沙质河床冲刷过程中床沙级配的模拟

研究了沙质河床冲刷过程中床沙级配的模拟方法。在该方法中采用了新的描述床沙级配变化的动力学方程和床沙级配在交换层内垂向变化与水流强度、河床冲刷强度的关系,反映了冲刷过程中交换层内向床面补充的物理过程。通过室内实验率定了相关参数,建立了床沙级配变化动力学方程的数值求解方法,模拟了床沙冲刷粗化。计算结果与室内实验结果符合较好,表明所建议的方法反映了河床冲刷中床沙级配变化的物理事实,可用于沙质河床冲刷粗化模拟。     

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。     

河床采沙挖槽的溯源冲刷影响规律

针对长距离河段大量人工采沙、挖槽发生的河床溯源冲刷影响因素、发展规律及预测方法进行研究。考虑该问题的清水冲刷特征,建立了一维水动力学方程、河床变形和推移质输沙方程组,用TVD（Total Vartation Diminishing）性质的MUSCL-Hancock时空二阶格式和对水流、河床变形方程分别用有限体积和有限差分法进行数值求解,用水槽试验作了验证并研究了溯源冲刷规律。溯源冲刷长度在初期30%的时间内可达平衡时的80%,冲刷速率随来流强度、跌坎高度和跌水水头差明显增大。平衡溯源长度随流量的线性增长率约为0.8,随跌水高差的增长较缓,冲刷最大厚度约为跌坎高度的0.5倍。采沙挖槽河床一旦形成溯源冲刷,则发展迅速,流量和跌水高差是重要影响因素。在合理考虑输沙方程的基础上,该数值模型可用于溯源冲刷的预测,计算速度快且精度较高。     

河床冲刷粗化多步预报模式研究

运用概率论与力学分析相结合的方法,提出了考虑非均匀沙隐暴效应的泥沙起动概率计算模式,并在已有研究成果的基础上,建立了以泥沙起动概率为核心的河床冲刷粗化多步预报模式,该模式可同时满足预报粗化层级配和冲刷深度的要求。实测资料验证表明,此模式具有较好的预报效果。     

细颗粒对粗颗粒床沙质输沙率影响的初步研究

考虑高含沙紊流涡团中细颗粒絮凝形成网络结构对粗颗粒运动影响后,建立了粗颗粒悬移质泥沙的输沙率计算方法.该方法中包含的细颗粒影响项反映了流域因素对粗颗粒泥沙输沙的影响,证明细颗粒的影响是引起多沙河流中“多来多排”现象的一个重要因素.与黄河实测资料的对比表明,该计算方法能够反映高含沙紊流输沙时随流域细颗粒增多粗颗粒悬移质输沙率相对增大的现象,并具有较好的计算精度     

下切性河流的床沙响应与纵剖面调整机制

天然河流中一些下切性河流具有独特的河床演变规律,如不规则形式的纵剖面等。通过现场调查、资料统计和GIS分析等方式,探讨了河道自然下切过程中河床演变相关机理及其对河流纵剖面的影响,揭示了其中蕴含的定量规律。分析结果表明,下切性河流系统存在床沙的响应与补偿机制,是河流系统由下切转为平衡的重要动力因素之一。响应调整后深切河段的床沙能消耗更多侵蚀能量,从而维持高比降的陡坡河道。因此,下切深度的沿程分布与一些特殊的纵剖面形态有关。经统计发现,流量与床沙（下垫面条件）是最重要的纵剖面控制性因素,引入量纲一参数可与比降建立良好的线性关系。     

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。     

河流冲刷对堤岸渗流和变形的影响研究

通过理论分析和有限元技术,建立了综合考虑河流冲刷力、渗透力、自重应力耦合力系下的堤岸（水上、水下）与河床的整体分析模型,直接分析河流冲刷作用对堤岸渗流和变形的影响,并结合强度折减有限元法分析河流冲刷对堤岸边坡整体稳定性的影响。结果表明,渗透流速的最大值出现在堤脚,冲刷作用使堤岸的渗透流速有所提高,并使堤岸坡脚沿外江方向的水平位移明显增加,愈靠近坡脚,外江方向水平位移增加的幅度愈大,在不同水位下堤脚都是最易受到渗流和冲刷影响的地方;河流冲刷进一步加大了堤岸和河床塑性区范围,堤岸的安全系数降低;河流冲刷对堤岸渗流和变形产生的影响随着河水位的上升而加剧,河水位越高,冲刷作用使堤岸稳定性降低的幅度越大。     

多沙河流平面二维泥沙数学模型研究

针对冲积河流河床演变速度快、边界调整幅度大的特点,采用积分方法数值求解水流泥沙基本方程,建立了适合于多沙河流泥沙及河床演变规律的二维数学模型,在数值方法方面考虑了物质守恒性及对多变边界的适应性,采用了比较简单的动边界处理模式。通过工程实例的计算验证,证实了模型所采用的基本方法是合理的,模型有较强的河床边界适应能力,可用以解决有关多沙河流河床演变预测及浑水洪水预报的有关问题。     

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。     

对黄河下游河道输沙能力的新认识

综述了10a来利用高含沙水流特性治理黄河下游河道的研究进展,其中包括黄河水沙变化趋势,高含沙洪水的输沙特性,阻力特性,河槽形态调整变化规律,河道特性与来水来沙之间的关系;改造下游宽浅河道的最优水沙组合,水库调水调沙运用原则,及治理前景等内容.如能实现,下游河道淤积可大幅度减少,输沙用水可大量节省,黄河水资源可得到充分利用,并能形成窄深稳定的新河槽.     

河工动床模型存在问题及其解决途径

河工模型是解决江河治理及大型水利水电工程泥沙问题的主要手段。本文研究了河工动床模型设汁与试验过程中存在的几何变态、推移质泥沙级配选配、时间变态等问题,并提出了相应的解决途径和建议。     

黄河下游河道输沙水量及计算方法研究

根据黄河下游1950年以来的水沙、河道冲淤及洪水观测资料,系统分析了黄河下游主要控制站输沙水量与来沙量、洪水量级、水沙搭配、区间引水引沙及河道允许淤积度等因子间的相互关系。在探讨泥沙输移规律和机理的基础上,引入水沙搭配参数,建立了适用于黄河下游主要控制站汛期及洪水期计算输沙水量的数学表达式,量化了水沙条件及河道允许淤积度变化对河道输沙水量的影响程度。该研究对维持黄河健康生命及黄河水资源的规划利用具有重要的理论和实际意义。     

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。