Einstein床沙质输移理论的再研究——关于粗颗粒床沙质输沙率的计算

本文讨论了H.Rouse泥沙浓度分布公式的数学性质.在此基础上,将悬浮指数z<1的泥沙定义为细沙;将z≥1的泥沙定义为粗沙。本文推导了粗沙情况下床沙质输沙率的解析计算公式,经与数值结果比较,表明本文的推导是正确的。     

沙质河道冲刷不平衡输沙机理及规律研究

通过动床水槽试验,观测沙波运动,揭示了湍流扫荡河床使表层床沙产生频发的群体起动冲刷现象。据此,提出了床沙交换及冲刷粗化分二个层次的物理模式;分析了冲刷时表层床沙粗化的必然性,确定了悬移质扩散过程中适于非均匀沙河床的新的近底边界条件。依据所建立的不平衡输沙立面二维数学模型,计算了大量不同情况下的含沙量扩散恢复过程,据此总结出了冲刷时含沙量恢复饱和系数α的预报公式及变化规律。     

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.     

Einstein床沙质输移理论的再研究——关于细颗粒床沙质输沙率的计算

本文对Einstein输沙模式进行了简化处理.在此基础上,通过严格的数学推导,求出了Einstein床沙质挟沙能力公式中的J₁、J₂及p积分,从而给出了Einstein床沙质输沙函数的解析关系.通过与数值解的比较,表明本文的结论是正确的.由于本文所给的解析结果较简单,所以使Einstein输沙公式有可能在实际中,特别是在河床变形计算中得到广泛应用.但是本文是在悬浮指数z<1的情况讨论的,因此结论只适用于以悬移质运动为主的细沙河流.     

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。     

细颗粒对钙质砂渗透性的影响试验研究

钙质砂地基的渗透性是影响人工灰沙岛地下淡水形成的重要因素,而细颗粒的含量及其赋存状态对渗透性有重要的影响,为此开展了不同细颗粒含量的钙质砂渗透性试验研究。选用南海某岛的钙质砂,基于不同细粒配比的钙质砂样常水头渗透试验,分析细颗粒对钙质砂地层渗透性的影响。试验结果显示,促使钙质砂渗透性发生明显变化的粒级为≤0.075mm范围。当最小粒径≤0.075mm时,钙质砂的渗透系数量级为10^-2cm/s,呈中透水性。当最小粒径介于0.075~0.500mm时,渗透系数量级为10^-1cm/s,呈高透水性。钙质砂最终稳定渗透系数与细粒含量之间表现出不同的规律:(1)当细颗粒含量小于9%时,渗透系数随细粒含量的增加而缓慢减小;(2)当细颗粒含量在9%~24%时,渗透性随细粒含量的增加而迅速减小;(3)当细颗粒含量大于24%时,渗透性随细粒含量的增加变化不大。影响渗透系数的细粒含量存在着由试样骨架形成的孔隙决定的,反映孔隙最佳充填时的细粒含量界限值,充填不佳或过量细粒均可能在渗透作用下发生细粒运移流失。     

细颗粒运移对土体力学特性的影响

在渗流条件下,松散土体中的细颗粒会逐渐被水流带走,从而改变土体的颗粒级配及微结构,进而影响土体的宏观力学参数如强度和弹性模量等。本文针对土体中细颗粒迁移对土体宏微观参数的影响,开展基于核磁共振仪器的微观孔喉结构观测实验及基于孔隙网络模型的计算。研究表明,沿土体深度方向细颗粒随孔隙渗流而下移,中部聚集程度最高,这样导致中部小孔隙明显大于上部和下部。在渗流过程中,孔隙水并不能充满整个区域,上、中、下部均存在没有被水波及的范围,中部未波及范围最大,渗流通道最少,相同流量下的孔隙水压更高,因此中部的强度和刚度变化也最大。     

细颗粒流失对砂砾石土本构关系的影响研究

采用悬挂式防渗墙的坝基砂砾石土中可能发生潜蚀(suffusion)侵蚀而流失细颗粒,导致土体的强度和变形模量降低,从而对坝基防渗墙及上部坝体造成不利影响。定量描述细颗粒流失量对砂砾石土应力-应变关系影响的模型是定量评估这种影响的基础之一。提出了研究这种本构模型的试验方案,进行了三轴和侧限压缩试验研究了颗粒流失量对应力-应变关系的影响。颗粒流失未改变土体的应力-应变特性,但降低了土体的强度和变形模量。通过建立模型参数与流失量的关系,可以用同一个本构模型描述流失量时空变化的砂砾石土本构关系。基于邓肯E-B模型,建立了模型参数与颗粒流失量之间的定量关系表达式,从而实现了颗粒流失对应力-应变关系影响的定量描述方法。     

高含沙浑水静态剪切应力的试验研究

以试验为手段对高含沙浑液的静态剪切应力进行了探讨,得出静态剪切应力比用压力式流变仪测出的动态剪切应力要大,其差值随着静态时间的增长而加大,且与含沙量成正比,与粒径成反比的定性结论。配合水槽概化试验,论述了静态剪切应力的存在使高含沙水流层流区的阻力随时间增长而加大;静态剪切应力的存在也是造成河道滩槽贴边淤积和滩地高含沙水流整体停滞的根源,是河槽形成"自然堤"的主要因素。     

床面附近泥沙交换率在悬移质输沙计算中的应用

总结并分析了关于悬移质运动方程的源/汇项或底部边界条件的已有的处理方法.认为在悬移质输沙计算中,这些方法因引入了平衡输沙概念、忽略了推移质颗粒对悬移质运动的影响或因缺乏床面附近泥沙质量交换率的理论表达式,均存在着某些不足.运用床面附近泥沙质量交换率理沦,对一般的悬移质输沙方程的底部边界条件进行了新的探讨,并提供了关于一维和垂向二维悬移质输沙的计算实例.     

渗流边界上推移质输沙率

天然河道边界上常由于地下水和地表水的水位不同而产生渗流,引起水流的非静水压力分布,进而影响推移质输移规律,也使得常用的推移质输沙率公式不再适用.利用水槽试验测定沙波的尺寸及运动速度与床面渗流水力梯度的关系,结果表明沙波的高度及运动速度随着向下渗流强度的加大而增加,随着向上渗流强度的加大而减少;进而结合理论分析,利用沙波运动特点估算推移质输沙率,并推导出推移质输沙率随床面渗流的引入而变化的计算公式,分析渗流引起非静水压力分布下推移质输沙率的变化.     

高含沙分层流的试验研究

高含沙水流进入低含沙量河流中时,往往形成比较稳定的分层流.通过水槽试验研究了泥浆流同向分层流的深度比,界面剪力在分层流中的作用,闸门开启引起的双向分层流的速度,以及各种分层流的稳定性.     

黑河流域张掖市物质流账户体系的初步构建

物质流核算与分析(MFA)以重量形式测度经济系统的代谢规模——吞吐量,反映人类活动对环境压力的直观信息,也是生态可持续性的有效衡量.建立包括MFA在内的实物账户,成为研究区域环境经济综合核算的基础.介绍了MFA的理论背景以及区域物质流账户的基本框架及其衍生的指标体系,参照欧盟统计局《物质流指导手册》,以甘肃省张掖市为例,初步构建了中观尺度上的区域物质流账户.结果表明:张掖市物质需求总量(TMR)中生态包袱比例高达86.5%,其中最大的是煤炭及矿物和建材开采所产生的生态包袱,占TMR的65.2%,经济发展对自然环境的扰动破坏影响十分显著,资源开发粗放,利用效率低下.张掖市目前经济发展水平和产业结构特征,决定了张掖市经济系统物质资源的需求结构中相对较高的基础原材料投入,缓解环境压力的根本途径在于促进产业结构的升级调整.     

在缆道高悬点、无拉偏条件下开展推移质测验的试验研究

在乌江武隆站高悬点、无拉偏缆道上，从采样器在床面及出入水的稳定性、是否拖刮河床，以及偏离断面等方面对推移质测验的可靠性进行了试验；在此基础上，进一步测试了推移质断面输沙率。试验结果表明，在缆道高悬点、无拉偏条件下，AYT型采样器在中、低水位测验时效果较好，但高洪水位时可靠性难以保证。该成果对指导山区性河道推移质测验有重要意义。     

沉积物重力流流体转化沉积-混合事件层

随着浊流和碎屑流理论体系日臻成熟,重力流的流体转化过程逐渐受到重视,而与其相关联的混合事件层概念也应运而生。混合事件层是单次碎屑流或浊流流体转化中的沉积记录,是多种流变学特征的垂向沉积组合。典型混合事件层沉积序列具有五段式的特征（即纯净砂岩段H₁、条带状砂岩段H₂、黏性碎积岩段H₃、波状层理段H₄、块状泥岩段H₅）,其内部通常存在岩性突变界面。混合事件层发育于粗粒三角洲内部、海底扇和水道与舌状体过渡区、舌状体侧缘、远端及限制性的微型盆地边缘地区,其垂向叠置厚度可达数十米。混合事件层的发现对重力流流体转化、重力流沉积物空间流变学性质研究具有重要意义,同时也推动了油气储层构型和非均质性研究,为进一步寻找深水有利储集砂体提供了新思路。混合层地球物理识别方法的建立及其相关概念在湖泊重力流研究中的灵活应用将是下一步的研究方向。     

三峡水库入库推移质输沙特性变化及其原因分析

朱沱、寸滩水文站是三峡水库主要入库控制站。通过对朱沱站1975～2001年、寸滩站1966～2001年实测卵石推移质资料分析，结果表明，朱沱站从1991起、寸滩站从1981年起，卵石推移量系统减少，粒径细化，起动流速增加，水沙关系明显变化。河道采砂、水利工程拦沙、水土流失治理是三峡水库入库推移质输沙特性发生变化的主要原因。     

圆柱绕流无沙区试验研究

试验发现推移质泥沙随水流绕过圆柱体时,将在圆柱周围的床面上形成一个无沙区。根据动能定律建立了圆柱绕流无沙区的定量关系式。分析该定量关系式可知,无沙区的范围随圆柱直径的增大而增大;当泥沙粒径减小时,无沙区的范围将增大;水流条件的变化直接影响泥沙颗粒的运动情况,同无沙区的形成、消失及范围大小有密切的关系。理论分析结果同试验现象是一致的。