漫滩恒定明渠水流的三维数值模拟

采用Naot-Rodi代数应力模型(N-R模型),结合非均匀交错网格下的混合有限分析法(HFAM)来计算漫滩水流的三维流动。为了得到稳定的收敛解,作了两点改进:其一为非均匀网格中数值离散的导数项二阶格式的引入;其二为复式断面分块耦合技术的采用。给出了漫滩水流主流速等值线、二次流的断面分布、垂线平均流速的横向分布以及主槽与全断面流量比随相对水深的变化规律。部分结果与实验资料的对比,表明NR模型和HFAM能较好地用于研究漫滩水流流速、流量和水位的关系。     

河道一维非恒定流微分结构摩阻公式及其试验论证

传统的恒定流经验摩阻公式作为对恒定流状态下摩阻的总结,建立在摩阻、流速、水深存在单一关系的基础之上。而非恒定流条件下,水文要素的涨落存在先后顺序,各水文要素之间不再是单一关系。为提高一维非恒定流摩阻的模拟精度,考虑水文要素的时空变化对摩阻的影响,运用量纲分析整理出以微分结构表达的摩阻改进公式。并设计实验模拟单峰水流过程,验证公式改进的有效性。结果表明,相对于谢才公式,改进公式提高了对一维非恒定摩阻的模拟精度,有一定的实用价值。     

明渠紊流中涡结构的运动规律

明渠紊流中随水流迁移的涡结构在传质过程中具有重要作用。为观测涡结构在整个生存期内的运动过程,将两套高频粒子图像测速系统的测量范围沿水流方向拼接,实现流场的大范围测量。将上述方法用于测量摩阻雷诺数为490~870的明渠紊流的纵垂面流场,并结合涡结构跟踪算法,得到了涡的生存时间、运动速度、位移及强度变化等参数。分析表明,涡结构的水平运动与水流同步,但整体有向水面抬升的趋势,在低雷诺数条件下,最大生存时间约10倍涡周转时间,最大垂向位移约0.4倍水深;随着雷诺数的增大,涡结构的量纲一运动速度未发生明显变化,但极限强度和强度变化速率均增大,且极限强度的增加幅度相对较小,使得涡结构的生存时间缩短,纵、垂向位移相应减小。研究结果揭示了生存时间是影响涡结构运动规律的关键变量,初步得到了涡结构运动规律随水流条件的变化趋势。     

黄河下游漫滩高含沙洪水滩槽界定及泥沙时空沉积特性

黄河下游漫滩高含沙洪水河床调整剧烈,多数断面洪水后形成"相对窄深河槽",洪水前后河槽宽度发生明显变化。分别以观测断面洪水前后的河槽宽度为基准,计算漫滩高含沙洪水期泥沙时空沉积分布,结果表明,漫滩高含沙洪水与非漫滩高含沙洪水相比,能将主河槽内淤积泥沙量的59.3%搬运至嫩滩或滩地,减缓主河槽淤积。在分析研究基础上,建立了洪水后漫滩河段河槽相对缩窄率与洪水前期河槽宽度的量化关系,洪水后主槽宽度缩窄率为15.5%~44.0%;分析遴选了漫滩高含沙洪水滩地淤积量与主要水力因子间关联度及物理含义,给出了漫滩高含沙洪水滩地淤积量与相应水力因子间的响应函数;初步提出漫滩洪水河道塑槽淤滩的临界水沙配置指标,临界水沙系数取值为0.025~0.040。成果对高含沙洪水调控具有一定的指导意义。     

荆江段河岸粘性土体抗冲特性试验

粘性土体具有较强的抗冲能力,其抗冲性强弱决定了河岸的侵蚀速率。为了估算河岸的侵蚀速率,确定粘性土体的起动条件、侵蚀系数及两者之间的数量关系非常重要,为此开展了荆江段河岸粘性土体起动条件与冲刷特性的水槽试验研究。根据试验结果获得了粘性土体的起动流速与土体液限/自然含水率之间关系以及起动切应力与干密度、起动切应力与液性指数之间的定量表达式,综合反映了粘性土起动条件与其物理性质指标之间的关系;结合冲刷特性试验结果,还获得了土体侵蚀系数随起动切应力的变化规律,并与已有其他试验结果进行了比较。结果表明:荆江河岸粘性土侵蚀系数均比相同条件下其他公式计算值偏大,这与该试验土体中粘粒含量相对较低、土体结构受到扰动等因素有关;根据试验结果,拟合得到了荆江河岸粘性土侵蚀系数与起动切应力之间定量关系式,其相关系数R2=0.90,故该关系式能为荆江段崩岸过程的计算提供参考依据。     

长江口潮流摩阻流速和粗糙长度计算方法探讨

在研究河口区域水流垂线流速分布规律时,摩阻流速和粗糙长度是描述水流摩阻特性的两个重要的物理量,并在物理内涵上反映了水流的摩阻特性.本文通过对5种计算摩阻流速u*及粗糙长度Z0的方法分析研究,选择卡曼-普朗特方法和对数抛物方法作为本文计算摩阻流速和粗糙长度的方法.通过对长江口海螺码头水域和王子码头水域的实测资料计算,并对计算所得到的u*和Z0进行一致性和相关性分析,以及对各层实测流速与计算流速过程线的比较,得到对数抛物方法是计算长江口潮流的u*和Z0最佳方法的结论.     

弯曲河流斜槽裁弯模式与发育过程

结合遥感影像、野外调查和形态统计,深入分析斜槽裁弯现象,将其划分为切滩冲刷、串沟冲刷和主流顶冲3种模式。切滩模式发生于洪水期间主流水流动力轴线偏向凸滩后,形成漫流水流冲刷,极可能在边滩形成新的斜槽。切滩裁弯的形态统计表明,弯道曲率半径与平均河宽之比约2.92,分流角约54.8°。串沟模式是前期洪水漫过河湾内侧洪泛平原,漫滩水流冲刷形成若干串沟,后续洪水沿串沟继续冲刷,串沟逐步横向展宽和向下游侵蚀,直至形成新的河槽。主流顶冲模式是水流顶冲河湾内侧河岸,形成湾状缺口,后续洪水持续顶冲湾状缺口,直至上下游水流贯通,形成斜槽裁弯。     

基于图像处理的明渠紊流近壁区条带结构试验

基于图像处理技术,对明渠紊流近壁区的水流低速条带结构进行了测量和分析。条带结构采用天然沙进行示踪,使用高清相机拍摄高分辨率图像,通过形态学方法提取其几何特征。分析条带的宽度及间距的变化特点,得到结果:① 低速条带宽度从水槽中线到两侧壁逐渐变小,沿中线基本呈对称分布;② 摩阻雷诺数在276~465范围时,条带宽度和间距量纲一值的变化范围分别为20.8~29.8和 99.3~126.7,条带面积占图像总面积百分比为23.4%~15.9%;③ 随摩阻雷诺数增大,低速条带的宽度和间距加大,而条带面积百分比逐渐减小。试验结果表明,低速条带结构随水流摩阻雷诺数的变化非常复杂,而图像处理技术提供了一种高效率、高精度的测量手段。     

基于能量耗散关系的黄河内蒙段河床形态调整分析

从河流能量耗散角度研究河床形态调整规律,引入河流功与纵、横向能坡等指标,对50年实测资料进行了研究。黄河内蒙河段受上游水库影响,出现如漫滩洪水减小等水沙过程变化,导致河床宽深比增大,平面活动性增强。在河床形态调整过程中,受水库运用影响的来沙系数与河相系数之间、主槽摆动速率与水沙特征值之间均存在密切联系。分析该河段断面形态变化、平面摆动特性与能量耗散的关系表明:反映河流功的径流量及其过程对河槽过流面积的塑造有直接影响;径流因子与河床形态因子间的相关性受河流能量耗散结构的制约;在研究河段,与来沙系数S/Q有关的河流总功率跟与河段平面摆动速率、月径流离差系数有关的能量分配耗散组合,在不同时期总保持近似制衡关系。     

振荡试验确定倾斜承压含水层水文地质参数

为评价振荡试验在获取倾斜承压含水层水文地质参数过程中含水层倾角对计算结果的影响,基于Kipp模型推导了考虑承压含水层倾角的振荡试验解析解模型。倾斜承压含水层量纲一贮水系数和量纲一导水系数不变条件下,测试井-含水层系统的量纲一阻尼系数随着倾角的增加而增加。修正模型计算的量纲一阻尼系数与Kipp模型计算的量纲一阻尼系数偏差10%以上时,必须考虑倾角的影响并且承压含水层倾角对水头响应曲线造成影响临界角度约为34°。修正模型和Kipp模型对现场振荡试验水头响应曲线分析结果的差异表明,忽略含水层倾角会对倾斜承压含水层导水系数和贮水系数的计算结果产生较大误差。     

液化后砂土流体特性测试装置的研发及试验研究

为研究液化砂土的流动变形特征,开展了液化砂土的流体特性试验研究。基于边界层理论研发一套液化砂土表观黏度测试装置,主要由调速电机、电机调速器、圆柱转子、扭矩传感器等部分组成,该装置能有效测试液化砂土的表观黏度;开展了不同孔压比、转速下饱和砂土表观黏度及圆柱转子所受摩擦力矩特性研究,着重分析了液化后砂土的表观黏度特性。结果表明,液化前孔压发展及液化后孔压消散阶段摩擦力矩均受到孔压比及转速的影响;液化后砂土孔压逐渐消散,强度恢复,流动能力衰减,表观黏度升高,表观黏度与孔压比呈现出一定的线性相关性;表观黏度随着剪应变率的增大而降低,且两者呈现出幂函数关系,表明液化后砂土具有典型幂律型剪切稀化非牛顿流体特征。     

Simple-Shear Rheological Properties of Shallow Clay Layer in Shanghai

This paper presets the results of simple-shear rheological tests for the shallow clay layer in Shanghai and the rheological parameters of this clay layer, such as shear parameter, viscosity and long-term strength etc. , by using the obtained relationship among stress, strain and time. The test results show that with certain density and water content of the clay and shear stress less than the yield value, the relationship between shear stress and shear strain for the same shear duration can be obtained by superposition theorem. Because of its linearity, likewise, the relationship between long-term shear flow rate and shear stress also hold true thus, from the linear portion of the curves mentioned above the shear modulus G and viscosity η can be obtained . however , when shear stress is beyond a certain yield value, the curve becomes non-linear. This yield value can be regarded as long-term strength of the soil . In rheological experiments these parameters are all functions of time.     

动扭剪试验中砂土液化后流动特性分析

土体在初始液化后仍然可能承受动荷载作用发生大变形。引入流体力学中的剪应变率和表观黏度的概念,对振动扭剪试验中饱和砂土液化后的流动特性进行了分析。分析中将砂土的状态分为0有效应力状态和非0有效应力状态。结果表明,砂土在0有效应力状态下表现出与静扭剪试验类似的“剪切稀化”非牛顿流体的特征,表观黏度随着剪应变率的增大而减小。加载周数对“剪切稀化”状态下的剪应变率幅值有影响,随着加载周数的增加,剪应变率幅值逐渐增大,而对流动曲线的形状没有影响。在非0有效应力状态下,砂土的表观黏度随应变的增大而增大,随孔压比的减小而增大,且所有的试验得到的表观黏度与孔压比具有一致关系。     

岩石裂纹损伤及围压对剪切破坏影响研究

岩石内部细观裂纹的存在,对压缩作用下岩石剪切断裂的宏观现象有着重要的影响。然而,能够通过解析解阐释细观裂纹几何特性、围压等影响因素对压缩作用下剪切断裂面角度变化趋势的研究很少。基于Ashby模型中提出的裂纹尖端应力强度因子,提出了一种改进的考虑裂纹角度影响的应力强度因子表达式。利用该改进的应力强度因子表达式,推出了一个可以预测岩石峰值强度的裂纹扩展、应变与应力之间的本构关系。结合本构关系的峰值强度与摩尔-库仑失效准则,得到了岩石损伤与内摩擦角、黏聚力、剪切强度及失效断裂面角度之间的理论关系;讨论了围压、裂纹尺寸、角度及摩擦系数对岩石宏观剪切断裂面角度的影响,通过试验结果验证了模型合理性。结果表明：随着损伤增大,内摩擦角、黏聚力及剪切强度不断减小;随着围压增大、摩擦系数增大和初始裂纹尺寸减小,剪切断裂面角度不断增大;随着裂纹角度增大,剪切断裂纹面角度先减小后增大。     

Shear band inclination and shear modulus of sand in biaxial tests

The spontaneous shear band formation in the biaxial test on dry sand samples with constant cell pressure is treated as a bifurcation problem. The constitutive response of sand is described in terms of mobilized friction and dilatancy. Dilatancy is looked upon as an internal constraint and the hardening rule is expressed in terms of an adequate dimensionless stress measure. Owing to fail of normality in sand, localization always occurs in the hardening regime. The theoretical solution of the shear band inclination is a geometrical mean of the classical Coulomb and Roscoe solutions and is in good agreement with the experimental data. The incipient shear modulus is proportional to the stress level and can be estimated to be also proportional to these cant modulus.     

结合水对海积软土流变性质的影响

海积软土的变形和强度性质与时间有明显的相关性，其原因之一是其中含量较多的结合水。土在一定压力下先排出自由水，然后是结合水，结合水膜厚度发生改变。压力改变结合水膜厚度，引起粘滞系数改变。通过剪切增变试验得到了粘滞系数与压力呈线性关系。研究粘滞系数与压力之间关系对修正或建立较为符合实际的本构模型有一定意义。     

单向流边界层泥沙起动规律

Shields曲线常用于表示泥沙起动的临界条件,基于边界层理论,对Shields曲线各个流区的线型进行了推证;考虑粘结力的作用,对Shields参数及Shields曲线进行了修正,并给出修正Shields曲线表达式;在此基础之上,从边界层角度重新阐述了Shields曲线。结果表明:Shields曲线在光滑紊流及层流区呈直线分布,在过渡区与阻力系数线型保持一致,在粗糙紊流区呈水平直线分布;修正后Shields曲线与原始Shields曲线在形式上保持一致,修正Shields曲线表达式与实测数据吻合较好,适用于粗、细颗粒泥沙起动条件的计算;Shields曲线事实上代表了Shields参数与沙粒周围绕流流态的关系,同一颗粒处于不同流区起动时,其起动切应力不同。     

基质胶结对土石混合体强度变形特性影响

利用应变控制式静力三轴剪切仪,对具有不同胶结程度和含石量的土石混合体试样进行了固结不排水剪切试验;通过对制备的土石混合体试样的应力-应变关系、孔隙水压力变化、有效应力路径和抗剪强度指标等试验结果的对比分析,探讨了不同胶结程度土石混合体试样的差别及产生原因.试验结果表明:不同胶结程度土石混合体破坏方式可分为剪切带破坏和鼓肚变形破坏两种基本类型;胶结使得土石混合体应力应变关系和孔隙水压力变化与未胶结土石混合体差异明显,胶结作用对土石混合体的剪胀和软化特性影响显著.在块石软硬程度、形状及试样密实度相近的条件下,不论是否胶结或胶结程度如何,土石混合体有效内摩擦角φ'与无量纲粒度分布特征参数D₅₀WBP/D₆₀具有较好的线性相关性.试验结论为确定不同胶结程度土石混合体强度提供了参考.     

Control of estuarine stratification and mixing by wind-induced straining of the estuarine density field

Observations from the York River Estuary, Virginia, demonstrate that the along-channel wind plays a dominant role in governing the estuarine exchange flow and the corresponding increase or decrease in vertical density stratification. Contrary to previous findings that suggest wind stress acts predominantly as a source of energy to mix away estuarine stratification, our results demonstrate that the wind can play a more important role in straining the along-channel estuarine density gradient. Down-estuary winds enhance the tidally-averaged vertical shear, which interacts with the along-channel density gradient to increase vertical stratification. Up-estuary winds tend to reduce, or even reverse the vertical shear, reducing vertical stratification. In two experiments each lasting approximately a month, the estuarine exchange flow was highly correlated with the along-channel component of the wind. The changes in stratification caused by the exchange flow appear to control the amount of vertical mixing as parameterized by the vertical eddy viscosity. The degree of stratification induced by wind straining also appears to play an important role in controlling the effectiveness of wind and tidal mixing.