Formula of incipient velocity for flooded vehicles

With the climate change caused by global warming, the occurrence probability of urban flooding due to flash floods has increased gradually. Flush floods propagate rapidly, which can lead to significant hazard to human life and property. Flood hazard to vehicles has become more noticeable and frequent in recent years. Therefore, it is important to investigate the behaviour of vehicles on flooded streets or roads. In the current study, a formula has been derived to predict the incipient velocity of flooded vehicles according to the mechanical condition of sliding equilibrium. A series of flume experiments were conducted using three types of scaled die-cast model vehicles, with two scales being tested for each type of vehicle. The experimental data obtained for the small-scale model vehicles were used to determine the two parameters in the derived formula, and the prediction accuracy of this formula was validated using the experimental data obtained for the large-scale model vehicles. Finally, the corresponding incipient velocities under various incoming depths were computed using this formula for these three prototype vehicles. It is found that for a specified vehicle, the value of incipient velocity reaches its minimum as the incoming flow depth approaches the height of the vehicle, and the smaller and lighter vehicle like Mini Cooper is the easiest to start sliding in floodwaters. The results can be used as a preliminary assessment to define the hazard to vehicles parking on flooded streets or roads.     

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。     

泥沙颗粒生长生物膜后起动的实验研究——Ⅱ.起动流速计算

泥沙颗粒生长生物膜后,起动流速发生了较大变化.根据生长生物膜后的泥沙起动流速实验数据,考虑天然水体中,生物膜填充于颗粒与颗粒之间形成除水以外新的介质,将生物膜的作用模化为生物膜作用产生的粘连力,再考虑生物膜随时间变化的特性以及基底物理特性的影响等因素,结合泥沙颗粒之间由于薄膜水产生的黏结力、重力等,研究了颗粒在滑动和滚...     

Changes in the critical erosion velocity for sediment colonized by biofilm

In flowing water the incipient motion of sediment can be affected by the presence of microbial biofilm growth. This article documents a series of flume experiments using non‐uniform sediments, in which sediment entrainment was investigated for cases where the sediment was immersed in deionized water, so that no biofilm developed, and for cases where a bio‐sediment was cultivated by placing the sediment in a mixture of natural water and nutrient solution. Differences in entrainment and the velocity at incipient motion were measured over an eight week period, as biofilm grew. It was found that the incipient motion phenomena were quite distinct between the two kinds of sediment. Sediment with biofilm was more stable and, over time, incipient velocity increased to a threshold level, before declining. Biofilm development is clearly an important control on the stability of sediments, especially in eutrophic water bodies. Two incipient velocity formulas were derived for sliding and rolling conditions. Film water theory was utilized to describe the cohesive force between sediment particles and the adhesive force generated by biofilm was introduced into the formula derivation; the time variation characteristics of biofilm strength and the features of the substrate were also taken into consideration. Such analyses can help to predict sediment transport changes due to biofilm presence in nutrient‐rich water bodies.     

选沙相似律对模型沙波相似性影响的试验研究

为了弄清选沙相似律对动床模型沙波相似性的影响,开展基于起动相似等3种不同相似律选择模型沙的沙波水槽试验。基于试验观测的沙波波高、波长以及沙波不同部位的水深、流速,对比分析了沙波尺度及其随水流强度变化过程的相似性。结果表明:当模型沙重率、形状与原型沙相同时,满足起动相似的模型沙沙波尺度与原型相似性最高,满足悬浮相似模型沙的沙波整体偏高、偏长,兼顾起动与悬浮相似的模型沙介于两者之间;不同选沙相似律不影响沙波波高、波长随相对水流强度的变化规律,满足不同相似律的模型沙沙波波高均在相同的相对水流强度达到最大值,波长随相对水流强度增大而增大。说明偏离起动相似越少,沙波相似程度越高。     

波浪及波流边界层泥沙起动规律

基于波浪边界层理论及单向流泥沙起动Shields曲线,推证出波浪泥沙起动Shields曲线;基于波流边界层理论,提出表述波流边界层动力特征的波流比因子X及非线性作用因子Y,并建立了Y与X的相关关系;在此基础之上,结合单向流及波浪泥沙起动Shields曲线,推证出波流共同作用下泥沙起动Shields曲线。结果表明:波浪泥沙起动Shields曲线在层流区与单向流光滑紊流区曲线保持一致,粗糙紊流区与单向流粗糙紊流区曲线保持一致,过渡区线型为折线,由层流区及粗糙紊流区曲线延长交汇获得;X及Y能够合理地表征波流边界层动力对比特征及非线性作用特征;波流泥沙起动Shields曲线介于波浪及单向流泥沙起动Shields曲线之间,随着波流比因子X的不同,依据非线性作用因子Y,自动在波浪及单向流泥沙起动Shields曲线之间非线性过渡。建立的波流泥沙起动Shields曲线与试验结果吻合较好,且能够概括单向流、波浪及波流等不同动力及细沙、粗沙等不同粒径的泥沙起动条件。     

非完全淹没水平圆柱上波浪力特征的数值模拟

为研究大波幅波浪作用下,非完全淹没水平圆柱所受波浪力的特征,基于黏性流理论采用有限体积法建立两相流数值波浪水槽模型,对不同波幅和圆柱垂向位置下非完全淹没水平圆柱所受波浪力进行了数值计算,并对波浪力和冲击力的特征进行了分析,讨论了冲击力与冲击速度的关系,结合经验计算公式拟合得到了冲击力系数。结果表明:波浪力的大小受波幅和圆柱垂向位置的影响比较显著,其影响机理与波浪场流体运动特性相关;冲击力的大小与冲击速度密切相关,而垂向冲击力在波浪力中起主导作用时,对应的最小预测冲击速度受圆柱垂向位置影响并不显著;不同圆柱垂向位置下冲击力系数随着波幅增大由分散性较强逐渐趋于集中。     

考虑起动概率的无粘性均匀沙起动条件

根据无粘性均匀沙起动的力学条件,在已有研究成果基础上,推导出泥沙起动概率与水流条件之间的关系式,得到考虑起动概率的起动切应力及起动流速公式,并将起动条件与起动标准联系分析.通过对现有几个典型无粘性均匀沙起动条件公式分析表明,本文公式较为合理.     

横向槽沟内非均匀流的试验研究

以横向槽沟中产生的非均匀流为研究对象,通过水槽概化模型试验,在实测纵向流速分布的基础上,分析了不同来流条件及不同槽沟边坡角度下的槽沟内水面流速、槽底流速等沿程变化规律,同时还得到了计算槽沟内反向平均流速及正向平均流速的经验公式.     

水泥土(砼)抗压试件尺寸表面约束对强度的影响

推导了圆柱体试件和长（立）方体试件,分别在不同表面摩擦力和不同高宽（径）比下基于双剪屈服准则下抗压强度的理论计算公式,并与实验结果比较所得结果与实验结果甚为吻合。其理论计算与实验结果都说明,试件尺寸的不同与表面抹油与否对水泥土抗压强度均有一定的影响。其高宽（径）越大,其强度越低且越趋于一定值。试件上下表面不摸油其抗压强度略高抹油情况。     

泥沙颗粒间黏结力作用及其对泥沙起动影响研究进展

黏性沙起动是泥沙起动研究的难点,黏结力作用是影响黏性沙起动的关键。从形成机理出发,归纳出泥沙起动中主要涉及2大类、共6种黏结力作用,探寻了其中典型的双电层力及EPS（Extracellular Polymeric Substances）黏结力的形成机理及影响因素,从泥沙稳定性及起动模式两方面剖析了黏结力作用对泥沙起动的影响,比较分析了黏结力作用的量化研究。现有研究往往对某种黏结力进行研究,较少考虑多种黏结力之间的相互作用和综合效应,系统性不足;已有的成果多是基于实测资料得到的经验关系,缺乏从机理层面得出定量关系,理论性不强。未来应根据泥沙所处环境,综合考虑泥沙颗粒间存在的多种黏结力作用,从黏结力作用形成机理出发,深入研究黏结力作用的量化表达。     

基于动理学理论的推移质输沙公式

根据Boltzmann方程得到了床面附近运动颗粒的速度分布函数,将其在速度空间上积分,同时考虑床面颗粒起动概率的影响得到了床面颗粒的冲刷率函数。在此基础上,将该函数代入Einstein提出的推移质输沙基本模式中得到了基于动理学理论的推移质输沙公式。研究结果表明:① 公式计算结果与实验数据吻合,相对误差为10%~50%,可用于高强度和低强度输沙,能够较好地反映出床面附近运动的推移质颗粒的统计属性;② 得到的推移质输沙率理论表达式与经典推移质输沙公式十分接近,同时大大改善了Einstein公式在高强度输沙情况下的计算结果,这也说明了本文理论推导的正确性。     

基于分形与损伤理论的岩石声-应力相关性理论模型研究

建立单一微裂纹在单轴压缩荷载作用下的力学模型,采用宏观复合型断裂理论中的最大周向应力理论,求出单一微裂纹达到稳定时的形态尺寸.利用分形损伤理论,求出不同荷载阶段的分形维数;由分形维数的定义导出了不同荷载阶段的裂纹个数的变化情况;结合单一微裂纹的形态尺寸,求出不同荷载阶段中岩石孔隙率与荷载值之间的关系;利用目前被广泛采用的超声波纵波速度与孔隙率的关系式,最终导出单轴压缩荷载作用下岩石超声波纵波速度与应力的理论关系式.进行岩石声-应力的试验测试,根据试验成果作出声-应力曲线,并与理论声-应力曲线进行比对,结果表明,理论模型比较适合于反映岩石受载全过程中的后半部分的声-应力关系.     

Large wood transport modelling by a coupled Eulerian–Lagrangian approach

The paper discusses a model which predicts the trajectory of floating rigid bodies and may be applied to compute the motion of woody “debris” mobilized during floods. The model couples a Discrete Element (DE) Lagrangian approach for the calculation of motion of rigid bodies with the Eulerian solution of the shallow water equations (SWE), in order to simulate the transport of a cylinder in a two-dimensional stream. It differs from existing models since it is based on a dynamic approach, adapting the Basset–Boussinesq–Oseen equation. In a first step, forces are computed from flow and log velocities; then, the equations of dynamics are solved to model the planar roto-translation of the body. Model results and physical reliability are clearly affected by the values of the drag and side coefficients, especially since logs, modelled as cylinders, are able to change their orientation towards the flow. Experimental studies to evaluate drag and side coefficients can be found in the literature for a submerged cylinder, with various orientations. To extend such results to the case of a floating log, the authors performed a series of laboratory tests on partially submerged cylinders, implementing the outcomes in the proposed DE-SWE model. The coupled model is validated against existing laboratory data concerning spheres and wooden cylinder transport.     

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。     

地铁隧道穿越角度对地表建筑物的影响分析

结合深圳地铁隧道下穿某住宅小区建筑群的工程实践,以某框架结构建筑为研究对象,按照隧道-土体-结构共同作用,利用Midas/GTS软件建立三维非线性有限元模型,计算了隧道轴线与地面建筑物成90º、60º、45º和30º夹角4种不同工况,分析隧道轴线与建筑物不同夹角条件下隧道开挖对地表建筑物基础沉降和结构受力变形分布形态的影响。计算结果表明,隧道以不同角度穿越时,地表建筑基础的沉降过程和分布形态差异明显。随着穿越角度? 的减小,基础沉降最大增幅为37.3%,建筑基础沿线沉降由对称分布转为侧向倾斜,相邻柱基沉降差增大;建筑倾斜和扭曲变形增加明显,最大增幅达10倍;由于分析部位不同,相比建筑基础及底部结构变形而言,隧道穿越角度的改变对建筑内力影响较小。     

滑坡预测预报中改进的Pearl模型及其应用

针对选点法和变换法在求取Pearl模型参数时误差较大的缺陷,且预报判据缺乏足够论证,可能导致预测预报准确度较低问题,将非线性拟合确定参数的方法应用到Pearl模型的滑坡预测预报中,推导了Pearl模型速度和加速度最大值判据预报滑坡发生时间的计算公式。将非线性拟合确定参数的方法和推导的判据计算公式应用于一些滑坡实例的预报中,结果表明:滑坡实际发生时间介于Pearl模型速度最大值判据和加速度最大值判据的预报时间之间,用Pearl模型加速度最大值判据能起到提前预报的作用。     

规则波作用下刚性挺水植物波生流试验研究

通过在波浪水槽中进行一系列物理模型试验研究规则波作用下刚性挺水植物波生流特性,测试了2种水深和不同入射波况条件下的波生时均流速并对比了挺水植物有茎与无茎时波生流的情况,基于假设检验分别对挺水植物的拖曳力长度尺度、植物特征参数建立模型。研究结果表明:在茎密度为60株/m2时,波生流仍以根部作用为主要因素,对沉水植物公式进行拓展,据此提出挺水植物时均流速最大值预测公式;茎部对时均流速均方根具有衰减作用,且茎部在根部及根部上方区域产生的相对衰减强度,与厄塞尔数呈抛物线函数关系;在簇状根系分布下,茎部对垂向流速结构起稳定作用,尤其是在时均流速最大值所对应的量纲一垂直位置。     

相邻基坑土条土压力计算方法探讨

基坑工程实践中,经常遇到相邻基坑土条土压力如何计算的问题,现行基坑规范尚没有计算方法。通过理论探索和工程实践,对前、后期的基坑支护型式进行了归类和组合,提出了相临基坑宽度的确定原则;提出了建立在库仑土压力理论基础之上的简化计算方法--叠加法,推导并给出了非黏性土和黏性土在不同坡率和地面分布有荷载条件下主动土压力系数和土压力的计算公式,并提出了临界宽度的概念和土条土压力折减系数的计算公式。利用所提出的叠加法、临界宽度的概念和土条土压力折减系数的计算公式,可以简捷地计算不同土层、不同坡率和地面荷载条件下的土条土压力合力及土压力强度。工程实践表明,该方法概念清晰、理论依据充分、计算公式简便,以此设计的基坑支护结构安全合理,可供类似基坑支护工程设计参考。