城市雨水口流场及紊动特性试验研究

基于具有上下两层结构的城市洪水综合试验平台,使用三维超声多普勒流速仪(ADV)测量较大水深条件下雨水口周边流速与紊动强度的三维分布.试验结果表明:当来流水深较大时雨水口中心会出现一地漏漩涡,来流与漩涡共同作用引起雨水口周边流速显著增加.漩涡中心处流速相对较大且流速纵向分量与来流方向相同侧平均流速大于相反侧,各试验工况条件下最大流速均位于雨水口下游边缘附近.雨水口引起的漩涡增大了水体的紊动强度,紊动强度的平面分布与流速平面分布较为类似,工况2条件下平均湍流动能由水槽进口处0.004m2/s2增加至雨水口下游边缘处0.145m2/s2.水体剧烈的紊动效应使底床摩阻的影响相对减弱,流速沿垂线呈常数型和线性型分布,不符合明渠水流对数型的分布特征.     

黄河下游游荡段滩岸土体组成及力学特性分析

黄河下游游荡段是下游河床冲淤变化的主要河段, 滩岸侵蚀是该河段清水冲刷期河床演变的一个重要特点, 其过程与滩岸土体组成及力学特性密切相关. 本文首先分析了花园口至高村游荡段近期的滩岸侵蚀情况, 然后对这一河段的 10 个典型滩岸进行了现场查勘与室内土工试验, 最后根据试验结果, 较为全面地揭示了游荡段滩岸土体组成, 而且深入分析了滩岸土体的力学特性, 定量地解释了游荡段滩岸侵蚀严重的两个原因. 结果表明, 游荡段大部分滩岸土体属于黏性土, 且具有较为明显的垂向分层结构; 滩岸土体因黏粒含量少、抗冲强度弱, 其起动切应力(0.1~0.3 Pa)比近岸平均水流切应力(2~3 Pa)小一个数量级, 故容易冲刷; 滩岸土体的抗剪强度随土体含水率增加而降低, 其凝聚力可由34 kPa急剧降低到4 kPa, 故滩岸土体容易在汛期发生崩塌.     

平面二维河床纵向与横向变形数学模型

在分析不同类型土质河岸冲刷机理的基础上,改进了现有三类土质河岸冲刷过程的力学模拟方法.然后将仅能模拟河床纵向变形的平面二维水沙数学模型与建立在力学基础上的河岸冲刷模型结合,组合成平面二维河床纵向与横向变形数学模型.该模型不仅适合于模拟天然河道的洪水演进与河床纵向冲淤过程,而且还能模拟河床的横向变形过程,尤其能模拟黏性土河岸、非黏性土河岸及混合土河岸的冲刷与崩塌过程.     

小浪底水库调水调沙期水沙运动全过程模拟

为模拟调水调沙期小浪底库区水沙运动过程,建立了考虑有干支流倒回灌的明流与异重流交替演算的一维水沙耦合模型.该模型采用了适用于复杂支流水系的零维水库法和考虑支流底坡的流量公式计算干支流倒回灌,采用潜入点判别条件衔接明流与异重流计算,并考虑了非静止水面假定下异重流与上层清水的耦合.应用该模型对选取的2002年及2012年小浪底水库调水调沙过程分别开展参数率定及不同工况下的过程反演.计算结果表明,库区自上而下可划分为零支流库区段、明流段和异重流段,考虑倒回灌过程的模型在3个区段均能较好还原实测水沙过程,不考虑的模型仅在零支流库区段和考虑的模型误差相近;由于其忽略了干支流倒回灌对水沙输移的影响,明流段的水位、流量及含沙量在回灌期偏小,在倒灌期偏大;异重流段的潜入点位置及时间滞后,异重流交界面高程、流速及含沙量偏大,计算排沙比过高.另外,模型相关参数的敏感性分析还表明,交界面阻力系数、倒灌阻力损失系数和水量掺混系数对计算结果的影响依次减小;其中交界面阻力系数的增大,一定程度上导致模型响应的滞后;倒灌阻力损失系数的影响,则需依据支流底坡的具体大小分情况讨论.     

来水来沙对潼关高程的影响及变化规律

研究了来水来沙变化对潼关高程的影响和变化规律. 结果发现, 潼关高程的升降取决于库区水流能量的大小, 汛末潼关高程与考虑前期水流和运用条件的线性叠加水流能量之间具有较好的相关关系. 在入库水量变化小、坝前水位变化大时, 水位对库区冲淤和潼关高程变化起主要作用; 相反, 如果坝前水位变化不大, 而来水量变幅较大, 则潼关高程变化和库区的泥沙冲淤主要受入库水沙条件的影响.     

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.     

下荆江急弯段凸冲凹淤演变过程与机理

三峡工程运用后,下荆江急弯河段出现凸冲凹淤的弯道演变现象,威胁防洪与航运安全.下荆江8个弯道为急弯(相对曲率B/R>0.5), 6个急弯段的弯顶上游区域发生了明显的凸冲凹淤过程,且主要表现为凸岸边滩冲刷下切、河岸持续崩退,凹岸深槽回淤并形成长条形心滩,导致断面形态由不对称的三角形变为W形.本文采用水沙及实测流场资料,从水流流速重分布、来沙组成变化及河岸土体组成等3个方面研究了急弯段凸冲凹淤的演变机理.结果表明:(1)急弯段水流流速重分布规律有利于弯顶上游凸冲凹淤现象的形成,在弯顶上游段流速分布主要受曲率变化控制(贡献率占67%),导致主流长期偏靠并冲刷凸岸,凹岸流速较小且易形成水流分离区,利于泥沙落淤;(2)由于上游来沙量减少约82%,细沙比例减小,粗沙比例增加,导致弯顶上游凸岸边滩冲刷后,无法及时回淤,故凸岸边滩总体呈冲刷下切趋势,但粗沙可在流速较小的凹岸侧落淤形成心滩;(3)在凸冲凹淤过程长期作用下,河床横比降减小,曲率变化对流速横向分布的贡献率增大,主流继续向凸岸摆动,进一步促进了凸冲凹淤过程的发展.因此,在水沙条件相对稳定的情况下,下荆江急弯河段凸冲凹淤过程会继续发展,在...     

长江中游河道床面冲淤及河岸崩退数学模型研究及其应用

三峡工程运用后,长江中游河段持续冲刷,局部河段崩岸现象较为突出,尤其在荆江河段.崩岸不仅影响局部河段河势的稳定,同时还影响两岸防洪及航运安全.本研究通过耦合一维水沙动力学模块、潜水位变化模块以及二元结构河岸稳定性分析模块,建立了模拟坝下游冲积河道床面冲淤及河岸崩退的一维耦合数学模型.采用该模型分别计算了不同年份长江中游荆江段的河床变形过程,对模型进行较为详细地率定和验证.计算结果表明:该模型能较好地反演研究河段内的水沙输移过程,并能模拟出主要崩岸发生区域及崩岸宽度;崩岸主要受近岸水流冲刷作用控制,但河岸土体内潜水位变化对上荆江河段崩岸的影响也较为显著;在下荆江河段,超过50%的河岸在洪峰期发生绕轴崩塌现象.此外,还分析了河段出口水位及河岸土体特性参数变化对崩岸计算结果的影响,这些参数的敏感性测试结果表明:当出口断面水位由于洞庭湖入汇而上升时,河段水面纵比降及平均流速减小,导致研究河段内崩岸宽度会有所降低;土体起动切应力的减小对河岸崩塌的影响最为显著,尤其在下荆江河段.     

现有洪水中人体失稳标准的评价及改进

近年来城市洪涝灾害频繁发生,导致人员伤亡严重,因此研究洪水中人体失稳标准可为城市洪水风险管理提供科学参考.全面总结了已有洪水中人体失稳的试验研究及力学理论分析成果,表明现有基于水槽试验的洪水中人体失稳标准大多数不考虑失稳机理,而部分理论分析结果通常忽略人体所受浮力并且假定来流沿水深为均匀分布,与实际情况不符.当前较新研究成果尽管克服了上述不足,但忽略欧美人体结构与中国人体的差异,所以还需进一步完善.故有必要对洪水中人体的失稳标准进行改进.采用欧美人体结构的特征参数,修正了洪水中人体所受浮力的计算公式.利用已有洪水中真实人体失稳的水槽试验数据重新率定了人体起动流速公式中的相关参数,提出了改进后的洪水中人体失稳标准,并用城市洪水的实测资料对其进行验证.由于参数率定时采用水槽试验数据,其试验条件比真实洪水过程简单,故所提出的洪水中人体失稳标准偏于危险.     

高含沙“浮泥”运动判别水槽试验

为研究高含沙"浮泥"及其后续异重流水流要素的变化,以进口流量、含沙量和"浮泥"的含沙量为变量,在水槽中开展了21次异重流与"浮泥"作用概化试验.结果表明,具有宾汉剪切力的"浮泥"与不同含沙量形成异重流的水流剪切力的差别作用,产生了有区别的头部形态,可分为侵入型与界面型;不同含沙量的异重流不仅影响了浑水厚度和掺混情况,而且决定了异重流头部运动形态,异重流的流量主要影响异重流的浑水厚度和运动速度;前期异重流沉降形成的"浮泥"随历时的增加容重增加由快到慢.结合理论分析,获得了"浮泥"层起动的临界判数;基于试验数据,提出了由异重流厚度、比降、体积比含沙量组成的计算公式.研究成果既可丰富河流泥沙动力学学科内容,又可为多沙河流水库调度与规划设计提供技术参考.