波流共同作用下反斜桩局部冲刷特性试验研究

在波流环境中,反斜桩周围的涡流结构及波浪传播特性与垂直桩存在较大差异,进而影响到桩基局部冲刷进程。为了解波流共同作用下反斜桩局部冲刷特性,在波流水槽中针对不同倾角的反斜桩开展了局部冲刷试验,初步探究了局部冲深历时特性、影响因素及床面形态特征。研究结果表明:在清水冲刷条件下,反斜桩局部冲刷深度始终小于垂直桩; 当桩身倾角增加时,平衡冲刷深度逐渐减小,相对时间尺度逐渐增大; 冲刷坑宽度相对垂直桩更小,呈现“水滴状”形态,尾后沙丘呈现出更长的单峰“带状”结构,不规则性较为突出; 局部冲深与弗劳德数之间存在着较高的相关性,但向上游倾角产生的波浪变形效应使得冲刷深度与流速比和Keulegan-Carpenter数的具体函数关系更难以确定。     

孤立波作用下淹没垂直桩柱局部冲刷试验研究

孤立波在近岸地区会引起剧烈的泥沙运动,导致采用淹没式桩基础的近海建筑物周围发生局部冲刷,严重影响近海建筑物的稳定性。采用中值粒径为0.22 mm的均匀沙在波浪水槽中布置平底沙床,在两种不同桩径条件下,对孤立波作用下淹没桩周围的冲刷发展过程进行了记录分析,探讨入射波高及淹没率对局部冲刷的影响,并从冲刷形态方面对比分析了孤立波与单向水流、规则波作用下局部冲刷的异同。结果表明:在相同淹没率条件下,随着入射波高的增大,桩周冲刷形态由双喇叭型向瞬态型冲刷形态发展;在相同入射波高条件下,桩高与桩径比h_c/D位于1～7范围内,淹没率对桩前最大冲刷深度影响不大,而桩后最大冲刷深度随淹没率增大而减小,并给出了淹没因子K_s与淹没率的多项关系曲线;孤立波与单向流作用下的淹没桩周围地形变化相似,而与小周期规则波作用下的地形变化差异较大。对实测数据进行多元回归得到冲刷深度的综合计算公式,经验证该公式计算值与实测值最大误差不超过7%。     

海啸波作用下泥沙运动——Ⅳ.建筑物局部冲刷

基于波浪水槽实验,以沿海公路为对象,对海啸波作用下建筑物局部冲刷机理开展研究。实验采用1/10与1/20的组合坡度,选取N波作为入射波。实验对波高、波浪的上爬、回落和水跃过程、每个波作用后的地形进行了测量和记录。实验结果表明,N波作用下地形发生冲淤变化,在回落水流所形成的螺旋流作用下,路基向海侧形成明显的冲刷坑。路基所在位置是最主要因素,波高是次要因素,路基深度影响较小。路基位于滩肩侵蚀发生处,则最大冲刷深度相对较大。     

刚性植被区域床面泥沙起动特性

为研究植被环境中床面泥沙起动特性,以天然河道中的植被及沙床为原型,对刚性植被环境中床面形态变化及泥沙起动规律进行了试验研究,并采用单位床面空间平均流速表述植被环境中泥沙的起动流速。研究结果表明,淹没植被条件下动床床面泥沙运动可分为3个阶段,即静止、部分起动及全部起动阶段,定义第3个阶段为刚性植被环境中泥沙起动的标准;推导的淹没刚性植被环境中的泥沙起动流速半经验函数关系式可以表述植被环境中泥沙起动特性,其中植被因子F_v对泥沙起动的影响最明显;植被密度一定时,植株周围冲坑深与空间平均流速成线性关系。研究认为采用植被环境中单位床面空间平均流速表述泥沙起动特性的方法是可行的。     

堆石矮堰清水冲刷历时发展特性

堆石矮堰是常用的"生态友好型"河道整治建筑物。水流经过堆石矮堰会在其周围产生冲刷, 威胁其结构安全。为了提高堆石矮堰清水冲刷尺度的预测精度, 基于室内水槽试验研究了堆石矮堰清水冲刷的历时发展特性, 分析了水流强度、矮堰淹没度和矮堰透水性对冲刷尺度发展过程的影响。结果表明: 清水冲刷条件下, 堆石矮堰下游冲刷坑在试验初期发展迅速, 随后逐渐变缓; 在冲刷发展的任一时刻, 冲刷深度和冲刷长度随水流强度的增大而增加, 随矮堰淹没度的增大而减少, 矮堰透水性的增大使冲刷长度增加, 使冲刷深度减少; 随着冲刷的发展, 冲刷坑纵剖面形态逐渐收敛, 其面积与冲刷深度和冲刷长度的乘积线性正相关。基于理论分析和试验数据, 提出了堆石矮堰历时清水冲刷深度、长度、体积的计算公式, 可用于指导堆石矮堰冲刷设计。     

均质土岸坡崩塌与河床冲淤交互过程试验

在弯道水槽中展开系列试验,研究水力冲刷过程中均质土岸坡冲刷崩塌输移与河床冲淤过程及其影响因素。该过程及变化特征可描述为:水下坡面侵蚀及坡脚淘刷导致岸坡失稳崩塌;暂时堆积在凹岸坡脚处的崩塌体加剧附近水流紊动程度利于其输运与分解;分解后较粗的颗粒随弯道螺旋流以推移质形式被输移至下游凸岸落淤,较细的颗粒大部分都随水流以悬移质形式被携带至下游出口;水流结构随岸坡及河床变形而调整;如此循环往复。试验成果进一步表明:冲刷状态下,试验材料黏性越小、近岸流速越大、作用时间越长,岸坡冲刷崩塌量及河床冲刷量都越大;同条件下岸坡冲刷崩塌总量大于河床冲刷总量,且河床相对冲刷率随岸坡冲刷崩塌量的增大而减小,数值范围为0.40~0.92。     

河流冲刷过程中表层床沙粗化对不平衡输沙的影响

在分析前人的不平衡输沙研究成果的基础上,针对非均匀沙河床,提出了床沙交换速率的新物理概念,计算研究了不同床沙交换速率时表层床沙的粗化过程及非均匀沙含沙量恢复饱和过程.研究表明,由于较细泥沙的冲刷率总大于较粗泥沙,因此在床面薄层内泥沙随冲刷迅速粗化,致使挟沙力降低,不平衡输沙距离较均匀沙情况大大延长.床沙交换速率愈慢,则冲刷距离愈长.     

三峡大坝—葛洲坝河段水沙变化及冲淤特性

掌握三峡和葛洲坝枢纽间河段水沙及冲淤特性的变化规律,是河段诸多工程问题研究的前提。对大量水沙地形资料进行分析,探讨泥沙起动理论在冲刷预测中的应用。长江上游水库建设及两大枢纽相继运行,河段年径流量微减,月均流量发生"削峰填谷"重分配,年输沙量大幅降低,河段水沙关系显著改变;河段累积冲淤量受极端水文条件和枢纽调度的短期和长期控制,时间上具有明显阶段性特征,空间上则表现为部分子河段的活跃性;床沙组成随枢纽运行先后发生细化和粗化;基于沙玉清起动流速公式绘制了起动临界条件曲线图,通过推算断面最大可动床沙粒径或临界流量,可为河床冲刷可能性的预判提供参考。     

三峡大坝—葛洲坝河段水沙变化及冲淤特性

掌握三峡和葛洲坝枢纽间河段水沙及冲淤特性的变化规律，是河段诸多工程问题研究的前提。对大量水沙地形资料进行分析，探讨泥沙起动理论在冲刷预测中的应用。长江上游水库建设及两大枢纽相继运行，河段年径流量微减，月均流量发生"削峰填谷"重分配，年输沙量大幅降低，河段水沙关系显著改变；河段累积冲淤量受极端水文条件和枢纽调度的短期和长期控制，时间上具有明显阶段性特征，空间上则表现为部分子河段的活跃性；床沙组成随枢纽运行先后发生细化和粗化；基于沙玉清起动流速公式绘制了起动临界条件曲线图，通过推算断面最大可动床沙粒径或临界流量，可为河床冲刷可能性的预判提供参考。     

黄土陡坡降雨冲刷试验及其三维颗粒流流-固耦合模拟

针对坡角为70°的黄土边坡,进行2.7 mm/min降雨强度下的室内坡面冲刷试验。根据边坡冲刷破坏的过程特征,将边坡侵蚀方式演变过程归纳为试验初期的片蚀、中期的细沟侵蚀、到后期的切沟侵蚀和坍塌。试验中坡顶处侵蚀强度大于其他部位,当坡面形成上下贯通的切沟之后,水流开始掏蚀沟槽底部土体,随着冲刷的持续,切沟两侧土体强度降低,坡顶土体发生坍塌。以此为基础利用三维颗粒流软件PFC3D对边坡降雨冲刷过程进行流-固耦合模拟,在模拟颗粒大变形的同时得到颗粒运动轨迹、孔隙率、流体单元内流速等重要参数,这些参数的定量变化过程反映了降雨过程中边坡遭受侵蚀程度及水流侵蚀能力的分布规律:坡顶处侵蚀最为强烈、水流侵蚀能力最强,且两者随高度降低呈减小趋势,与室内试验结果一致。     

波浪作用下斜坡沙质海床上桩柱周围局部冲刷试验研究

在斜坡上桩柱引起的局部冲刷与平底条件下产生的冲刷存在差异。布置中值粒径为0.320 mm、坡度为1:16的斜坡沙床,开展规则波作用下桩柱周围的局部冲刷试验研究。试验主要考虑小Keulegan-Carpenter数（KC数）条件,探讨了波高、波周期和桩柱位置对局部冲刷的影响,并从最大冲刷深度和冲刷形态两个方面对比分析了斜坡与平底条件局部冲刷的异同。结果表明:斜坡上桩柱位置对局部冲刷有较大影响;在相同的KC数条件下,斜坡沙床上的最大冲深大于平底沙床;斜坡沙床的清水冲刷形态与平底沙床差异较大,而浑水冲刷形态相似。     

斜向波作用下海底管线周围床沙组成变化

海底管线周围的不平衡输沙影响着海底管线的局部冲刷,进而影响海底管线的安全运营。基于波浪港池实验,考虑规则波的作用,采用中值粒径为0.219 mm的原型沙铺设与波浪传播方向成45°夹角的斜坡,斜坡坡度为1∶15,研究管线局部冲刷坑床沙组成变化情况。实验结果表明:与冲刷深度随时间的发展类似,冲刷宽度随时间的发展也分为初级阶段和次级阶段;管线周围床沙粗化程度最高的地方并不在管线的正下方,而在管线的后下方;周期增加,冲刷坑床沙粗化程度增大;与原始床沙相比,周期较小时,冲刷坑下方床沙细化,周期较大时则粗化,而波高对床沙扰动的影响具有不稳定性。     

护底条件下淹没丁坝坝头局部冲刷试验

淹没丁坝是一种典型的航道工程整治建筑物,工程实施中坝头附近局部冲刷防护问题尤为重要。为研究护底条件下的淹没丁坝坝头局部冲刷特性问题,采用正态模型试验方法,重点研究了护底条件下淹没丁坝坝头局部冲刷坑形态、最大深度与护底宽度的变化响应规律,结果表明,护底条件下坝头局部冲刷坑位于护底边缘附近,当护底宽度小于20 m左右时,最大冲刷深度变化较小,但冲刷坑位置有所远离坝体,最大冲刷深度随着护底宽度的变化规律可用指数关系表达。基于量纲分析原理,建立了粉细沙河床护底条件下淹没丁坝局部冲刷最大深度计算公式。     

Effect of suspended sediment concentration on local scour around cylinder for clay–sand mixed sediment beds

Suspended sediments present in the flow are known to affect the flow resistance, velocity distribution and turbulent characteristics. Experiments were conducted in the laboratory flume to see the effect of suspended sediment concentration (SSC) on local scour around a cylindrical pier for a wide range of clay–sand mixed sediment beds for SSC up to 2700 mg/L. It has been observed that the effect of SSC on equilibrium scour hole parameters such as maximum equilibrium scour depth, and longitudinal and transverse extent of scour hole can be significant. Present data showed that the presence of SSC in the range 993–1332 mg/L can increase maximum equilibrium scour depth as much as 1.54 times compared to the clear water case. However, tests made for SSC in the range 2456–2700 mg/L showed that the maximum equilibrium scour depth reduced compared to that for SSC in the range 993–1332 mg/L, but these maximum equilibrium scour depths were still larger than that obtained for clear water. The effect of SSC on time variation of scour and equilibrium scour hole geometry was further investigated.     

沟谷地形对高填方拱涵涵周土压力影响研究

沟谷地形下高填方涵洞土压力分布规律较为复杂,不同沟谷地形下涵周土压力分布规律与上埋式涵洞差异显著。为探明沟谷地形对高填方拱涵涵周土压力的影响,采用离心模型试验与数值模拟方法,建立了地形-涵洞-填土的相互作用模型,分析了不同沟谷宽度B、沟谷坡度α下的拱涵涵周土压力及涵顶土压集中系数Ks的分布规律,并与最新涵洞设计规范进行了对比,阐述了沟谷地形下高填方拱涵土压力形成机制。研究表明：（1）沟谷宽度B对涵顶土压力集中系数Ks影响显著,沟谷宽度B为4D～6D,D为拱涵的净跨径,涵顶土压力集中系数Ks增幅较大;（2）沟谷宽度B小于4D时,可发挥沟谷地形对涵洞的减载作用;（3）沟谷坡度α在45°～60°时,涵顶土压力及其Ks变化最显著;（4）填土高度为20m,α>70°时,Ks≤1。填土高度为40m,α>50°时,Ks≤1;(5)我国最新涵洞设计规范推荐的Ks与离心模型试验、数值模拟规律存在一定差异,当α=45°时,沟谷宽度B较小时,规范的涵顶土压力集中系数Ks较为保守;（6）沟谷地形下高填方拱涵Ks与拱顶压密区、等压面的形成有关。拱顶压密区可引起拱涵涵顶土压力集中,并引起压密区周边土体...     

Scour holes and ripples occur below the hydraulic smooth to rough transition of movable beds

Scour holes often form in shallow flows over sand on the beach and in morphodynamic scale experiments of river reaches, deltas and estuarine landscapes. The scour holes are on average 2 cm deep and 5 cm long, regardless of the flow depth and appear to occur under similar conditions as current ripples: at low boundary Reynolds numbers, in fine sand and under relatively low sediment mobility. In landscape experiments, where the flow is only about 1 cm deep, such scours may be unrealistically large and have unnatural effects on channel formation, bar pattern and stratigraphy. This study tests the hypotheses that both scours and ripples occur in the same conditions and that the roughness added by sediment saltation explains the difference between the ripple–dune transition and the clear‐water hydraulic smooth to rough transition. About 500 experiments are presented with a range of sediment types, sediment mobility and obstructions to provoke scour holes, or removal thereof to assess scour hole persistence. Most experiments confirm that ripples and scour holes both form in the ripple stability field in two different bedform stability diagrams. The experiments also show that scours can be provoked by perturbations even below generalized sediment motion. Moreover, the hydraulic smooth to rough transition modified with saltation roughness depending on sediment mobility was similar in magnitude and in slope to ripple–dune transitions. Given uncertainties in saltation relations, the smooth to rough transitions modified for movable beds are empirically equivalent to the ripple–dune transitions. These results are in agreement with the hypothesis that scours form by turbulence caused by localized flow separation under low boundary Reynolds numbers, and do not form under generalized flow separation over coarser particles and intense sediment saltation. Furthermore, this suggests that ripples are a superposition of two independent forms: periodic bedforms occurring in smooth and rough conditions plus aperiodic scours occurring only in hydraulic smooth conditions.     

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。