东江沙卵石河床浅滩-深潭序列水沙演变特征

东江是珠三角网河区入汇河流之一,属少沙河流,其上游浅滩-深潭序列密集分布,河床结构的演变特性尚不清晰。选取东江浅滩-深潭序列河段进行现场河床质与推移质测量,结合试验得到不同流量和坡降中水流与河床在无上游来沙补给中的互馈机理。试验结果表明：浅滩与深潭交替造成沿程平均流速不连续变化,浅滩中部在洪水流量的塑造下容易产生紊动能峰值。无上游来沙条件下,序列中粗化层的形成、破坏过程交替与循环发生,其中静态分选是主导因素且导致沿程级配不连续。流量与坡降的增大促进浅滩-深潭序列发育,同时使得深潭与浅滩的纵向长度缩短;有上游来沙条件下推移质输沙率增大,无来沙条件下输沙率减小。     

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。     

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。     

弯道水流对下游回水响应特征试验研究

弯道水面横比降及断面环流是弯道水流的显著特性。通过U形弯道水流壅水试验,对弯道水面横向比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速沿程的变化进行了试验研究。结果显示,随着下游回水的抬高,弯道水面横比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速将发生明显的改变。为深入探讨下游回水对弯道水流结构的影响提供了科学依据。     

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。     

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。     

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。     

黑河下游颈口裁弯后河道三维水流结构研究

黄河源黑河下游于2018年7月汛期发生1次颈口裁弯的极端地貌过程,裁弯河段的水流结构发生强烈调整,开展原型观测裁弯后河道水流结构具有重要科学意义。2019年和2020年采用声学多普勒流速剖面仪对裁弯河段共计45个横断面进行野外测量,对比分析裁弯后河道三维水流结构与环流强度。结果表明：受河道形态、边界条件、水文条件等因素影响,裁弯口上游顺直河段的水流结构受颈口裁弯的影响较小,而弯道段水流结构于裁弯后明显调整。具体表现为颈口裁弯对顺直河段的流速、环流强度空间分布无较大影响,会改变弯顶段最大流速的横向分布和环流结构的断面分布、影响分离区的规模和分布位置。研究结果加深了颈口裁弯后水流结构调整对牛轭湖淤积、分离区河床冲淤以及新河道冲刷影响的认识。     

明渠收缩过渡段流速分布及紊动特性试验

受地形、地质等条件影响,明渠收缩过渡段在输水工程中十分常见,过渡段长度过短,会导致水面波动,水体紊动加剧。为研究明渠不同长度过渡段内纵向时均流速及紊动强度的分布规律,通过室内模型试验,利用二维电磁流速仪ACM2-RS测量了渠道内沿程中垂线不同深度处瞬时流速。试验结果表明:收缩段内,纵向时均流速沿程增加,紊动强度沿程降低,遵循涡旋的拉伸机制和线性扭曲理论;受二次流影响,最大流速位于水面以下,且最大流速的位置随二次流作用的增强而降低;不同长度过渡段对下游纵向流速分布和紊动强度影响不同,过渡段越短,下游水流紊动越强,但非渠底附近紊动强度沿垂向先减后增的规律不变。     

矿井排水沟流量测量数值模拟

为实现矿井排水沟测流便捷,基于某矿排水沟实测数据与水流数学模型,通过对其三种宽深比不同的矩形断面所在沟段流场进行数值模拟,获得了各断面流速分布,并利用流速实测值对其进行了验证。结果表明:各断面流速均呈对称分布,且离壁面越近,流速值越小;流量相同时,不同宽深比断面其流速大小及分布形态均有所不同,但断面平均流速基本均在中垂线上水面以下0.8倍相对水深处,可作为单点法测流位置。     

全风化花岗岩突水通道扩展的颗粒起动流速研究

突水突泥是富水全强风化花岗岩隧道施工常见的地质灾害,地层颗粒的流失是导致突水通道扩展的关键因素,其中颗粒达到起动流速是其流失的临界条件。考虑水流冲刷和土体黏结作用,对突水通道断面颗粒进行三维受力分析,导出颗粒的临界起动条件,建立了考虑颗粒粒径、颗粒坡面位置、相对暴露度三因素的颗粒起动流速函数,并利用数值方法分析了上述三因素对起动流速的影响规律。计算分析表明:起动流速随粒径增大先减小后增大,通道断面不同坡面位置颗粒起动流速呈明显的对称性,总体上起动流速随相对暴露度的增大呈增大趋势。采用正交试验法研究了三因素对颗粒起动流速的敏感性,发现粒径对起动流速影响最为显著。同时根据断面颗粒起动最小流速标准及相对暴露度的随机性,简化颗粒坡面位置和相对暴露度两因素,导出颗粒起动流速的简化公式,最后利用室内试验和工程实例验证了该公式的合理性。     

洞庭湖入汇对荆江河段水位的顶托程度与范围

洞庭湖入汇对长江干流水位的顶托作用影响着荆江河段的水文情势变化,分析其变化特征对研究长江中下游防洪安全问题具有重要意义。为揭示汇流顶托作用的程度与影响范围,本文基于1990—2020年荆江河段水位流量关系与洞庭湖汇流比,提出洞庭湖入汇顶托程度的量化方法,构建计算顶托程度的随机森林回归模型,分析顶托程度主要影响因素的重要性。结果表明：(1)洞庭湖入汇顶托程度与汇流比呈显著正相关关系;顶托程度随干流流量增大而增加,2003—2020年枯水、中水和洪水流量级监利站水位受顶托程度平均为0.59、1.33和1.60 m;顶托最大影响范围随干流流量与汇流比增大向上游延伸。(2)随汇流比增大,在2020年干流枯水、中水和洪水流量级下,顶托最大影响范围的延伸区间分别为石首—沙市、石首—陈家湾和陈家湾—枝城;汇流比、荆江段累计冲刷深度、螺山水位及干流流量对顶托程度变化的重要性占比分别为28%、27%、25%和20%。(3)构建的顶托程度计算模型在不同流量级都能够较好地计算荆江河段水位的顶托程度并确定顶托影响范围。     

植被影响下坡面侵蚀临界水流能量试验研究

坡面侵蚀临界水流能量是反映土壤抗蚀作用强弱的重要特征值.利用人工模拟降雨试验,定量研究了在45mm/h、87 mm/h和127 mm/h降雨强度下、20°陡坡面裸地、草地和灌木地的坡面侵蚀临界水流能量.结果表明,不同植被条件下坡面输沙率随径流切应力、单位水流功率和断面比能的增大而增大,有良好的响应关系.裸地、草地和灌木...     

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。     

充气截排水渗流与变形耦合数值模拟

为了探究坡体充气时土体渗流与变形之间的变化规律,利用有限元软件建立厚12m、长100m的二维边坡模型,进行渗流-变形的非完全耦合数值模拟,得到对坡体采取充气截排水方法降低地下水位时坡体内充气非饱和区的形成过程,以及坡体表面土体竖向位移的变化过程。结果表明:一个完整稳定的非饱和区形成过程可分为充气初始阶段、非饱和区扩大水位抬升阶段、不稳定两相流阶段和非饱和区稳定阶段,充气压力过大或过小都无法形成稳定完整的非饱和区;当充气压力为100kPa时,坡体表面土体的竖向位移均随时间呈现先增大后减小的规律,与土体中非饱和区的发展具有一定的协同性;不同充气压力下,偏向充气点上游的坡体表面土体竖向位移随充气压力的增大而增大,偏向充气点下游的坡体表面土体竖向位移的变化具有不确定性。     

不同坡度草地含沙水流水力学特性及其拦沙机理

参照黄土区侵蚀降雨和坡面片蚀产沙特征,采用恒流泥沙输送装置模拟坡面上方来水来沙,探讨不同坡度草地含沙水流的水力学特性及其对上方来沙的拦蓄机理。结果表明,草地坡面的水流弗劳德数随坡度增大而增加,而阻力系数与坡度呈反势。按明渠水流的一般标准,不同坡度草地水流均为层状缓流。草地坡面拦沙效应随坡度增大而减小,且径流前期的减沙作用较后期更为显著。不同坡度草地坡面的出流泥沙平均直径和大颗粒(>10μm)泥沙含量均显著小于上方来沙,这说明草地的拦沙效应主要体现在对大粒径泥沙的拦蓄上。     

淹没刚性植被明渠紊流沿程流动特性差异

淹没刚性植被通过改变水流结构,造成时均流速、紊动强度、雷诺应力等水力参数垂线分布不均匀和沿程差异化。采用声学多普勒测速仪(ADV)测量3种淹没度(3.0、4.0、5.0)下的流速,结合统计学方法,系统分析植被段内及其上、下游过渡段流速和紊动特性差异。结果表明：植被显著增强了水流紊动,且紊动特性取值与淹没度正相关;植被段内流速差异在低淹没度下的植被层内和高淹没度下的自由流动层内更加显著,而紊动特性沿程增强,且垂线分布具有相似性,最大值点位于冠层顶部附近;当淹没度满足KH涡的形成和发展条件时,随淹没度的增大,植被段内紊动特性垂线分布出现转折点(临近此点梯度急剧减小并趋于0)的断面数量增多,经验证,在充分发展的紊流区此点可作为KH涡的上边界点。     

模拟植被覆盖条件下坡面流水动力学特性

利用人工模拟植被试验,系统研究了6个坡度和10个流量、5种覆盖度条件下坡面流水力参数水力要素关系及阻力的变化特征,以期揭示坡面植被水流阻力的内在规律性.结果表明:流态指数随植被覆盖度的增加而显著增加,相同植被覆盖度下,试验坡度对其影响并不显著.各试验工况下,水流流态主要分布在"虚拟层流区"和过渡流区,未达到紊流区.随试验坡度的增加,水流流态由缓流向急流区域延伸,而随覆盖度的增加,流态向相反方向延伸.植被覆盖条件下坡面水流阻力与雷诺数的变化规律并非呈单调增加或者单调递减的趋势,而与植被覆盖度紧密相关,当植被覆盖度较低时,阻力系数随雷诺数的增加而减小,而覆盖度较高时,阻力系数随雷诺数增加呈线性增加的趋势.     

宽浅陡槽水流动量分布特性及影响分析

对宽浅陡槽水流特性及其对下游消能衔接影响进行了试验研究。首先通过对浅层急流边界层的发展、掺气特点的分析探讨,得到了宽浅陡槽水流阻力损失比一般陡槽急流大许多的能量损耗特点及相应流速系数的范围值。分析了不同水流、边界条件下宽浅陡槽水流动量分布的特性,发现宽深比<40而流量较大时,陡槽末端呈“马鞍型”动量横向分布,具有较强的稳定性与抗干扰性;宽深比>40而流量较小时,陡槽末端呈“椭圆型”动量横向分布,这种态势缺乏对外界干扰的遏制能力,稳定性很差。指出,宽浅陡槽末端水流不稳定源于浅层急流断面动量横向分布缺乏强大的两翼控制,形成微小干扰累加递增作用,最终导致末端水跃的不稳与消能不充分,并提出了调整动量分布改善下游衔接水流稳定性的措施。     

不同应力条件下砾石土防渗料和反滤料联合抗渗试验研究

利用自行研制的可提供高水压、高应力的粗粒土大型高压渗透仪,对双江口砾石土心墙堆石坝防渗料和反滤料进行了联合抗渗试验,研究不同应力状态下防渗料和反滤料的渗透变形特性。结果表明：（1）单向压缩条件下,防渗料的渗透系数随应力的增加而减小,且渗流稳定时的渗透系数与应力的关系满足Louis负指数方程;试样发生破坏的临界坡降随应力的增加而增大。（2）水平加荷、竖向自由变形条件下,试样的渗透系数随水平应力的增加先减小后增大。试样发生破坏的临界坡降随水平应力的增加先增大后减小。在达到峰值之前,反滤料越松或越细,临界坡降随水平应力增大的幅度越大;在达到峰值之后,反滤料越密或越细,临界坡降随应力减小的幅度越大。