基于振动信号的推移质输沙率监测研究

推移质输沙率精确测量是河流动力学的研究难点之一,传统的推移质直接测量方法受限于推移质运动的复杂性和测量仪器的局限性,无法对推移质进行长时间的连续监测。为了连续监测推移质运动,采用推移质间接测量方法,利用安装振动传感器的冲击板系统对推移质运动产生的振动信号进行高分辨率采集,提取振动信号特征值,并建立与推移质输沙率及流量之间的关系,进一步采用人工神经网络算法对推移质输沙率进行有效预测。结果表明:推移质振动信号的特征值均值与推移质输沙率有良好的相关性;中等流量条件的神经网络预测效果最佳,小流量条件的预测效果次之,大流量条件的预测效果相对较差,且其最优输入参数与流量及河床变化均有关系。

基于高速摄像技术的流体作用力试验

针对颗粒在动水中的流体作用力问题,采用高速摄像技术对颗粒的运动过程进行观测,通过求解圆球及天然泥沙跃移运动过程中的力学方程,得到拖曳力系数及上举力系数。试验结果表明:①动水中颗粒非匀速运动时的拖曳力系数、静水中颗粒非匀速运动时的拖曳力系数与匀速运动时的拖曳力系数均随着雷诺数的增加而减小,颗粒与水流之间的相对运动速度越接近于颗粒沉速,三者间的差异越小;当颗粒与水流之间的相对运动速度等于颗粒沉速时,三者近似相等。②形状对上举力系数的影响较对拖曳力系数的影响更明显,天然泥沙的拖曳力系数大于圆球的拖曳力系数,天然泥沙的上举力系数小于圆球的上举力系数。最后,构建了圆球及天然泥沙的拖曳力系数及上举力系数公式,公式计算值与实测值符合较好。

典型非均匀推移质输沙率公式适用性比较

基于等中值粒径的“单、双峰型级配”推移质输沙试验以及“驼峰”输沙率试验数据,选择Einstein、吴伟明、Wilcock和吴保生等4种典型非均匀推移质输沙率公式计算“单、双峰型级配”推移质输沙率,将两种级配的输沙率比值及曲线形态与试验成果对比分析。结果表明:吴伟明公式在反映“单、双峰型级配”推移质输沙差异上表现最好,这4种公式均无法反映“驼峰”输沙率现象。基于多参数考虑的Patel公式较这4种公式能更好地反映上述两种现象。充分考虑床沙级配对分组沙起动切应力和输沙有效Shields数的影响,是提高非均匀推移质输沙率公式精度和适用性的关键。

漏斗式全沙排沙技术及其应用

主要介绍了一种新型泥沙处理技术 ,即“漏斗式全沙排沙术”。该项技术既可以排除粗颗粒的推移质泥沙 ,也可以排除细颗粒的悬移质泥沙。对 0 .5mm以上的粗颗粒泥沙的截沙率为10 0 % ,对 0 .5mm以下细颗粒泥沙的截沙率为 90 % ,排沙耗水量仅占渠道引水量的 2 %～ 5%。

推移质输沙率的非线性研究

目的是从非线性科学角度探讨泥沙运动的规律。通过分析非均匀沙起动的影响因素得到了尖点突变模型的状态变量和控制变量,建立了能描述推移质运动的尖点突变模型。在尖点突变标准方程的基础上,应用尖点突变理论的坐标变换和拓扑变换,导出了输沙强度和水流参数的函数关系式。将输沙强度作为状态变量,水流参数和床沙密实系数作为控制变量。用水槽实验资料和其它推移质输沙率公式进行了对比验证。验证结果表明,计算值与其它推移质输沙率公式和水槽实验结果基本相符,误差一般在-90%～80%之间。说明建立的推移质输沙率公式是合理的,能够反映泥沙的起动和输移规律。

台湾浅滩大型沙波、潮流结构和推移质输运特征

对2006年8月所获台湾浅滩的底质、水深、多层位流速、流向以及CTD观测数据进行了分析，探讨了台湾浅滩大型沙波区水流的时空分布特征、沉积物输运过程及影响因素，结果表明，台湾浅滩动力作用较强，底质为粗砂，其上发育的沙波波长为325-822 m，波高为14.4-20.3 m，较接近由前人总结的沙波波高、波长的关系式计算出的波高和波长。沙波波峰、波谷、迎水面和背水面流速以12.5 h为周期沿顺时针方向旋转；底部最大流速出现在半日潮周期的同一时段，对应的方向均为偏南方向，且沙波迎水面的流速大于背水面的。在两个半日潮过程中研究区域的沉积物输入量大于输出量，处于淤积状态。在潮流作用下沉积物输运量较少，沙波脊线移动较小，而台湾浅滩有较大规模的沙波运动，故认为改造沙波的主要作用力应该是风暴流。在观测的断面中涨潮推移质输运量大于落潮的，且第一个半日潮涨落潮的输运能力均较第二个半日潮的大，这可能与潮流的流速-时间不对称特征及潮能变化形式有关。

宽级配推移质输移特性研究

针对宽级配卵石河道粗细颗粒泥沙的输移特点 ,提出一种反映粗化细化过程的特征参数———粗化细化程度的概念和计算方法 ,来描述河道粗化细化过程中输沙能力的不同特点。同时 ,在对床沙位置进行实测的基础上 ,把粗化过程和床沙位置特征参数联系起来 ,用床沙位置特征参数来反映 ,刻化粗化细化过程中的程度 ;由此而对非均匀粗细泥沙输移中粗化细化程度对输沙率的影响规律进行深入探讨 ,获得粗化细化程度对粗颗粒泥沙推移质输沙率影响的计算方法。

长江寸滩站卵石推移质的运动规律

本文将寸滩站1966—1988年实测的2167组卵石推移质资料输入计算机。通过统计分析,得出卵石推移质的颗粒级配、起动流速、推移带宽度及输沙率等结果,为生产和科研提供了基本资料。

山区河流卵石推移质的输移特性

通过对床面颗粒的受力分析 ,在岷江都江堰河段和青衣江姜射坝河段的实测资料基础上 ,导出了卵石推移质运动状态数与爱因斯坦的推移质运动强度函数的关系 ,能较好地反映四川山区河流卵石推移质时均输沙率与水沙因素的关系。用对数正态分布描述卵石推移质输沙率的随机特性 ,证明在 95 %的置信水平下是成立的。

变坡陡比降河道强输沙下泥沙淤积与水位激增的试验研究

山洪常常挟带大量松散块体汇入山区性河道,使河流处于强输沙状态。强输沙水流进入中下游河段后,由于坡降变缓,会衍生出河床地形的淤积抬高,使水位大幅度的升高。通过变坡陡比降水槽,采用单因素控制法研究了强输沙条件下河床地形的冲淤发展及水位变化规律,并根据河流自动调整作用机理,分析了河道淤积发展传播规律,揭示了泥沙在山洪中的附加致灾作用。试验结果表明:上游陡坡河道的强输沙水流,进入下游较缓河段时,在床面可发生淤积,该淤积影响可快速向上游传播,导致河床大范围淤高。其淤积起始位置和淤高厚度与水流强度、含沙浓度等因素有关。更为严重的是,局部淤积发生后,床面比降的变化可能会改变局部河段的急流状态,使淤积锋面处发生水跃,从而显著提高洪水水位。试验发现当上游泥沙补给减弱后,淤积的床沙又快速被水流冲刷掉,使洪水之后很难发现河床淤积的痕迹。

卵石河床清水冲刷粗化层破坏临界条件试验研究

针对山区卵石河道普遍存在的床面粗化层现象,进行了水流强度连续小幅增大的清水冲刷粗化层破坏试验研究,旨在探讨粗化层破坏与水流强度之间的临界关系。试验结果表明,水流强度的增大并不一定能破坏床面粗化层,只有当水流强度增大到一定程度时,粗化层才会破坏。对于本系列试验所用泥沙,只有床面切应力大于初始粗化床面切应力的1.2倍,粗化层才会破坏。粗化层床面结构对粗化床面切应力有着重要的影响。

清水冲刷推移质输沙率变化规律

分析恒定清水冲刷水槽试验资料发现,推移质输沙率变化可分为两个阶段,即时均稳定阶段和衰减阶段。通过机理分析,建立了该两个阶段的计算公式,计算结果与试验资料吻合良好。该式可用来估算任一河段及任一时刻推移质输沙量及冲刷剖面。

沙波运动与推移质输沙率

基于沙波运动,通过理论分析水沙运动的动力学因素,合理概化水沙运动模式,综合分析水流运动过程中所受到的力,利用沙波迎流面水体的动量方程,从理论上研究沙波波高随水流运动变化的数学表达,并将其与推移质输沙率联系起来,建立一个推移质输沙率与相对水流强度的数学关系式.计算分析表明,公式所能描述的规律与室内外资料相符,能较好地反映推移质输沙率与相对水流强度间的正向变化的全过程,具有理论和实用价值.

山区河流河床结构对推移质输沙率的影响

河床结构是山区河流河床在洪水过程中达到较强阻力及较高河床稳定性时床面大颗粒的组合,对山区河流的推移质输沙起重要影响.引入河床结构强度Sp对山区河流河床结构进行定量化研究,使用河床结构测量设备对河床强度进行测量,采用类似于坑测法的子母双槽进行推移质输沙率实测,对云南小江流域的15条主要支流河床结构及推移质输沙进行野外实测,发现推移质输沙强度至少受单宽水流能量与河床结构发育程度共同影响,在同等级水流能量条件下,河床结构的发育程度越高的河流(或河段)其推移质输沙强度越小,河床强度值越小的河流(或河段)推移质输沙强度越大.单宽水流能量小于50 kg/(m.s)、河床结构强度大于0.35时,推移质输沙率接近零.

长江芦家河浅滩段石泓大开挖方案的研究

三峡水库蓄水运用后,长江芦家河浅滩段将出现局部坡陡流急的航道问题,石泓大开挖为解决此问题的方案之一。采用全沙动床模型实验方法,研究了石泓大开挖方案实施后对改善航道条件、对本河段及上游河段河势变化可能产生的影响等。研究表明:石泓大开挖方案将改善本河段的航行条件;也将使本河段枯水期的主、支汊易位;改变松滋河的分流特性;与此同时石泓大开挖方案将加剧上游水位的下降,并可能因此影响葛洲坝船闸的正常运行;挖槽中推移质泥沙的回淤有待于今后的进一步研究。

变坡陡比降河道泥沙淤积逆向发展速度的试验研究

针对山区性河流上陡下缓的比降特点,通过变坡陡比降水槽采用单因素控制法,研究了强输沙状态下加沙强度、流量及泥沙粒径对泥沙淤积逆向发展速度的影响。试验结果表明:上游陡坡河道的强输沙水流,进入下游略缓的陡坡时,在床面可发生淤积,该淤积影响向上游传播的速度与加沙强度、流量及泥沙粒径有关。上游加沙强度越大、来流流量越小或加沙粒径越大,泥沙淤积逆行发展速度越快。泥沙逆向淤积发展的速度还与河床比降有关,总体上,比降越小,逆向淤积发展速度越快。

过渡区动床明渠流的流速分布

利用激光流速仪测量了随水流强度加大松散床面,从定床到具有一定输沙强度的动床流动,试验水流条件均处于过渡区。试验资料分析表明,动床过渡区明渠流的卡门常数小于通常所采用的0.4;水流强度逐渐增大,随着推移质运动量增加,阻力系数有减小再增大的趋势;雷诺应力分布和紊动强度分布规律同光滑明渠流类似。

宽级配卵石推移质输移随机过程的分维研究

深入探讨、分析长江三峡工程上游河道宽级配卵石推移质输移特点及其随机过程 ,更清楚地认识三峡工程回水变动区河道泥沙运动规律是一个很重要的研究课题。本文应用 70年代发展起来的现代数学手段分形(分维 )几何学、R/S分析 ,对长江上游年来沙量过程进行分形特性分析 ,用R/S分析计算其分形维数 ,表明长江上游悬沙和推移质年沙量的分形维DH 分别为 1 .32 1和 1 .378;赫斯特数H分别为 0 .6 79和 0 .6 2 2 ,均大于 0 .5 ,根据分形几何学、R/S分析原理 ,说明三峡工程上游来沙量发展过程发现为正相关 ,是具有持久记忆性、周期性的随机过程———分式布朗运动过程 ,长江上游沙量发展趋势有可能表现为 :“良性循环或恶性循环”两种 ,长江上游来沙量必须依靠持久的水土保持治理和水库群拦截 ,否则会出现恶性循环的可能。文中用分形几何学、R/S分析方法对宽级配卵石推移质输移实测随机过程进行计算 ,结果表明对测量时间间隔 8～ 9分钟的采样 ,所获得的输沙率随机过程的分维数DH=1 .47(H =0 .5 3) ,接近马氏过程 (DH=1 .5 )。测量时间间隔 3分钟的采样 ,所获得的输沙率随机过程的分维数DH=1 .33(H =0 .6 7) ,为非马氏过程 ,表明过程具有持久记忆性和周期性。

长江上游推移质泥沙输移研究

针对目前长江上游精度较高的推移质输沙率公式还未公认接受的现状,利用长江上游8个测站(点)共计1 290组推移质运动实测资料,点汇无因次水流强度指标和泥沙输移强度相关关系,发现无因次W*-Φ的关系较好。然后根据输沙率公式的标准化对其关系式进行回归分析,并利用实测资料对回归公式进行了验证。结果表明,该公式较适用于长江上游河流的推移质输沙率公式,推荐在长江上游河流使用本文回归公式。

水流中颗粒跃移的运动学特征

水流中颗粒跃移机理的研究对于推移质运动的理论具有重要意义,作者利用高速摄影技术,采用不同容重和粒径的颗粒材料和不同的水流强度,系统地测量了水流中颗粒的跃移过程,本文着重分析了颗粒跃移轨迹的运动学特征,试验给出了不同水流强度下颗粒呈现滚动、跃移和悬移的机率,试验表明,跃长和跃高都是随水流和泥沙条件而变化的;颗粒运动速度、加速度和水沙运动速度差等都是沿轨迹变化的。试验还证实了水中颗粒运动具有旋转的形态。