基于泥沙随机交换过程及不同推移形式的推移质输沙公式

针对推移质输沙率公式难以兼顾高、低输沙强度计算的不足，提出结构上考虑推移质泥沙滑移及跃移特征的输沙率计算公式.基于无后效Markov随机理论，通过改进泥沙状态转化概率矩阵，优化了泥沙随机交换过程的描述.综合考虑床面遮蔽、水流脉动特征及床面泥沙运动特征的影响，从理论受力分析及概率统计角度，确定了床面推移质泥沙数量.通过引入推移质泥沙滑动、跃移平均运动速度，建立基于泥沙随机交换过程及不同推移形式的推移质输沙公式.最终计算结果与不同输沙强度下的试验及现场实测结果吻合较好，表明公式能兼顾高、低推移质输沙强度的计算，可应用于工程分析.     

河口推移质水道冲淤计算公式

在珠江三角洲横门出海水道的整治工程研究中，引进了一种计算以推移质造床为主的水道冲刷深度的方法，针对推移质造床的水流、泥沙特点，将推移质看作接近床面运动的浓度较高的悬移质来处理，并引进一综合参数来校正将推移质作为悬移质近似处理时造成的与实际情况的差异，通过物理模型实验的实测值得率定该参数。研究结果表明，该计算方法较好地反映了推移质引起的冲淤情况，较为准确地计算和模拟了推移质河床的冲淤数量与冲淤过程。     

山区河流平面二维水沙数学模型研究

根据泥沙交换原理，建立了河道非均匀沙悬移质水流挟沙力及推移质输沙率的计算模式，将非均匀沙推移质与床沙的交换形式概化为单向淤积、单向冲刷及淤粗冲细3种基本形式，并建立了每种交换形式下的非均匀沙推移质有效输沙率的计算公式．针对天然河道边界复杂及天然河道长宽尺寸一般相差悬殊的特点，本文采用正交贴体网格．在此基础上建立了正交曲线贴体坐标系下的平面二维全沙数学模型．采用有限体积法对拟合坐标系下的水沙基本控制方程进行了离散，在求解过程中采用了欠松弛技术和逐线迭代法．在北盘江坝油滩河道中对水位、水流流速以及河床冲淤等进行了验证计算及分析．数值实验表明，该模型能正确地模拟山区河流复杂的水流以及河床的冲刷、淤积过程。     

结构形式对桥墩局部冲刷三维性态发展的影响

选用基于动网格自更新技术的三维CFD冲刷模型,可以解决既有一维、二维计算研究方法的局限性以及准确性问题,对桥墩冲刷以及周边流场三维性态进行全过程动态跟踪分析.首先采用经典B.W.Melville实验环境以及实验数据,分别从流场、流速以及冲刷坑进行冲刷模型的准确性验证.进而利用该数值模型分别对3种典型桥墩(单柱墩、双柱墩、排墩)周边河床的冲刷深度、冲刷坑形态以及冲刷影响区域进行数值分析,通过数据分析得出各自完全不同的冲刷发展趋势与性态特征.通过对比分析可以看出,桥墩结构形式对桥墩局部冲刷三维性态发展有着显著影响,区分桥墩结构形式对桥墩冲刷设计、理论分析以及长期监测方案设置具有相当的必要性与重要性.     

平衡输沙条件下推移质级配

在考虑床面泥沙颗粒起动概率的基础上,提出了平衡输沙时确定推移质最大粒径的方法及计算公式.从理论上分析得到了泥沙颗粒起动无量纲临界切应力参数Θ的最小值,对个别及少量起动分别为0.020和0.030,由此可计算出推移质最大粒径d c,max .同时提出了计算推移质级配的方法及公式,该公式仅与床沙平均粒径d m ,床沙粒配百分数p 0i ,推移质最大粒径d c,max 及其所对应床沙级配的组数m有关.验证结果表明,计算结果与实测资料符合较好.     

沙波形态及运动特征的概化数学模型研究

水库修建后坝下游水沙条件发生显著变化,推移质补给大量减少,悬移质占输沙量的主要部分.在河床持续冲刷过程中,沙波运动从以推移质为主逐渐转变为推移质与悬移质共同输移.建立了一维沙波形态及运动特征的概化数学模型,对比了基于推移质和悬移质输移的沙波运动特征,采用已有公式对基于推移质运动的沙波形态变化和运动速度进行了验证,并讨论了不同参数对沙波运动的影响.模拟结果表明：(1)基于推移质运动的沙波向下游运动,沙波上各点的运动速度与其高程正相关,迎流面冲刷,背流面淤积,沙波形态逐渐向不对称发展,沙波运动临界时间为31.78h,与已有解析解误差仅为1.5%;基于悬移质运动的沙波未向下游运动,以垂向冲刷为主,沙波上各点冲刷强度与其高程正相关,波高逐渐减小,沙波形态基本对称且趋于消亡;(2)基于推移质运动的沙波波峰和波谷的运动速度计算值分别为51m/d和17m/d,与已有公式的最大相对误差小于26%,形态曲线的平均相对误差小于19%,故计算结果能较好地反映沙波运动特征;(3)水沙参数对沙波的影响比沙波初始形态参数更显著,增大单宽流量和减小水深均能使沙波运动增强,且对水深变化的响应更加敏感.     

卵砾石河流推移质输沙率的模拟计算方法

根据山区和丘陵地区卵砾石河流的情况,提出对梅叶－彼得推移质输沙公式进行修正,使用式（８）的泥沙起动切应力公式,在分析的基础上提出粗细泥沙颗粒的隐曝系数公式和考虑水流床面切应力随机分布的计算方法,用以估计这类河流的推移质输沙率．经长江上水文站的实测资料检验与河道泥沙数模的应用,能满足工程计算的需要,取得较好效果,可作为这类河流中计算推移质输沙率的参考．     

孤立波和海流作用下单桩基础局部冲刷及保护的数值分析

采用数值模拟的方法研究了孤立波和海流共同作用下单桩周围海床的局部冲刷.通过求解RNG k-ε湍流模型封闭的N-S方程,准确地模拟了桩周流场的变化情况.泥沙输运模型考虑泥沙的夹带、悬移质输送、沉积以及推移质输送的泥沙冲刷机制.对于斜坡床面,考虑重力对泥沙颗粒的影响,并对临界希尔兹数进行修正.将数值结果与实验数据进行比较,验证了数值模型的准确性.在此基础上,详细分析在不同波高条件下的桩基冲刷发展过程,初步研究了桩基保护层对冲刷的影响.结果表明:波-流共同作用下桩基周围海床的冲刷深度比单纯流或孤立波作用下冲刷深度更大;倾斜海床下的局部冲刷深度更大;保护层的设置可以有效地降低桩周局部冲刷深度,保护层粒径的大小对防护效果的影响较大.     

横丹水电站下游冲刷坑二维数值模拟

采用二维数学模型,对横丹水电站泄水建筑物下游冲刷过程进行了二维数值模拟.以泥沙起动拖曳力作为泥沙起动判据,在二维流场计算的基础上,提取每个时间步后床面各节点水流剪切应力,通过比较水流剪切应力与泥沙起动拖曳力的大小来控制床面高程的变化;采用动网格模型、弹簧光顺模型和局部重构模型较好的完成了计算过程中网格的移动和动边界局部网格自动调整,实现了冲刷坑冲刷过程的二维数值模拟.结果表明,模拟计算的冲刷坑形态和深度与模型实测值吻合良好.在冲刷起始阶段,床面剪切应力下降较快,之后下降较慢.与冲刷坑起始冲刷较快,之后冲刷较慢具有良好的一致性.     

平衡输沙条件下非均匀推移质运动特性

考虑床沙特性以及颗粒暴露度对非均匀沙运动的影响,根据滚动平衡关系,提出了非均匀沙起动流速公式,利用实测资料分析了附加阻力系数的特点,并得到其数学表达式.通过对非均匀泥沙颗粒运动方程的分析,导出了非均匀沙临界起动希尔兹参数的数学表达式,从而从理论上解释了非均匀沙颗粒与均匀沙起动的不同之处(粗颗粒较同等粒径均匀沙容易起动,细颗粒则与之相反).分析了非均匀沙颗粒随水流运动的特点,指出非均匀沙颗粒运动与其所处的床面条件具有直接的关系,床面条件不同,运动也将呈现不同的特点.最后建立了平衡输沙条件下非均匀推移质分组输沙率公式,公式的计算值与实测资料吻合较好,并且能够用来计算均匀沙推移质输沙率,具有广泛的通用性.     

螺旋流冲沙与输沙

水土流失与泥沙淤积是一个普通性的问题,水库泥沙严重淤积的原因是上游无永久有效的水保措施而自身又无完善的冲沙与输沙的设施,压力缝隙螺旋流具有流速高,水层薄,切力大,流程长,以及有利的压力分面等特点,可被应用于中冲刷淤积泥沙,在２ｍ水头下,其浓度可达４００～９００ｋｇ／ｍ＾３水平管螺流可应用“抬托”泥沙,使推移质容易地转变悬移质,从而可大幅度低流速,减小能被;为高浓度,低能耗,远距离输送泥沙提供一种新     

双流体模型在高浓度含沙水流模拟中的应用

在水利水电工程中, 泥沙经常会带来负面影响, 需采用合适的研究方法来分析泥沙运动规律. 针对高浓度水沙流动的特殊性, 选择双流体模型统一描述悬移质和推移质泥沙的运动. 该模型不仅考虑了水沙两相之间的相互作用, 同时考虑了颗粒之间的相互作用及两相体积分数的脉动效应. 以Coleman 实验结果为参考, 验证了模型的可靠性. 最后使用模型预测了某引水式电站沉沙池泥沙的沉降情况.     

葛洲坝水利枢纽下游近坝段二维水沙数值模拟

针对长江中游葛洲坝水利枢纽下游近坝段卵石夹沙河床级配分布宽等特点,应用非均匀悬沙、底沙二维数学模型,考虑底沙的不平衡输移及冲淤过程中床沙的级配调整问题,对计算中的关键环节如卵石夹沙河床水流的有效挟沙能力、非均匀沙起动概率及非均匀沙推移质输沙率的计算提出了处理方法,利用水文、泥沙及河床变形资料对该方法进行了葛洲坝水利枢纽运行后、1998年洪水前后及三峡工程运行后水面线、流速分布及冲淤过程的验证.结果表明,该方法可以应用于三峡工程运行初期河床演变预测研究.     

葛洲坝水利枢纽工程对宜昌河段水文水力特性的影响

根据葛洲坝水库蓄水前后宜昌水文站水文实测资料,分析了葛洲坝水利枢纽工程对宜昌河段水位-流量关系、断面形状和水位变化规律的影响.结果表明,葛洲坝水库蓄水后,宜昌河段水文水力特征变化符合惯性区理论,洪水波运动形式发生变化,坝前水流流速降低,水流挟沙能力和推移力下降,水库淤积现象加重,下泄水流中的含沙量下降,宜昌河段推移质输入减少,下泄水流对河道的冲刷能力增强,原有的冲淤平衡被打破,河床质变粗,断面形状不断变化,宜昌河段河床下切、水流能量增大、流速增大,同流量情况下的水位较天然河道有所下降.     

蓄水两坝间长系列水动力及泥沙淤积的研究

对黄河上游龙羊峡至李家峡间的贵德-李家峡河段的蜿蜒河道进行了研究，为蓄水两坝间的通航和河床稳定性问题提供可行性分析依据．根据二维水流连续、运动方程、悬沙扩散方程和两相流底沙运动方程，采用加权集中质量剖分方法，建立了蓄水两坝间水动力、泥沙淤积数学模型．提出了泥沙交换和河床粗化计算模拟的物理图案，对长系列水动力和泥沙运动进行了模化处理．通过调试，验证了水尺水位和李家峡建坝前该河段4年的地形演变量．应用李家峡建坝后典型水文年长系列的组合资料，预报了河床经长期冲淤调整后迭到基本平衡需要的时间．介绍了泥沙交换和河床粗化计算模拟的物理图案和长系列河床演变数学模型的研究方法．     

水流对破坏后河床演变的作用

河床因自然或人为作用会发生破坏。将破坏后河床地形概化为三角形坑,通过水槽试验和数值模拟研究了清水和动床两种水沙条件下坑形河床的演变。采用垂向二维水流数学模型计算得到了不同时刻下坑周围的流速与河床切应力分布,分析了导致河床演变的原因。研究表明:清水冲刷条件下破坏后河床仅在坑缘口处有冲刷侵蚀,是由于此处强切应力所致;动床冲刷条件下坑内流速很小,坑上游来沙在坑内淤积,同时坑下游边坡长距离冲刷显著;河床演变达到平衡状态时,局部切应力仍大于均匀流切应力。     

银洲湖水域强潮河段悬移质输运模型

利用平面二维水动力及泥沙输运模型、有限元法对银洲湖及邻近水域内的悬沙输运、流速分布、水流平面形态等进行了数值模拟计算.其中黏性泥沙输运模型考虑侵蚀和沉积剪切应力.计算结果与实测结果比较表明:银洲湖水域的潮流大体上呈现沿航道南北向的往复流,径流和潮流是银洲湖水域的主要动力因素,细颗粒悬浮泥沙输运是该水域泥沙的主要运动形式;平面二维水动力及泥沙输运模型能较好地复演银洲湖水域的潮流泥沙场,可用于实际工程潮流泥沙场的计算.     

黄河中游龙潼河段一维悬移质泥沙数学模型

建立了适用于黄河中游龙潼河段的一维悬移质泥沙数学模型。利用十年实测水沙资料进行了验证计算，结果表明，实测冲淤量与计算值基本相符。本模型可用于预测不同减水减沙情况下的泥沙冲淤调整过程。     

悬移质不平衡输沙模型的特征

为探求悬移质不平衡输沙过程中水流运动、泥沙输运及河床变形的相互作用机制,完善一维水沙数学模型的基本理论并使其具有更广泛的应用性,基于双曲系统特征理论及奇异摄动理论系统研究了一维悬移质不平衡输沙模型的特征值、特征向量及特征关系,并通过渐进展开方法推求了一维耦合水沙数学模型的特征值.研究结果表明:现有多数模型在特征上无法耦...