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.     

河床粗化过程中推移质输移特征试验研究

为了研究河床粗化破坏与形成过程中推移质的输移特征,基于一套新型的接沙系统,在上游无来沙条件下,进行了3组不同床沙级配的水槽试验,研究了递增梯级流量作用下河床粗化破坏与形成的过程,采集到一套高精度（0.1 g）、高频率（1 Hz）的实时推移质输沙率及分时段输沙级配数据,分析了累积输沙量、输沙率及输沙级配的变化特征。结果表明,粗化过程中累积输沙量随时间基本呈幂函数规律增长,且"粗化破坏再形成"的累积输沙量曲线出现明显转折点;推移质输沙率表现出明显的非恒定性,其粗化形成阶段的耗时要远大于粗化破坏阶段的时间,两者之比范围为3.5~20.5;推移质输沙级配中粗颗粒比例随时间变化趋势与输沙率相似,在输沙率达到峰值附近时,输沙级配与原始床沙级配相同。     

推移质输沙对阶梯-深潭系统消能的影响

阶梯-深潭系统是山区河流上一种河床结构形态,具有稳定河床和消能减灾的作用。推移质运动会影响水流结构并改变河床形态,从而影响阶梯-深潭系统的消能效率。在野外构建阶梯-深潭系统,通过人工加沙试验,研究不同来水来沙对阶梯-深潭系统流场及消能的影响。研究表明,推移质运动使阶梯上紊动略增强,深潭中紊动大为减弱,从而使阶梯-深潭系统消能率降低。推移质运动的增强改变水流能量分配,其消能附加作用使阶梯-深潭结构消能降低和深潭淤埋。     

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。     

推移质翻越低坝输移特性的试验研究

对于山区河流低坝而言,平时淤积在坝前的推移质粗沙可能会在洪水期集中翻越坝顶,形成高强度输沙。本文开展水槽试验,研究推移质粗沙自上游起动、推进、再翻越坝顶后向下游输移的过程,分析了输沙参数的变化特性及数理规律,描述了翻坝输沙模式及运动特征,揭示了输沙规律与河床形态之间的自然联系。取得如下认识:①输沙量随时间大致以幂函数规律增长。②低坝附近区域河床形态终将趋于稳定,上游和下游均形成相对稳定的曲面斜坡淤积体。③在不同的水流强度下推移质翻坝输移模式存在差异。对于一般水流强度工况,上游淤积体曲面斜坡表面泥沙颗粒以滚动或滑动模式起动,推移至接近坝顶位置时再跃移翻坝,后向下游输移;对于更高水流强度工况,后期的翻坝输沙模式可能发生显著转变,周期性边壁漩涡成为翻坝输沙的主要动力来源。     

推移质翻越低坝输移特性的试验研究

对于山区河流低坝而言，平时淤积在坝前的推移质粗沙可能会在洪水期集中翻越坝顶，形成高强度输沙。本文开展水槽试验，研究推移质粗沙自上游起动、推进、再翻越坝顶后向下游输移的过程，分析了输沙参数的变化特性及数理规律，描述了翻坝输沙模式及运动特征，揭示了输沙规律与河床形态之间的自然联系。取得如下认识：①输沙量随时间大致以幂函数规律增长。②低坝附近区域河床形态终将趋于稳定，上游和下游均形成相对稳定的曲面斜坡淤积体。③在不同的水流强度下推移质翻坝输移模式存在差异。对于一般水流强度工况，上游淤积体曲面斜坡表面泥沙颗粒以滚动或滑动模式起动，推移至接近坝顶位置时再跃移翻坝，后向下游输移；对于更高水流强度工况，后期的翻坝输沙模式可能发生显著转变，周期性边壁漩涡成为翻坝输沙的主要动力来源。     

基于高速摄像技术的推移质运动特征试验

在明渠中开展不同水流条件下低强度均匀沙平衡输沙试验,基于灰度相减方法分析整个床面推移质运动特征,以探寻紊流结构与推移质运动之间的作用机理。结果表明:①受水槽横向方向水流强度分布特征影响,推移质运动概率从水槽中线到两侧壁逐渐变小,且基本呈对称分布;②在紊流相干结构作用下,推移质床面在紊流低速条带区形成凸槽,高速条带区形成凹槽,推移质运动概率沿水槽横向方向存在高低相间的带状分区;③随摩阻雷诺数增大,相邻两推移质运动高概率区域的间距值变化范围为0.13~0.24倍水槽宽度,其值随摩阻雷诺数增大而增大;④不同水流条件下,推移质运动高概率区域间距值约为水深的2倍,这与流向涡模型吻合,表明流向涡是诱导床面出现凹凸相间形态的重要因素。     

黄河下游河道悬移质泥沙与床沙交换计算研究

在前人研究成果的基础上,根据挟沙水流任一粒径组泥沙在输移过程中质量守恒原理,建立了一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换基本方程;通过引入平衡冲淤物粒径的概念,建立了河床处于淤积与冲刷时冲淤物粒径的计算公式,并提出了一套完整的一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换计算方法。将该成果引入黄河下游一维扩展泥沙数学模型中,采用黄河下游1977年高含沙洪水与1999年汛后至2002年汛前冲刷系列进行了验证。结果表明,该方法能较好地模拟悬沙与床沙的交换过程,克服分组挟沙力方法的缺陷,使得非均匀沙计算理论上更加完善,应用上更加方便。     

长江中游动床阻力计算

动床阻力计算是水沙数学模型中的重要研究内容。三峡工程运用后，进入长江中游河段的沙量剧减引起河床冲刷及床沙粗化，导致动床阻力的变化特点更复杂，有必要研究长江中游动床阻力的计算方法。采用长江中游枝城、沙市及汉口等5个水文站2001—2012年的1 266组实测数据，选取弗劳德数（Fr）和相对水深（h/D₅₀）作为动床阻力计算的主要影响因子，建立基于水流能态分区的动床阻力公式并利用多元非线性回归的方法率定相关参数，采用长江中游上述5个水文站2013—2017年的651组实测数据对公式进行验证。结果表明：① 长江中游的动床阻力主要处于低能态区和过渡区；② 基于水流能态分区动床阻力公式的计算精度明显高于现有阻力公式，决定系数（R²）约为0.89，阻力系数n的计算偏差小于±30%的数据达97.7%。     

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。