不同形状的珊瑚砂颗粒沉降试验研究

珊瑚砂在液体中的沉速是反映泥沙运动特性的一个重要物理量。由于珊瑚砂形状多样,套用现有的珊瑚砂沉速公式进行计算并不合适。针对珊瑚砂颗粒开展形状分析,将珊瑚砂颗粒分成枝棒状、片状和块状3种形状,然后开展单颗粒沉降试验。基于试验数据,分析不同形状珊瑚砂颗粒的沉降特性,与各家理论公式计算结果进行比较分析,选取经典的珊瑚砂颗粒沉速公式,引入颗粒形状系数进行公式修正,从而推求了枝棒状、片状和块状珊瑚砂颗粒的阻力系数和沉降速度公式。该公式充分考虑不规则珊瑚砂颗粒形状的影响,具有更高的计算精度和适用性。

黄河流域黏性泥沙群体沉速计算分析

针对黄河流域由黏性矿物组成的黏性泥沙群体沉降特征展开研究。基于泥沙颗粒受力分析和能量守恒定律,以处于稳态的泥沙颗粒为参照物,构建了泥沙颗粒水沙界面能量耗散物理图形;建立了考虑挟沙水流运动黏性系数和紊动黏性系数的泥沙群体沉速显式表达式,并采用黄河流域典型黏性泥沙红色砒砂岩颗粒开展了泥沙群体沉速试验研究。结果表明:红色砒砂岩组成的含沙水体中泥沙群体沉速整体随含沙量增大而减小并逐渐趋于定值;当垂向平均含沙量为0.34~0.45 kg/m^(3)时,泥沙群体沉速表现为随含沙量的增加而增大。采用试验数据对建立的公式进行验证,公式能较合理地表达水流黏性和尾流分离对泥沙颗粒沉降阻力的影响。研究结果可为黄河流域黏性泥沙淤积和输移规律研究提供参考。

光滑床面上智能泥沙颗粒弱起动过程试验研究

为揭示泥沙起动的微观力学机制,通过在圆球中植入无线陀螺仪传感器制作智能泥沙颗粒,进行明渠水槽起动试验,结合视觉测量技术,实时采集颗粒位移、速度、加速度、角速度等高频数据,研究不同来流流速对粗颗粒泥沙弱起动过程影响的动力机制。试验发现,粗颗粒泥沙起动是一个平动和转动叠加的复杂动力过程,呈现出绕流脱涡激励下的横流向和顺流向摆动及周期性转动等运动模式,具体模式和颗粒雷诺数密切相关,试验工况中,颗粒雷诺数为386时横流向摆动现象最显著。基于测量数据,进一步分析了颗粒起动过程中的冲量和动能特性。

级配和含盐度对钾长石质粉砂的静水沉降影响试验研究

细颗粒泥沙的沉降过程中易发生絮凝现象,絮凝是否发生受到粒径、盐度、级配、矿物组成等多因素的影响。以钾长石为例,研究粒径、级配和含盐度对钾长石质粉砂静水沉降的影响。试验研究发现,清水中的钾长石质粉砂絮凝临界粒径约为30μm,盐水可将絮凝粒径上限提高至50μm。絮凝最优含盐度为15 ppt,但不同粒径的絮凝指标有差异,盐度对粒径小于50μm的细颗粒影响更大,絮凝更显著,50μm以上的粗颗粒基本不发生絮凝。就絮凝结构而言,粗颗粒的钾长石质粉砂以单颗粒沉降为主,细颗粒则表现为颗粒间聚并絮凝。

无黏性非均匀沙的参数自适配起动切应力计算方法

非均匀沙起动条件的确定是研究非均匀沙输移的关键。工程实际应用中有修正法和等效粒径法两种,两种方法中含有的参数率定需要已知分组沙起动切应力测定值,且取值依赖率定数据集。基于两种方法在理论上计算的分组沙起动切应力相等思想,结合吴伟明提出的修正法与王涛提出的等效粒径方法,将两种方法中含有的率定参数作为自适配参数,通过函数拟合确定,拟合适配过程不依赖分组沙起动切应力数值。实践检验表明,通过自适配确定参数可以提高泥沙起动切应力计算方法的适用范围,精度更高。成果可以为非均匀沙起动条件计算提供新思路。

泥沙云团运动特性对初始投放条件的响应研究

基于CFD-DEM耦合方法并依据沙水同轴射流实验建立泥沙云团水下运动模型,研究0.25 mm、0.50 mm和0.75 mm等3种粒径泥沙云团的水下运动特性,以及水沙中心速度对圆形、同轴环形、正方形和三角形等4种形状投放口的响应情况。研究结果表明:抛投泥沙入水后形成的泥沙云团由泥沙相为主的球形前锋和以液相为主的云团尾部组成,触底后云团的几何形态表现为稳态的泥沙射流;云团运动初始阶段水流截面形状与投放口形状保持一致,在沉降过程中逐步扩展并转化为圆形,云团沉降扩散过程中的运动形态与泥沙颗粒的粒径直接相关;投放口形状对云团中心速度的影响范围约为等面积圆形投放口内径的7倍,在此区域内非圆形截面投放口投放的泥沙云团中心速度快,但速度衰减率高。

长江河口悬浮颗粒物研究

１９９４年１１月、１９９６年９月和１９９７年１月使用ＦＡＣＳｃａｎ流式细胞仪技术等分析观测手段对长江河口悬浮体进行了研究。结果表明，长江河口悬浮体中，具有有机性的颗粒数占总颗粒数的６０％－７５％；在颗粒粒径分布上，粗颗粒物质（＞８μｍ）主要为有机物质（生物残体、小型藻类、矿物－有机物集合体），细颗粒物质（＜８μｍ）主要为粘土矿物、有有机物附着和具有有机裹层的粘土矿物或集合体；有机性颗粒物质含量随盐度变化，高盐水侵人，有机颗粒含量增高；有机性悬浮颗粒浓度随总悬浮体的浓度增大而增大，认为长江河口悬浮体的聚集主要以有机絮凝为主。

粘性细颗粒泥沙絮凝研究概述

以絮凝动力学理论(Smoluchowski方程)、胶体稳定性理论(DLVO理论)和分形几何(FractalGeometry)在絮凝研究中的应用为线索,回顾了粘性细颗粒泥沙絮凝结构,絮团沉速,以及影响絮凝因素(泥沙粒径、浓度、电解质阳离子、温度和水流紊动等)等方面的研究成果;综述了絮团的尺寸、密度、沉速、破坏强度及碰撞频率函数的分形几何描述方式;介绍了快速絮凝和慢速絮凝的分形生长模型,以及絮凝发育过程数值模拟的研究进展.针对河流泥沙在矿物组成、颗粒尺度、表面电荷分布和水中盐分多样性的特点,以及粘性细颗粒泥沙絮凝研究的特殊性,提出进一步深化粘性细颗粒泥沙絮凝研究的建议.

水动力作用下太湖底泥起动规律研究

在环形水槽内模拟了太湖底泥的起动规律,分析了太湖底泥运动的不同状态,以及上覆水中总磷(TP)浓度随流速的变化关系,实验得出的太湖底泥在3种起动标准下对应的起动流速分别为35、45和60cm/s,并观察到上覆水中TP浓度在3种不同起动流速处出现了较大的跳跃;然后利用泥沙起动的理论模型计算了太湖底泥在3种不同起动标准(个别动、少量动、普遍动)下的起动流速和起动切应力,其值分别为37 9、46 7、59 8cm/s和0 428、0 636、1 042N/m2。两种方法得到的起动流速值比较接近,基本上反映了太湖底泥起动的实际状况。

唐家山堰塞湖下游河床泥沙起动流速研究

对均匀沙在陡坡上的起动机理作了分析。利用几何关系对均匀沙的暴露度概率密度函数进行修正,修正后的概率密度函数随着相对暴露度的变化而变化,并且有实验数据的间接支持。运用概率论与力学相结合的方法,以相对暴露度为基础,导出了泥沙颗粒力臂的数学期望,进而导出了考虑均匀沙隐暴效应的起动概率表达式。在起动概率的基础上建立了陡坡上均匀沙的起动流速公式。通过已有的陡坡均匀沙起动流速试验数据,确定了计算公式的参数。野外资料表明所得公式同时也适用缓坡的起动流速。分析表明:随着冲刷的进行,唐家山堰塞湖下游河床坡度变缓,泥沙起动流速变大。从而抑制河床的变形。

泥沙起动临界切应力研究

泥沙起动是河流动力学基础理论中最基本的问题之一.从非均匀沙起动的特点出发,研究了泥沙颗粒起动的内在机理及水力、泥沙因素在泥沙起动中的作用.通过对瞬时作用流速及起动标准、泥沙颗粒在床面的相对暴露度、附加质量力等问题的分析及其表达式的引入,使泥沙起动在理论上进一步完善.采用泥沙颗粒沿床面滚动的模式,推得了非均匀沙起动临界无因次切应力公式.该公式包含了与水流脉动及泥沙颗粒相对暴露度相关的系数.对公式中的系数进行了理论分析,并采用实测资料进行了检验,证明了公式的合理性.

模拟扰动条件下太湖沉积物的再悬浮特征

采用沉积物再悬浮振荡器在0.2-0.5 N/m^2的切应力和60-1800 s的持续振荡时间下,对太湖沉积物原状芯样的再悬浮特征开展模拟实验研究,揭示切应力大小和外力作用时间对沉积物再悬浮的影响。实验结果表明,振荡初期,上覆水中悬浮物浓度上升速率较快,随振荡时间延长,上升速率减缓,浓度趋于稳定;且浓度上升速率随切应力增加呈显著增大趋势。此外,悬浮物沉降通量随振荡时间而增大,而再悬浮通量呈相反变化趋势,两者的时间变化曲线逐渐接近,最终达到动态平衡。室内模拟试验观测值与太湖现场观测结果的对比表明,该模拟装置能够在室内可控条件下较好地反映太湖沉积物再悬浮特征。

粗细化过程中的非均匀沙起动流速

本文对处于淤交替 (粗化细化 )过程下的宽级配非均匀沙起动特点进行了分析 ,文中首先探讨了均匀沙起动流速的表达方式 ,然后引入非均匀沙暴露高度和泥沙粒径的关系和研究成果 ,导出了宽级配非均匀沙分级起动流速的计算公式 ,通过实验资料检验符合良好。

斜坡上非均匀沙起动条件初探

在经典力学的基础上 ,以某一概率作为定量起动标准。考虑到床面颗粒的相互隐暴影响 ,引入了等效粒径来研究泥沙的起动条件。推导了斜面上非均匀沙的起动条件。计算得到了泥沙起动时临界无量纲切应力参数。采用实测资料对文中所得结论进行了验证 。

非均匀沙分级起动规律研究

本文对非均匀沙起动机理作了分析，提出适合非均匀沙分级起动的判别标准．运用概率论与力学结合的方法，对起动颗粒的作用力臂进行随机分析，导出考虑非均匀沙隐暴效应的起动概率表达式，藉此建立非均匀沙第ｋ粒级的起动公式．在水槽中对天然沙加颜色沙进行分级起动试验，据以确定隐暴系数，从而获得与均匀沙兼容的起动切应力和起动流速公式．

盾构隧道开挖引起的地表沉降规律

地表沉降值是衡量开挖方式是否合适的关键指标,因此监测和预测地表沉降有重要的实际意义。在文中,根据对盾构法开挖隧道引起的地表沉降监测资料,做出了观测断面中心点的速度直方图和观测断面中心点位移随盾构机推进的位移变化图。通过分析,发现当盾构机到达测量断面前5m～8m后,地表测点的变形达到最大隆起值,然后测点的变形速度为负值,开始向下运动;在盾构机通过测量断面大约2 5m后,测点位移几乎不再增加,变形速度也变得很小。

泥沙起动判别标准探讨

分析了现有起动标准的不足之处。在制定起动标准时,不但要考虑水流条件,还必须考虑泥沙颗粒在床面的相对位置。对同一粒径的泥沙颗粒,其起动条件不是一个常量,而是位于一个区间,它随颗粒在床面的相对暴露度而变化。根据力学原理,推导了泥沙颗粒起动时的临界无量纲切应力公式,并对其系数取值进行了理论计算。计算结果表明,对同一粒径、在同一起动状态下,泥沙颗粒的起动临界条件并非一个常量。并从理论上分析得到了临界值的范围,对个别及少量起动,其无量纲临界切应力为0 021～0 042及0 041～0 062。

冬、夏季北黄海悬浮物分布特征

利用国家908专项ST02区块(北黄海)水体专项调查2007年夏、冬资料,应用浊度观测资料对悬浮物质量浓度进行线性拟合,得到较好的反演结果。在北黄海海域选取了具有代表性的9个断面,利用反演的悬浮物质量浓度,综合温度、盐度等水文要素,辅以冬、夏季山东半岛沿岸流、北黄海冷水团和黄海暖流的季节变化特征,着重分析了冬、夏季北黄海悬浮物分布特征、形成原因以及季节变化。研究结果表明,冬、夏山东半岛北部沿岸、成山头海域和老铁山水道以及旅顺湾附近海域始终为高悬浮物浓度区,呈现出近岸高,离岸低,底层高,表层低的态势。夏季,水体垂向层结显著,受北黄海冷水团以及沿岸流的作用,老铁山水道附近及山东半岛北部沿岸的高悬浮物浓度值区基本不能进入北黄海,只能沿岸分布,并且由于海底底质为粘土质以及沿岸流的共同作用,成山头附近海域悬浮物浓度值很高,但基本为局地再悬浮,没有向外输送的趋势。冬季受强劲东北风的影响,水体垂向混合均匀,悬浮物浓度值比夏季高得多,悬浮物的分布受黄海暖流、沿岸流以及地形的影响,特别是成山头附近海域,存在一个显著的高悬浮物浓度值区,并具有向南输送的特征。

不同底坡的均匀沙起动条件

在讨论了床面均匀沙颗粒起动标准、起动概率及隐暴度的基础上,采用泥沙滚动平衡模式推导了不同底坡的均匀沙起动条件,并给出了起动切应力计算式中参数的取值。经验证,由起动切应力转化为起动流速的计算结果与试验实测值较为吻合。

黏性泥沙絮凝研究进展

黏性泥沙颗粒的絮凝特性表现出与粗颗粒泥沙迥异的物理及输移特性,因此黏性泥沙絮凝是河流海洋泥沙理论研究中的热点之一。总结了黏性泥沙絮凝在试验研究和数学模型方面的研究成果,介绍了最新的相关研究进展,并分析了现有研究中存在的问题。认为目前存在的主要问题有:(1)有关黏性泥沙的试验研究以单因素影响试验为主,缺少多因素影响研究;(2)对泥沙絮团的三维结构形态研究不足;(3)相关数学模型只能描述定性规律。今后应在黏性泥沙相似准则、多因素影响试验、絮团微观结构观测仪器开发、大尺度三维絮凝数值模拟等方面加强研究。