泥沙影响流速分布规律的试验研究

挟沙水流中泥沙颗粒的存在将影响水流的紊动结构,并进一步影响水流流速分布。采用超声流速仪MicroADV测量挟沙水流的时均流速沿垂线分布,分析了在不同水力条件、不同泥沙条件(包括泥沙浓度及颗粒粒径)下泥沙与水流相互作用对流速沿垂线分布的影响,在此基础上,考虑到现有流速分布公式在实际河道水流流速沿垂线分布中的应用,提出新的指数型流速分布公式形式;并根据实验资料,初步检验了该公式的精度,同时分析了指数型流速公式中系数k和指数m随泥沙浓度s、粒径d以及水力条件的变化规律。结果表明:系数k随泥沙浓度的增加而增大,同时水力条件以及泥沙颗粒粒径同样也影响着k的变化;而指数m随粒径d的增大而减小,随泥沙浓度s的增加而增大。     

含沙量对草地坡面径流泥沙沉积和水力特性的影响

通过室内模拟试验,在坡度为3°和9°、流量为20和60L/min条件下研究了不同浓度(0～350kg/m3)含沙水流流经草地的泥沙沉积过程及其水力学特性。结果表明,坡面泥沙沉积量随含沙量的增加而增大,3°时泥沙沉积率与含沙量呈正相关,而9°时沉积率与含沙量呈反势。坡度对泥沙沉积影响显著,而在相同坡度条件下,两种流量试验的泥沙沉积量无明显差异。相同坡面坡上部位流速小于坡下部位,且含沙量对坡面流速影响较小。在相同坡度和流量条件下,水流雷诺数随含沙量的增大而减小。3°时水流阻力系数和曼宁糙率均随含沙量的增加而增大,而9°时含沙量对阻力影响不明显,因此在土壤侵蚀较严重地区进行坡面水文过程演算时需考虑含沙量对缓坡糙率的影响。     

坡面流速及侵蚀产沙空间变异性试验

在野外放水试验条件下,利用染色法和侵蚀针法分别观测坡面流速和侵蚀产沙空间变异性。结果表明,坡面各横向断面的流速与距坡顶距离之间呈正相关,且相关性随流量增大逐渐变得显著,纵向断面流速的变异程度明显强于横向断面。总体上,上、下坡位侵蚀程度较重,而中坡位最轻;小流量时沉积作用明显,大流量时距坡顶0~2 m范围为净侵蚀区;各坡段侵蚀量与其距坡顶距离之间呈负相关;发生泥沙沉积部位随流量增大逐渐下移,细沟侵蚀量占坡面总侵蚀量的比例随流量增大不断增加。试验条件下流速为0.30 m/s时,细沟侵蚀产沙大于细沟间侵蚀,且坡面侵蚀量迅速增大。随流量增大,流速和侵蚀产沙量呈增大趋势;但在流量较大时,坡面各坡位侵蚀量与流速呈负相关,这可能与坡面中下部位粗颗粒泥沙沉积以及含沙水流的挟沙能力基本达到饱和有关。     

斜交桥下水流流向偏转角度的理论分析

我国现有铁路桥渡水文设计规范有关斜交桥的水力计算没有考虑桥下流向偏转的影响,从而影响计算精度。将流体力学中圆柱绕流经典理论的成果推广应用于双圆柱桥墩的情况,假设单桥墩的绕流流场可以按照一定的规律叠加,推导出圆柱形墩斜交桥梁桥下水流流向偏转角度的计算公式。分析表明,斜交桥下的水流流向偏转角度随斜交角度的增大先增大后减小,其极大值随压缩比的减小而增大。公式经与前人的试验资料验证,一定范围内吻合良好,并依据公式更正了此前流向偏转角度随斜交角度的增大而增大的错误认识。     

内陆河三角洲堆积体形成发展过程

通过概化水槽试验对水流泥沙从内陆河进入浅水湖泊后的三角洲堆积体形成发展过程进行研究。试验结果表明,在平面形态上,三角洲堆积体的形成发展过程可分3个阶段:第一阶段,水流泥沙在初期依次按小沙波体、带状沙波体、扇形三角洲堆积体和舌状三角洲堆积体形态形成发展,堆积体表面无明显主河槽且两侧区域无串沟;第二阶段,水流泥沙沿堆积体表面河槽在左侧区域和右侧区域之间交替推进;第三阶段,水流泥沙沿新河槽在摆动中同步推进。在纵向推进中,第一阶段初始较大,受横向展宽影响逐渐减弱;第二阶段以相对稳定的速率交替推进;第三阶段呈减弱趋势,最终保持同步推进速率。在垂向上,堆积体以稳定的速率淤积抬高发展;在横向上,水流泥沙在河槽主流摆动中不断横向输移泥沙。     

静水条件下冰冻泥沙水下休止角的试验研究

为研究冰冻泥沙在静水中融化后休止角的变化规律以及不同环境中泥沙休止角的差异,采用粒径为0～1 mm、1～2 mm、2～4 mm的泥沙试样,进行了风干泥沙在空气中的休止角、无冰泥沙以及冰冻泥沙水下休止角试验。试验结果表明：对于同一粒径范围的泥沙,风干沙在空气中的休止角最大,冰冻泥沙水下休止角次之,无冰泥沙水下休止角最小,三种试验情景中休止角均随泥沙粒径的增大而增大;泥沙水下休止角与风干沙在空气中休止角的差异,主要与水对泥沙的润滑作用以及泥沙在不同介质中的有效容重系数有关;泥沙在水下受到冰的影响表现为局部泥沙颗粒滑动,这更有利于斜坡上泥沙的堆积,相对于无冰泥沙而言,冰的存在使泥沙水下休止角增大。     

低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明：坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。     

低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明:坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。     

粘性泥沙分层运动特征的试验研究

应用水槽试验研究了粘性泥沙的运动特性及水流条件和泥沙浓度对粘性泥沙运动的影响。实验结果表明,在一定的水流和泥沙浓度条件下,粘性泥沙运动存在着特殊运动形式——"分层运动","分层运动"形成时水槽中泥沙浓度沿垂线分布成"阶梯"形状,水流流速沿垂线分布为中部最大,向水面和水槽底部方向流速减小。分层运动的形成及其特征与水流条件泥沙浓度等因素密切相关,不同的泥沙浓度下形成分层运动的水动力条件不同,泥沙浓度增加,形成分层运动的水流强度也相应增加。     

黄河高含沙水流的含沙量分布特性及测验方法的探讨

本文根据野外试验资料分析指出,黄河中游高含沙水流泥沙具有均质分布的特点。认为这种均质分布在流域产生径流时就已形成,并且在浑水流体较大的极限切应力和密集泥沙形成的结构体作用下保持下来。扩散理论的垂线分布公式不适用于高含沙水流,这时的泥沙测验内容、方法和仪器等应与低含沙测量不同。一、高含沙水流泥沙分布特性黄河中游干支流,洪水时期常出现高含沙水流。根据这个地区部分水文站的实测资料分析,这种水流有如下的分布特性:     

非均匀沙运动特性试验

天然河流床沙通常为非均匀沙,准确把握非均匀沙颗粒运动规律是模拟和预测天然河流河床演变的基础。开展了恒定均匀流条件下的非均匀沙推移质运动水槽试验,床沙粒径范围为0.10~20 mm。利用摄像机从顶部拍摄了粗化条件下的推移质颗粒运动,获取大量非均匀沙颗粒的运动轨迹,提取了颗粒运动速度、走停时间等基本运动参数,推移质运动颗粒粒径范围为0.74~8.19 mm。试验结果表明,非均匀沙床面聚集体或大颗粒使推移质颗粒运动方向发生改变,与均匀沙成果相比,非均匀沙推移质颗粒的纵向运动速度减小,横向运动速度增大;推移质颗粒纵向运动速度遵循指数分布,单次运动速度遵循Γ分布,横向运动速度及运动速度矢量角则遵循正态分布。     

黄河下游床面形态判别方法探讨

基于床面形态控制数理论,结合已有水槽试验研究成果,分析了床面形态控制数与不同床面形态的对应关系,提出了包括沙粒弗劳德数及相对水深(水深与泥沙中值粒径之比, 下同)的床面形态参数, 论述了简化床面形态控制数的计算方法及适用范围,研究了床面形态控制数与床面形态参数之间的相互关系及适用性;结合黄河下游床面形态运动特征,建立了床面形态判别方法。研究认为床面形态控制数能够反映高、低能态区的水流阻力特征;床面形态控制数与床面形态参数之间的关系,既适用于室内水槽试验也适用于天然河流;建立的黄河下游床面形态判别方法,得到了野外实测资料的初步检验,能够用于黄河下游不同能态区床面形态的判别。     

双峰型非均匀沙推移运动特性及输移规律

采用图像识别与推移质动态监测技术,开展基于双峰型非均匀推移质的系列水槽试验.通过引入反映床面粗糙度、粘性底层特性与颗粒非均匀度η(粗细比)的综合水流强度函数Ψ_b、特征弗劳德数Fr_b,系统研究了不同水流强度与床沙组成条件下的推移质输移特性以及颗粒非均匀度对输沙率的影响.通过对关键因子的辨识与量纲分析,提出了双峰型非均匀推移质输移模式,建立了基于近壁特征因子的水流强度Ψ_b与非均匀推移质输移强度Φ'的函数关系.对双峰型底沙输移机理的分析表明,非均匀沙的组成特征使得η成为影响Φ'的重要参量;正是细粒对粗粒的解怙作用对粗沙运动产生重要影响,使推移质输移率与颗粒非均匀度间呈现驼峰关系,峰值对应的粗细比η_c约为3∶7.     

黏性泥石流沟床冲刷深度研究

沟床冲刷深度是泥石流灾害防治工程设计最重要的参数之一,但到目前为止,关于黏性泥石流沟床冲刷的研究较少,沟床冲刷深度还没有权威可信的计算方法,是泥石流防治工程设计急需解决的技术问题。详细分析了黏性泥石流及可能冲刷沟床运动过程中受力情况,推导出黏性泥石流沟床最大冲刷深度计算公式。公式表明黏性泥石流沟床冲刷深度随泥石流泥深、泥石流重度和沟床纵比降及沟床堆积土体黏性的增大而增大,随沟床堆积土体内摩擦角的增大而减小。与现有计算方法相比,公式基于严格理论推导,计算结果更为精确,可用于计算已发生泥石流地区的不同频率的泥石流的冲刷深度,并举例说明了计算公式的实用价值,其结果为泥石流防治工程设计提供技术支撑。     

床面附近泥沙运动的分析

基于水、沙两相的分相测量试验结果,分析了床面附近泥沙颗粒的脉动和力学特性,指出床面附近的泥沙运动有着特殊的力学机制:颗粒相具有较强的非湍流脉动,其产生的脉动应力对颗粒的运动起着重要作用。论述了沙粒在水流中从推移运动到扬起悬浮的物理过程,讨论了过去一些理论中存在的问题和不足,概括了泥沙颗粒在水流中从床面扬起的基本模式,运用两相流理论分析了沙粒在水流中扬起的动力学机理。根据颗粒运动的垂向动量平衡原理,对泥沙颗粒的垂向浓度分布规律作了新的分析解释。证实了除浓度梯度之外,颗粒相的垂向脉动强度梯度也是泥沙扩散的重要扩散势,进一步揭示了悬移质浓度垂线分布存在两种类型的内在机理。     

Sensitivity of incipient particle motion to fluid flow penetration depth within a packed bed

A discrete element method is applied to a three‐dimensional analysis related to sediment entrainment on a micro‐scale. Sediment entrainment is the process by which a fluid medium accelerates particles from rest and advects them upward until they are either transported as bedload or suspended by the flow. Modelling of the entrainment process is a critically important aspect for studies of erosion, pollutant resuspension and transport, and formation of bedforms in environmental flows. Previous discrete element method studies of sediment entrainment have assumed the flow within the particle bed to be negligible and have only allowed for the motion of the topmost particles. At the same time, micro‐scale experimental studies indicate that there is a small slip of the fluid flow at the top of the bed, indicating the presence of non‐vanishing fluid velocity within the topmost bed layers. The current study demonstrates that the onset of particle incipient motion, which immediately precedes particle entrainment, is highly sensitive to this small fluid flow within the topmost bed layers. Using an exponential decay profile for the inner‐bed fluid flow, the discrete element method calculations are repeated with different fluid penetration depths within the bed for several small particle Reynolds numbers. For cases with slip velocity corresponding to that observed in previous experiments with natural sediment, the predicted particle velocity is found to be a few percent of the fluid velocity at the top of the viscous wall layer, which is a reasonable range of velocities for observation of incipient particle motion. This method for prescribing the fluid flow within the particle bed allows for the current discrete element method to be extended in future studies to the analysis of sediment entrainment under the influence of events such as turbulent bursting. Additionally, predictions for the slip velocities and fluid flow profile within the bed suggest the need for further experimental studies to provide the data necessary for additional improvement of the discrete element method models.     

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。     

黄河下游动床阻力变化及其计算方法

动床阻力在冲积河道洪水演进与河床冲淤计算中具有十分重要的作用。黄河下游不同水沙条件下的床面形态变化较大,动床阻力变化规律十分复杂,因此需要研究动床阻力的计算方法。利用黄河下游花园口、高村、利津等7个水文站1958—1990年的686组实测数据,确定了影响动床阻力变化的关键水沙因子——水流弗劳德数（Fr）与相对水深（h/D₅₀）,前者表示水流强度,后者表示床面相对粗糙度;建立了基于水流能态分区的动床阻力计算公式,并采用这些实测数据率定了公式中的相关参数;利用黄河下游各水文站1991—2016年的2 288组实测资料,进一步验证了公式的计算精度。计算结果表明:动床阻力的大小随弗劳德数或相对水深的增加而减小;基于水流能态分区动床阻力公式的计算精度明显高于未分区的公式及其他4个动床阻力公式,且决定系数（R2）总体接近0.80,说明水流强度与床面相对粗糙度对动床阻力影响十分显著。     

长江中游动床阻力计算

动床阻力计算是水沙数学模型中的重要研究内容。三峡工程运用后，进入长江中游河段的沙量剧减引起河床冲刷及床沙粗化，导致动床阻力的变化特点更复杂，有必要研究长江中游动床阻力的计算方法。采用长江中游枝城、沙市及汉口等5个水文站2001—2012年的1 266组实测数据，选取弗劳德数（Fr）和相对水深（h/D₅₀）作为动床阻力计算的主要影响因子，建立基于水流能态分区的动床阻力公式并利用多元非线性回归的方法率定相关参数，采用长江中游上述5个水文站2013—2017年的651组实测数据对公式进行验证。结果表明：① 长江中游的动床阻力主要处于低能态区和过渡区；② 基于水流能态分区动床阻力公式的计算精度明显高于现有阻力公式，决定系数（R²）约为0.89，阻力系数n的计算偏差小于±30%的数据达97.7%。     

推移质输沙率的非线性研究

目的是从非线性科学角度探讨泥沙运动的规律。通过分析非均匀沙起动的影响因素得到了尖点突变模型的状态变量和控制变量,建立了能描述推移质运动的尖点突变模型。在尖点突变标准方程的基础上,应用尖点突变理论的坐标变换和拓扑变换,导出了输沙强度和水流参数的函数关系式。将输沙强度作为状态变量,水流参数和床沙密实系数作为控制变量。用水槽实验资料和其它推移质输沙率公式进行了对比验证。验证结果表明,计算值与其它推移质输沙率公式和水槽实验结果基本相符,误差一般在-90%～80%之间。说明建立的推移质输沙率公式是合理的,能够反映泥沙的起动和输移规律。