射流冲刷底泥起动输移规律及机理

水下高速流体射流冲沙是清淤作业的必要手段，如何有效提高射流造浆效率对河(航)道清淤和水库库容修复等工程具有重要价值。采用射流冲刷底泥起动输移试验与高速射流喷头流场数值模拟手段，研究不同水力要素下射流对底床的冲刷效果，分析射流流速分布及衰减规律，探明高速射流底泥冲刷机理。研究结果表明：射流造浆过程中存在最优冲沙距离，使得造浆速率及浑水体浓度增长速度最快；射流中线剖面上横断面射流时均速度分布、最大速度衰减规律具有相似性，不同射流流速下射流初步发展区的射流速度半宽增长率相同；射流冲刷效率与射流发展中的阻力损失和到达床面时的能量损失直接相关，确定合理的射流喷头布置高度有利于提高造浆效率。研究成果对射流造浆能力与速率的提升乃至清淤设备的升级改造提供了有力支撑。     

封顶覆盖黄土气体渗透特性测试及填埋气一维运移分析

黄土在我国西北地区广泛分布,是当地垃圾填埋场封顶覆盖层的主要材料,该材料的气体渗透特性直接影响了覆盖层对填埋气释放的控制效果。利用渗析技术和自制的气体渗透系数测量装置,模拟和测试了干湿气象条件下覆盖黄土服役含水率变化及其对气体渗透系数的影响,并建立填埋气在垃圾体和覆盖层中的一维稳态运移模型,分析了覆盖层气体渗透系数和抽气速率对填埋气释放控制效果的影响。研究结果表明：渗析技术能有效模拟覆盖黄土服役含水率的变化,压实黄土试样的气体渗透系数介于10-17～10-12 m2量级,随服役含水率的增加而降低,且对于压实度比较高的黄土降低得更加明显;覆盖层底部的填埋气压随气体渗透系数的减小而增大,通过覆盖层下部的气体扩散层负压抽气等措施,可有效减小覆盖层底部气压和填埋气的释放量。     

沙颍河河床沉积物渗透性规律分析

河床沉积物的渗透性是影响河水与地下水水量交换大小的一个重要因素。以沙颍河为例,采用原位竖管法测定了沙颍河界首-阜阳段河床沉积物垂向渗透系数 Kv和任意方向渗透系数 Ks,并采用变水头渗透仪法测得界首、太和实验点河床沉积物渗透系数。通过对比分析两种实验结果,得到沙颍河河床沉积物渗透性很小,但呈现从上游到下游逐渐变小的趋势,且呈明显各向异性,局部受采砂等人类活动的影响。     

射流掺气对水垫塘及坑底压强影响的实验研究

通过对射流掺气与不掺气时,水垫塘底板及冲坑底部脉动压强的对比试验,研究了掺气对水垫塘及冲坑底部压强特性的影响。结果表明:在冲坑未形成前,掺气使水垫塘底板上射流冲击区的脉动压强增加;无论是否掺气,滞点时均压强的量纲一分布遵从相同的规律,底板量纲一时均压强分布存在很好的自模性,且与气体冲击射流的压强分布具有相同的规律。冲坑形成后,掺气不再明显增大冲坑底部的脉动压强,掺气后,坑底脉动压强没有明显的变化。     

土壤中空气对土结构和入渗过程的影响

分析了土壤表面积水入渗过程中压缩气体对土体结构的影响理论,并通过二维土柱入渗试验对其进行了分析及验证。在积水深度为2.8 cm的条件下,对2个初始含水量、3个孔隙率下的土柱进行了试验,测量出其在试验过程中的气体压力和入渗量,并同时观察土体结构的变化。理论和试验结果表明,气体出现突破之前,土壤内气体压缩产生的气压对湿润区土体的顶托作用会破坏土体的平衡,从而在湿润锋处产生水平裂缝,破坏入渗土体的连续性。试验还发现,入渗过程中土体结构变化大小受土壤初始结构和含水率的影响,初始结构越牢固、含水量越大,结构和气压变化越小,根据结构变化不同,可以划分出两种不同的试验过程。同时入渗土体内出现裂缝时,气压的减渗作用尤为显著,甚至会导致试验过程的停止。     

大降雨条件下气压力对边坡稳定的影响研究

对于大面积浅层风化土边坡,当下部含有浅水位或不透水基岩层时大降雨将导致下部气体被封闭。随着湿润峰的下移,气压不断增大。封闭气压力不仅降低了雨水在边坡土体的入渗率,而且对边坡的稳定有显著影响。通过分析封闭气压力的形成和相关理论,提出取 大小的气压力头来研究边坡的稳定性（Hc为一水头值,与土体孔隙尺寸分布有关; hd为土体进气值水头）。结合非饱和土的Mohr-Coulomb破坏准则和极限平衡法,将封闭气压力引入到边坡的稳定分析中,建立了考虑气压力影响下的稳定分析模型。与传统的不考虑气压力的稳定分析方法作对比,提出了气压力影响率概念。研究表明,封闭气压力显著降低了边坡的安全系数,传统的无限边坡稳定计算方法偏于危险。研究结果对无限边坡的强降雨安全预报具有较好的指导作用。     

黄河下游洪水冲淤相对平衡的分组含沙量阈值探讨

河床冲淤相对平衡下的洪水分组含沙量阈值是多泥沙河流水沙调控的重要参数.基于河床演变学的原理,根据黄河下游200余场次洪水实测资料,探讨了洪水分组含沙量阈值和分组来沙系数阈值.研究表明,黄河下游洪水过程中,在一定的分组含沙量及来沙系数条件下,可以使得河床冲淤达到相对平衡.对于悬沙以细泥沙为主的洪水,其河槽冲淤临界含沙量与主槽单宽流量、最大日均流量、花园口以下河段最小平滩流量、床沙中值粒径大于0.05 mm的沙重百分数有关;对于悬沙以中粗泥沙为主的临界含沙量则与粒径大于0.05 mm的沙重百分数无关;对于悬沙以粗泥沙为主的临界含沙量除与细泥沙临界含沙量的因素有关外,还与悬沙中值粒径小于0.025 mm、大于0.05 mm的沙重百分数有关.对于含沙量级相近的洪水,若流量级不同,同样可以产生不同的冲淤结果,即存在着分组来沙系数临界值.     

荆江近岸河床演变对水沙条件的响应探讨

近岸河床的变化对于险工段河势稳定、护岸及堤防的安全产生影响。1990年代以来,尤其三峡水库蓄水运行后,上游来沙大幅减少,荆江河床普遍发生了冲刷,近岸河床发生了相应调整。主要结合荆江河段近岸河床监测资料及已有分析成果,从三个方面分析近岸河床演变对水沙条件变化的响应,一是近岸河床冲刷坑特征值与水沙条件的关系;二是近岸岸坡稳定性对水位变幅的响应程度;三是近岸河床平滩河道形态尺度对水沙过程的响应程度。通过计算分析得出近岸河床特征值与水沙定性及定量的关系。     

三峡水库下游宜昌—昌门溪河段河床调整分析

建立反映河床调整幅度的体幅指标K,分析2003～2008年三峡水库下游宜昌—昌门溪河段河床调整幅度的沿程变化。研究发现该河段K与河段净冲刷强度不成正相关,而是与河道宽深比成正相关,当床沙中值粒径小于0.5 mm时,K与床沙中值粒径成负相关。初步分析认为:三峡下游粗颗粒泥沙容易达到输送饱和状态,当水流挟沙力减小时出现落淤,使得宽浅河段局部出现较大淤积,净冲刷强度较小,调整幅度较大;当床沙中值粒径小于0.5 mm时,该河段河床冲刷以悬移质输沙为主,河床组成越细,被冲刷的量越大,河床调整幅度也就越大。结合建库前后不同粒径组悬移质输沙量的沿程变化,对水库下游河床粗化方式进行了讨论。     

册田水库清淤方案设计与研究

册田水库建于永定河上游桑干河干流上,是北京官厅水库的一座拦沙水库,水库规模为大(Ⅱ)型水库,防洪标准为100 a一遇设计,2000 a一遇校核。水库自1960年运用至今已建成60 a,从未进行过清淤,目前水库淤积量已达到2.5亿m³,占到总库容的40%以上。实施水库清淤是册田水库增效扩容的重要手段,能够增加水库库容,提高水库调度的灵活性;水库清淤对于保障下游官厅水库正常运用和保障北京安全十分必要而且迫切。本文分析了册田水库的历史淤积情况,论述了水库清淤的必要性,通过比选不同清淤方法和清淤范围,给出经济合理、技术可行的清淤实施方案,为水库防洪减灾、库区生态改善、区域水资源可持续提供技术支撑。     

强降雨条件下气压对滑坡延时效应研究

在强降雨入渗条件下,浅层边坡土体中的气体可能被封闭,孔隙气压力在封闭条件下随着雨水的入渗不断增加。结合湿润峰面受力分析对封闭气体压力的物理意义进行了说明,通过考虑简化的气阻入渗模型,对比经典的Green-Ampt入渗模型,研究了气压对入渗率和下移的湿润峰的影响。应用该入渗模型,对下部为基岩的大面积浅层边坡雨水入渗过程以及边坡稳定性进行分析。研究表明,封闭气压显著降低了边坡体内雨水的入渗率,对安全系数的降低具有明显的延时性,这进一步揭示了部分地区雨后滑坡频繁发生的重要原因。因此,考虑封闭气压对大面积边坡降雨安全预报具有重要意义     

东江下游河段溯源侵蚀特征与机理

1980年以来,东江下游及三角洲发生了高强度的采沙活动,由此导致水文条件发生显著变异,河床形态出现溯源变形,根据不同历史时期的地形与水文资料的对比分析,东江下游段溯源变形特征主要表现为:①大规模采沙直接引起同流量条件下水位大幅下降,尤以枯水期表现最为显著,博罗站水位~流量关系曲线表现为逐年右偏;②采沙引起河床高程大规模降低,即为一级溯源变形,其显著的特征是水面比降大,由此引起河床发生强烈冲刷,遂派生出河床演变的二级溯源变形,二级溯源变形的长期发展将使河床变形趋于平缓;③采沙河段必然发生河床断面形态及尺度的物理变形,按其发生的时间过程分为各具特色的3段:变形完成段(东江网河区)、变形进行段(石龙到博罗段)及变形影响段(博罗以上河段).     

黄河下游不同河段分组悬沙输移对河床冲淤的影响

小浪底水库运行后,坝下游分组悬沙输移特点发生改变,不同河段冲淤过程有所差别。基于1999—2018年坝下游实测水沙资料及固定淤积断面地形数据,分析汛期分组悬沙输移的沿程调整特点,建立分组悬沙输移及河床边界条件双重影响下不同河段河床累计冲淤量的计算关系。分析结果表明：(1)汛期各组沙输沙率远小于蓄水前,且中沙输沙率降幅最大,在各水文断面平均降幅为85%;沿程上细沙输沙率基本不恢复,而中沙和粗沙恢复距离分别到利津及艾山。(2)坝下游河床持续冲刷,各河段河床组成均发生不同程度的粗化;在拦沙后期(2007—2018年),游荡段和过渡段床沙中细沙和中沙占比不足5%,对悬沙几乎无补给作用,而弯曲段床沙对中沙仍有一定的补给能力。(3)下游各河段以冲刷下切为主,但调整幅度不同,故对水流的约束能力有所差异。建立了各河段累计冲淤量与前期河相系数及进口断面分组来沙系数的经验关系,并采用2019年下游水沙数据对公式进行了初步验证,公式能合理反映断面形态与分组悬沙输移对河床累计冲淤过程的影响。     

冲积床面阻力关系分析比较

进一步验证和分析了作者早先提出的动床阻力关系,总结并提出了新的沙垄高度变化规律图,分析了它们与沙波阻力变化的关系,比较系统地揭示了不同水深、粒径条件下过渡区阻力变化规律.文中比较了作者及国内外其它五个重要的动床阻力关系,明确了这些公式的适用范围及限制条件.Einstein和钱宁的二个阻力关系只能用于过渡区,且后者只适用于粉细沙河床.李昌华的阻力关系可用于过渡区及低能态区.Engelund的阻力关系可用于一般沙质河床的低能态和高能态条件,但缺乏过渡区规律,对粉沙河床预报将系统偏小而对沙卵石河床则反之.Hayashi的阻力关系不适用于比降平缓的平原沙质河流.经验证和比较,作者的阻力公式适用于三个能态区各种水流强度及不同水深、粒径的情况,适用范围广泛,预报精度较高.     

非饱和粘性土中气体渗透特征

由于气体的进入形成了非饱和带,饱和土层中的气体渗透实质上是非饱和渗透问题。本文借助基于多孔介质气体渗流理论并考虑气体压缩性的、描述非饱和土中气体渗流运动的本构方程,试验研究了上海地区饱和粘性土层中的气体渗透规律。结果表明,饱水粘性土层中,气体渗透存在起始压力值,数值为100～200kPa, 与上海地区粘土的非饱和进气值较为接近;气体渗透速度与外界所施加的压力平方差梯度之间存在明显的分段特征。后者可能与在充满结合水的微孔隙通道中,只有一部分结合水在气压梯度的作用下发生流动,从而形成气体通道,施加的外力越大,形成的气体通道也越大,气体渗流也越明显。非饱和粘性土中气体渗透规律的研究,对于饱和粘土中的气压法施工,具有重要的理论与工程实践意义。     

层状页岩力学特性及其破坏模式研究

采用MTS815型岩石力学试验机进行了页岩层理面不同角度取芯的力学试验,获得了其力学参数及破坏模式特征。试验表明：层理面不同角度试样力学性质存在较大差异性,平行层理面试样其抗压强度最高,与层理面夹角为30°时抗压强度最低,弹性模量随取芯角度的增加逐渐降低。单轴压缩,夹角为0°时破坏模式主要为沿多个平行层理面竖向劈裂,夹角为30°时沿层理弱面剪切破坏,夹角为60°时为大角度剪切破坏并贯穿60°弱层理面,夹角为90°时主要为层状拉张破坏。三轴压缩,夹角为0°时试样有多条破裂面,呈劈裂与剪切破坏共同作用;夹角为30°时,沿层理面剪切破坏;夹角为60°时,呈现剪切破坏,剪切破裂面与水平面夹角在45°~50°之间;夹角为90°时,以剪切破坏为主,有多条平行开裂层面。页岩层理面表现出明显的弱面特征,研究结果为水力压裂施工设计提供了技术参数。     

包气带可压缩气体流动数学模型研究

以多孔介质流体动力学理论为基础,充分考虑了气体密度随压力变化气体的特点,建立了包气带气体运移数值模型。该模型适用范围更广。模型中考虑了填埋场中介质含水量变化对氧化运移的影响。通过与先前气体流动数学模型的模拟对比分析了考虑气体完全右压缩和近似可压缩条件下的差别。从而可以填埋场释放气体、土壤油污染气脱去除的环境影响预测和评价及控制系统的设计、管理提供更为合理的依据。     

河床冲刷粗化的随机模拟

对冲刷与粗化的相互作用机制进行了分析,并在非均匀沙床面暴露度的随机分布特性、流速分布及起动规律研究的基础上,提出了河床冲刷粗化的随机模型。该模型能同时对河床冲刷深度及粗化稳定级配进行计算。由实验及野外实测资料的验证表明,计算结果与实测值基本相符。     

河床水力传导度及其各向异性的测定

采用直接测定法观测了黑河中游段河床水力传导度及其各向异性,结果表明:河床水力传导度不仅存在较强的各向异性,而且存在空间尺度上的变异性.河床中心位置在垂直、水平和θ=30°方向的平均水力传导度分别为0.45、22.49和1.71 m/d,河床边分别为5.95、29.69、16.80 m/d.在同一测点,水力传导度随着与水平方向的夹角增大呈幂函数曲线下降.试验结果表明河床边是河水的主要渗漏区,并且以侧渗为主.     

富县至宜川天然气输气管道工程穿越段河道演变特征研究

以富县至宜川天然气输气管道工程为例,结合管线穿越的仕望河、牛武川、牛武东川、西川河和鹿儿川等河流的气候条件、地形地貌和河谷形态,选择仕望河上的大村水文站为参证站,对工程所穿越的主要河流的水沙特性和河床冲淤变化进行分析,在此基础上,对穿越段河道的演变特征进行研究。结果表明:工程穿越段的主要河流均为典型的降水补给型河流,洪枯水流量悬殊,洪水陡涨陡落,水位变幅较大,具有来水来沙相对集中、峰高量小的特点。河段冲淤变化与大村站基本一致,多年以来河床冲淤基本平衡;河道受人类活动、地形、地质构造和岩性的控制,河床断面基本多呈“U”形,河道历史演变呈现出相对平衡状态;受河流形态及人类工程影响,预计工程运行期及较长时期内,近期演变特征主要表现为工程河段主流稳定,总体处于冲淤平衡状态。研究结果可精确掌握工程穿越河道的主要水文特性和演变特征,保证工程的顺利安全施工。