在明渠中开展不同水流条件下低强度均匀沙平衡输沙试验,基于灰度相减方法分析整个床面推移质运动特征,以探寻紊流结构与推移质运动之间的作用机理。结果表明:①受水槽横向方向水流强度分布特征影响,推移质运动概率从水槽中线到两侧壁逐渐变小,且基本呈对称分布;②在紊流相干结构作用下,推移质床面在紊流低速条带区形成凸槽,高速条带区形成凹槽,推移质运动概率沿水槽横向方向存在高低相间的带状分区;③随摩阻雷诺数增大,相邻两推移质运动高概率区域的间距值变化范围为0.13~0.24倍水槽宽度,其值随摩阻雷诺数增大而增大;④不同水流条件下,推移质运动高概率区域间距值约为水深的2倍,这与流向涡模型吻合,表明流向涡是诱导床面出现凹凸相间形态的重要因素。     

A prototype experiment of debris flow control with energy dissipation structures

Large-volume debris flow events are defined when the volume of solid materials exceeds 1 million m³. Traditional engineering measures, such as check dams, diversion channels, and flumes, are effective for normal debris flow control but are not sufficient to control large-volume debris flows. Experiments were conducted with an artificial step-pool system on the new Wenjiagou Gully to mitigate large-volume debris flows. The old Wenjiagou Gully was buried by 81.6 million m³ of loose solid material created by a landslide that was triggered by the Wenchuan earthquake on May 12, 2008. The new gully was formed during the scouring process caused by debris flows in 2008. Large-volume debris flows were initiated by rainstorm flood with high kinetic energy. The artificial step-pool system was constructed with huge and big boulders on the new Wenjiagou Gully in 2009. The step-pool system dissipated flow energy in steps and hydraulic jumps. Analysis proved that the step-pool system dissipated two-third of the kinetic energy of flow; thus, the critical discharge for triggering debris flow increased threefold. Due to the step-pool system maximized the flow resistance and protected the bed sediment and banks from erosion, the rainstorm floods in 2009 did not trigger debris flows. In 2010, the step-pool system was replaced with 20 check dams. Huge boulders were broken into small pieces of diameter less than 0.5 m and were used as building materials for the 20 dams. Without the protection of the step-pool system, a rainstorm flood scoured the base of the dams and caused failures for all of the 20 check dams in August 2010. The flow incised the gully bed by 50 m. The loose bank materials slid into the flow mixed with water and formed a large-volume debris flow with a volume of 4.5 million m³. Many houses were buried by the debris flow, and 12 people were killed. Comparison of the two strategies proved that energy dissipation structures are necessary for controlling large-volume debris flows. Check dams, if they are stable, may reduce the potential of bank failures and control debris flows. The step-pool system dissipates flow energy and control gully bed incision and bank failure. A combination of check dams and step-pool systems may be the most effective for mitigating debris flows.     

人工阶梯-深潭破坏案例与稳定性分析

通过2006—2010年4个修建人工阶梯-深潭系统的治理山区河流案例,总结其治理效果和最终破坏原因.以单个阶梯为分析对象,给出其受力表达式,建立单个阶梯-深潭的简化稳定性模型,进而分析来流量和冲刷角变化对其稳定性的影响.单个阶梯的稳定性取决于关键石块粒径、河道坡降、流量和冲刷角.洪水期的洪峰流量和阶梯下游冲刷是阶梯破坏的主要原因,上游来流量增加和冲刷角越大,阶梯越易发生破坏.人工阶梯-深潭系统在洪水期的稳定性是其发挥长期治理效果的关键.     

基于水下摄影的床面泥沙运动特性试验研究

为提高推移质试验的观测精度与效率,基于水下摄影和粒子跟踪（UP/PTV）技术,实现明槽流床面泥沙运动状态的精细试验观测。通过剔除床面颗粒震颤干扰、设置颗粒临界运动阈值和多重滤波筛选程序,提高采集样本数据的有效性。利用多组低强度推移质试验,提取床面颗粒运动轨迹、速度、单步时长等数据,并进行粒子运动的Lagrange过程分析和概率密度分布（PDF）研究。研究表明:粒间碰撞和近底紊流扫荡的影响使粒子速度在单步步长内呈现先急剧增加再缓慢衰减的变化特征;速度PDF曲线显示细尾Gamma函数特性,同时受粒子震颤效应影响,加速度PDF曲线则具有拉普拉斯分布特征;粒子速度与摩阻流速之间关系密切,保持3.4~3.5的比值;粒子单步时长与步长的联合分布呈幂函数变化规律,拟合曲线指数一般为1.25~1.3。幂律指数大小受推移质输沙强度与床面粒子异质性的影响。     

城市泥石流沟的治理启示——以深沟为例

为研究典型工程措施在泥石流沟治理中的作用及影响,结合野外调查及历史资料,对云南东川城区的深沟泥石流治理进行总结：深沟在一系列坝系群建设和多年植树造林的治理下,发育了一定规模的阶梯一深潭系统,使沟道阻力明显增强（经测河床结构强度5p达0．3以上）,消减了泥石流能量,并保护河床不被侵蚀下切,岸坡稳定;而另一方面林草生长能提...     

Flow, sediment transport and bedform dynamics over the transition from dunes to upper-stage plane beds: implications for the formation of planar laminae

Preliminary results are reported from an experimental study of the interaction between turbulence, sediment transport and bedform dynamics over the transition from dunes to upper stage plane beds. Over the transition, typical dunes changed to humpback dunes (mean velocity 0–8 ms^-1, depth 01 m, mean grain size 0.3 mm) to nominally plane beds with low relief bed waves up to a few mm high. All bedforms had a mean length of 0.7–0.8 m. Hot film anemometry and flow visualization clearly show that horizontal and vertical turbulent motions in dune troughs decrease progressively through the transition while horizontal turbulence intensities increase near the bed on dune backs through to a plane bed. Average bedload and suspended load concentrations increase progressively over the transition, and the near-bed transport rate immediately downstream of flow reattachment increases markedly relative to that near dune crests. This relative increase in sediment transport near reattachment appears to be due to suppression of upward directed turbulence by increased sediment concentration, such that velocity close to the bed can increase more quickly downstream of reattachment. Low-relief bedwaves on upper-stage plane beds are ubiquitous and give rise to laterally extensive, mm-thick planar laminae; however, within such laminae are laminae of more limited lateral extent and thickness, related to the turbulent bursting process over the downstream depositional surface of the bedwaves.     

细颗粒对粗颗粒床沙质输沙率影响的初步研究

考虑高含沙紊流涡团中细颗粒絮凝形成网络结构对粗颗粒运动影响后,建立了粗颗粒悬移质泥沙的输沙率计算方法.该方法中包含的细颗粒影响项反映了流域因素对粗颗粒泥沙输沙的影响,证明细颗粒的影响是引起多沙河流中“多来多排”现象的一个重要因素.与黄河实测资料的对比表明,该计算方法能够反映高含沙紊流输沙时随流域细颗粒增多粗颗粒悬移质输沙率相对增大的现象,并具有较好的计算精度