非恒定流作用下的推移质泥沙输移实验研究

非恒定流条件下的推移质运动研究无论是在泥沙运动理论还是在实际工程应用中,都具有重要的意义.基于波流水槽实验,对不同速度偏度的非恒定流作用下的推移质运动开展研究.主要通过泥沙粒径、速度偏度等因素对输沙率影响分析,探讨了非恒定流作用下的均匀沙与非均匀沙的运动情况,阐述了恒定流与非恒定流对输沙率影响的差异性,建立非均匀沙输移粗细质量比公式.在此基础上开展理论推导,从受力机理上对实验过程进行了分析.实验结果和理论分析表明,相对于恒定流,非恒定流作用下的泥沙颗粒更易起动和输移.     

二维垂向射流沙质河床冲刷的数值模拟

基于紊流理论和射流冲刷机理,本文提出了二维垂向射流冲刷的数学模型．以拖曳力为主要参变数,导出了基于希尔兹数的推移质泥沙输运模型,将临界希尔兹数作为泥沙颗粒起动的判别标准,模型中没有考虑悬移质的运动,推移质运动所引起的河床形态变化用动网格技术来描述,从而形成了基于动边界的二维射流冲刷数学模型．针对二维垂向射流清水冲刷进行了试验研究,得出了射流流态及冲刷坑的几何特征等资料．选用实验室物理模型参数对二维射流冲刷进行了数值计算,试验和数值模拟均展现了射流冲刷摆动的发展过程,两者给出的射流摆动现象的良好吻合验证了模型和算法的有效性,进而在计算和试验研究基础上给出了射流冲刷平衡时冲刷坑特征长度的半经验公式．     

土石坝渗透破坏溃决机理及数值模拟

提出了一个能正确反映土石坝渗透破坏溃决机理,合理描述土石坝从渗透通道发展坝体坍塌和漫顶溃决全过程数值模拟方法.该方法通过分析土体颗粒在渗透通道中受力情况,出了渗透破坏发生时临界起动流速;分别建议了可合理反映筑坝材料颗粒级配、密度、强度、渗透通道倾角和坝坡、摩阻流速水流速度对冲量影响计算渗透通道扩展大坝漫顶溃决后溃口发展过程坝体冲公式.应用该方法对两座因渗透破坏溃决典型土石坝溃坝过程进行了反馈计算分析,计算出溃口发展规律、溃口流量过程与溃坝洪峰流量值与测结果接近,验证了其合理性.该方法可用于土石坝渗透破坏溃决致灾后果评估和溃坝防洪应预案制定.     

冲积河流重金属污染物迁移转化数值模拟控制方程及其物理意义

基于以前重金属污染物在冲积河流中迁移转化的研究,本文运用环境化学、水力学、泥沙运动力学的基本原理并考虑到有关研究的最新进展,推导建立重金属污染物在冲积河流中迁移转化的数学模型,并以平面二维模型为例给出详细的推导过程和三个简化的计算实例.该数学模型由水流控制方程、泥沙运动控制方程、重金属迁移转化控制方程和悬移质泥沙颗粒相、推移质泥沙颗粒相和床沙颗粒相重金属污染物吸附解吸型对流扩散方程组成.重金属污染物迁移转化方程是一个质量平衡方程,它表明冲积河流中泥沙运动是如何影响重金属污染物迁移转化的.作为以前工作的一个重要进展,悬移质颗粒相、推移质颗粒相和床沙颗粒相重金属污染物吸附解吸反应动力学（或反应动力学简化为＂型＂）对流扩散方程是室内静态实验结果的延伸,它综合考虑物理输移,即对流、扩散和化学反应,这里主要是吸附解吸作用.应用本模型对三个简化的实例进行计算,即模拟计算重金属污染物在恒定、均匀挟沙水流中的迁移转化.所得计算结果合理,进一步阐明泥沙运动在重金属污染物迁移转化中的作用.理论分析和实例计算表明,重金属污染物在冲积河流挟沙水流中的迁移转化不仅具有一般污染物对流扩散的共性,而且具有因泥沙运动而带来的特性.     

均质土坝坝体材料冲蚀特性试验研究

土石坝坝体冲蚀特性直接关系到坝体是否溃决,何时溃决,是土石坝溃坝研究的核心难题.本文通过物理模型试验,对不同坝体土料冲蚀特性进行研究.基于大量试验研究,分析了土料干密度、净切应力、冲刷系数、泥沙指数等与土体冲蚀特性的关系.提出泥沙指数宜依据土料冲蚀速率和净切应力确定,而不宜设为定值1(黏性土)或者1.5(非黏性土);冲刷系数与泥沙指数呈现明确的对数关系;起动切应力对土料冲蚀速率影响权重较大;利用泥沙指数变量,可以有效地区分坝体土料的抗冲蚀能力,并评估坝体抗溃决能力.     

静态煤堆风蚀起尘机理及其粉尘扩散影响因素研究

对露天煤堆表面煤尘颗粒进行受力分析,然后结合力矩平衡原理,建立煤尘冲击起动模型,验证了煤尘颗粒的起动风速与粒径、含水率、煤堆安息角等参数间存在的多维函数关系。在此基础上,通过理论计算和静态试验,进一步研究了煤尘扩散规律及影响因素,并提出了相应的抑制起动的措施,为煤场周边大气污染评价和治理提供科学依据。     

基于两相浑水模型的三维水沙数值模拟

本文针对悬移质泥沙输移,采用两相浑水模型进行描述,基于SELFE水动力学模型,尝试通过三维数值格式对两相浑水模型进行探索性模拟.建立了两相浑水模式的离散方程,完善了相应的边界条件,采用多组水槽资料率定并验证了模型的可靠性.并以宁蒙黄河2012年洪水为例,采用离散后的模型对宁蒙黄河青铜峡至石嘴山200 km河段进行了数值模拟.并以该河段洪水的洪峰传播特性、不同河段的环流特性、河段泥沙输移及河床冲淤等为重点关注了改进后的模型.结果表明:计算水位、地形、含沙量等数据与实测资料有较好的吻合,环流特性与理论分析一致.综合表明改善后的模型能很好的应用于悬移质泥沙的模拟.     

泥沙颗粒表面电荷分布的初步研究

泥沙颗粒表面电荷分布，是研究其与污染物之间吸附和解吸的基础．本文以石英砂颗粒为例，利用扫描探针显微镜（SPM）中的静电力显微镜（EFM）测量技术，用相位成像模式测量了石英砂颗粒表面的微形貌和电荷分布，并统计了两者间的关系．研究表明，石英砂颗粒表面形貌复杂，表面形貌对电荷分布影响较大，电荷大多集中在颗粒表面的鞍部、凸起和凹地部位，而在凹槽、凸脊和平坦部位分布较少．上述研究为揭示其吸附机理和进一步研究天然河流泥沙颗粒的相关性质奠定了基础．     

三维紊流悬沙数学模型及应用

根据紊流随机理论, 导出了各向异性紊流的Reynolds应力的数值格式. 将精细壁函数应用于边壁处理. 将传统的悬沙运动、床沙级配控制方程推广到三维模型. 给出了床面附近含沙量表达式. 建立了三维紊流悬沙数学模型. 用葛洲坝水利枢纽建库前后水沙资料对该模型进行了检验, 结果基本一致. 将该模型应用于三峡工程坝区泥沙冲淤问题的研究, 预测了三峡工程建成后坝区上游河段泥沙冲淤发展过程及其分布、河床淤积物级配组成及不同时期、不同高程的流场、含沙量场等, 计算结果与物理模型试验值比较接近.     

港口非线性波浪三维耦合计算模型研究

建立了外域用差分求解高阶Boussinesq方程、内域用有限元求解Laplace方程的三维非线性波浪对船作用的时域计算耦合模型.研究了该类三维耦合模型的匹配条件,耦合求解过程和内域、外域公共区域长度的确定,探讨了内域有限元网格的剖分方法.把该耦合模型的计算结果与实验结果、内域用Euler方程的耦合模型计算结果进行了对比,结果表明该耦合模型具有满意的精度,适用于模拟较大区域内波浪对三维船等固定物体的作用,为今后近海岸大区域非线性波浪对三维非规则物体作用的时域计算和三维分区计算提供了参考.     

不同粒径组泥沙对黄河下游沉积的影响及其在黄河治理中的意义

以不同粒径组的来沙量和淤积量的资料为基础,建立了三门峡-利津河段的年冲淤量与进入下游河道的年沙量的关系,从中得到了下游河道泥沙从存贮到释放的临界值.这一临界值随泥沙粒径组的变粗而减小.三门峡-利津河段的年冲淤量与进入下游河道的年沙量的相关系数值,随泥沙粒径组的变粗而增大,即来沙越粗,来沙量与河道淤积的关系越密切.单位输入沙量的变化所导致的淤积量增加量,随着粒径的变粗而增大.研究表明,在已经对大于0.05mm粗泥沙来源区进行治理并取得成效的基础上,集中治理大于0.10mm粗泥沙的产出区,具有重要意义.     

波浪对浅海近岸污染物输移扩散规律的影响

通过对浅海缓坡近岸区大面积波浪场的演化、破碎, 近岸流的生成和波浪对潮流场结构影响的研究, 提出了波浪应作为这类海岸附近污染物输移扩散的重要动力因素. 数值实验证明, 在波浪以一定角度斜向入射时, 近岸排放的污染物在波浪破碎区内将沿岸输移, 排污口在波浪破碎区内这种趋势非常明显. 因而在改善近岸环境的研究和污水海洋处置工程的设计中, 波浪是不能忽略的动力因素, 应加以充分考虑.     

高压耦合静电场下导电颗粒和非导电颗粒的动力学研究

采用高压静电学理论和数值分析方法,对电晕极、高压静电极与接地电极耦合产生的电场下导电颗粒和非导电颗粒的动力学行为进行了研究.分析了导电颗粒在电晕极与接地电极之间存在着的摆动现象,并推导出摆动最大振幅公式.发现在高压静电极与接地电极耦合电场中,导电颗粒存在一定的起浮电压.提出了“临界荷电转速”、“非金属颗粒脱辊转速”以及“电压与电极距比”等概念,并建立相应判据.采用计算机模拟出导体颗粒在电晕极、高压静电极与接地电极三者耦合的电场下的运动轨迹,其模拟结果与实验结果相吻合.     

黄河下游河道泥沙数学模型及动力平衡临界阈值探讨

黄河最突出的问题是水少沙多,导致下游河道不断淤积抬高,防洪形势日趋严重.为了深入了解黄河下游河道输沙规律,确定河道泥沙冲淤与来水来沙和区间引水之间的关系,建立了适合黄河下游特点的泥沙数学模型,并利用实测资料对模型进行了率定和验证.然后,利用泥沙数学模型就小浪底水库调水调沙运用对下游河道的减淤作用、区间引水与河道冲淤关系、以及下游河道临界平衡等问题进行了研究.给出了下游河道冲淤临界平衡阈值,指出了通过小浪底水库调水调沙运用和控制下游区间引水可以有效地减轻黄河下游河道淤积,为小浪底水库的运用、区间引水和水土保持等提供了量化指标.     

推移质运动过程的非线性动力学特性

天然沙质海岸及河床上存在着不同形式的床面形态, 其运动变化受床面附近推移质泥沙的运动特性所决定. 从床面层内推移质集体运动出发, 探讨了推移质运动过程的非线性动力学特性, 发现泥沙起动、推移质平衡输沙以及床面形态由平整到沙纹及沙垄等不同发展阶段, 受推移质运动过程的非线性动力特征所决定, 它们分别对应于推移运动过程中的不同非线性状态. 通过与法国夏都水利实验室床面形态试验比较, 进一步证明: “床面形态从平整到沙垄的演化与否”由推移质泥沙运动过程的突变特性所决定, “突变分界线”是平整床面与沙纹及沙垄床面的分界曲线.     

三峡水库支流河口淤积及拦门沙形成风险研究

三峡水库库区分布有大小66条支流,水库蓄水后部分支流河口泥沙大幅度沉积,其形成拦门沙坎的可能性亟待揭示.本文以多期次水下地形为基础,辅以原型固定断面观测成果,基于DEM数字高程模型,计算和分析了三峡水库蓄水后库区支流河口段泥沙淤积量及其沿程、平面的分布特征,研究了三峡库区主要支流河口泥沙堆积形态及成因.结果表明,三峡水库蓄水后2003年3月～2011年11月间库区支流累计淤积泥沙1.8亿m3.水库蓄水使得支流河口段水动力条件减弱是泥沙淤积的根本原因,支流来沙、倒灌泥沙及交汇段干支流河势影响泥沙淤积幅度和范围.三峡水库支流河口段淤积的泥沙以干流倒灌为主,支流来沙堆积的现象也存在,随着干支流来沙量趋于减少,支流河口淤积形成拦门沙坎的风险较小.     

三峡工程泥沙问题解决途径与运行效果研究

泥沙问题是三峡工程的关键技术问题之一,在三峡工程论证、设计、建设和运行的各个阶段,针对重大的工程泥沙问题进行了系统和持续的研究,提出了相应的解决方案.本文对三峡工程采用的减缓水库泥沙淤积与保持长期有效库容的运用方式、水库变动回水区港口与航道泥沙问题治理措施、枢纽引航道与电站引水防沙布置方案、坝下游河道长距离冲刷预测、河势变化及对航道影响的对策等进行了分析总结.2003年三峡水库蓄水运用以来水库淤积和坝下游河道冲刷情况分析表明:水库泥沙主要淤积在死库容,有效库容损失较少,库区航运条件得到大幅改善;坝下游河道发生长距离冲刷,冲刷强度不断向下游发展,河势总体基本稳定;长江中下游航道经过治理,航道维护水深有了较大提高.三峡工程泥沙问题的解决方案已得到初步检验,泥沙问题及其影响基本未超出论证与初步设计的预测.本文还对今后一段时期需要进一步研究的泥沙问题提出了建议,包括水库优化调度、坝下游河道冲刷、江湖关系变化和长江口演变等.     

波浪载荷下海床土体孔隙水压的瞬态与累积响应机理

室内模型实验和现场观测均已发现了波浪引起的海床孔隙水压力存在瞬态和累积两种响应, 已有工作大多只单独研究其中的一种孔隙水压响应机理.分析得到了波浪诱导残余孔隙水压的理论解答, 并与实验结果进行了比较分析. 在所得理论解的基础上, 进行参量研究, 给出了孔隙水压瞬态和累积响应分析的应用范围. 提出了一种便于工程应用的预测波浪载荷下海床液化势的近似解.     

河流水沙条件对水质评价的影响

世界上许多河流具有高泥沙含量特征,我国河流的高泥沙含量特征尤为显著.河流水沙条件包括悬浮泥沙的含量、粒径和组成以及溶解性有机质的含量和组成等参数.河流中的许多污染物倾向于与泥沙和有机质结合,泥沙和有机质的存在不仅影响了污染物的迁移转化过程,同时还影响了污染物的生态环境风险.本文归纳总结了河流水沙条件特征及其对耗氧性有机污染物和有毒有机污染物迁移转化的影响,详细阐述了河流水沙条件对耗氧性有机物和有毒有机物污染评价的影响,指出由于化学氧化剂能氧化泥沙中在自然条件下耗氧过程极为缓慢的天然有机质,现有的化学需氧量可能高估水体耗氧性有机物的污染;又由于与泥沙结合的有毒有机污染物部分具有生物有效性,现有的基于有毒有机污染物溶解态浓度的水质评价方法可能低估水体有毒有机物的污染.并提出怎样考虑水沙条件影响对现有水质评价方法进行改进的思路,为完善水质评价方法提供参考,对于“碳中和”目标的实现也具有重要的意义.     

炎热多雨和突降暴雨气候影响下玄武岩残积土的崩解试验研究

气候环境是影响玄武岩残积土崩解特性的重要因素.为研究高温湿热与突降暴雨气候影响下玄武岩残积土的崩解特征,我们开展了反复干湿循环过程后的大气崩解试验与浸水崩解试验,通过崩解率、崩解速率及崩解物的颗粒组成评价了崩解特性的气候影响控制因素.研究结果表明,高温湿热气候引起的反复干湿交替会破坏颗粒团聚性,增强土的分散性,随着干湿循环次数的增加,崩解率与崩解速率增大,崩解物由粗颗粒为主逐渐转为细颗粒为主,气温越高、气候变化越剧烈,这种影响越显著.突降暴雨气候会引发玄武岩残积土剧烈的崩解现象,随着干湿循环次数的增加,崩解物由碎屑状向泥状过渡,崩解速率增大,崩解程度逐渐增强.研究还发现,除了气候环境影响,施工扰动也会促进崩解的发生,施工中应加强监测气候环境变化对崩解性的影响,必要时需对玄武岩残积土工程进行保湿、防水措施.