Effect of upward seepage on bedload transport rate

The paper presents an investigation of injection effects on the bedload transport rate. According to dimensional analysis, two dimensionless groups, an Einstein＇s parameter group and a modified densimetric Froude number group, were chosen to examine how injection affects the bedload transport rate. Experimental studies were conducted in an open-channel flume with an upward seepage zone. The sediment particles used for the test were 0.9 mm in diameter. The experimental results show that an increase in the injection velocity causes a reduction in the shear velocity excess, which is defined as the difference between the shear and critical shear velocities, leading to a reduction in the bedload transport rate. The equation for predicting the bedload transport rate in the presence of upward seepage was derived empirically. The proposed prediction method is suitable for engineering practice, since it only requires the undisturbed flow condition, properties of sediment particles, and the injection velocity.

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。

平整输沙床面水流阻力研究

水流阻力对于研究水流结构、推移质运动和输沙率等问题具有重要意义。影响水流阻力的因素有床面泥沙级配、水流条件、床面结构和推移质输沙率等,综合考虑床面泥沙条件、水流条件和推移质输移情况,将平整非均匀床面的水流阻力划分为沙粒阻力和输沙阻力。基于床面粗化过程中推移质输沙率的变化规律,将床面表层粗化程度系数表示为相对输沙率的函数,结合粗化完成床面和均匀床面的阻力公式,建立了包含床面结构参数的床面沙粒阻力公式。基于滚动和跃移推移质运动特性的差异,分析了滚动推移质在床面上的受力,得到了水流搬运滚动推移质消耗的能量,并与bagnold建立的计算公式进行对比,结合不同水流强度下滚动和跃移推移质的占比,建立了输沙阻力公式,由实测粗化床面资料确定了床面表层粗化程度系数,最终建立了适用于平整非均匀输沙床面的水流阻力计算公式。经实测资料验证并与其他学者的阻力计算公式进行分析对比,公式的均方根相对误差(RMSRE)仅为0.094,比其他学者阻力计算公式的相对误差值更小,表明该阻力计算公式具有更高的计算精度。

山区河流浅水条件下漂石对河床响应与泥沙补给影响的试验研究

受暴雨洪水与滑坡、泥石流灾害的影响,山区河流床沙多为宽级配卵砾石泥沙,甚至出现较多的漂石,从而影响近底水流结构与推移质输移特性。基于野外漂石河流的调查,通过概化水槽试验,探讨了漂石颗粒对河床冲淤的影响;对比分析了不同水沙条件下漂石对推移质输沙率过程的影响;根据床面粗化程度与漂石状态相异的两种类型对比试验,探讨了漂石对不同水沙条件下推移质输沙率的影响程度。研究表明:随着漂石颗粒相对淹没度(h/D,平均水深与漂石有效直径之比)的减少,漂石对其尾部区域水流的混掺越加突出,从而对河床的冲刷能力变大;根据本试验采用的水沙参数,漂石对推移质输沙率的扩大效应为几倍至十几倍。

沟道植物坝的水土保持功效

基于干旱地区沟道浸蚀及泥沙输移的规律，针对植物群体的滞留拦沙作用，开展了这方面的机理研究及室内试验，推导了植物坝前壅水计算迭代公式，求得了植物丛内断面输沙率、建立了坝前沟道冲淤计算的理论模式，取得了计算值与试验值较为吻合的成果。

平面二维河床变形的数值模拟

为了研究河道平面二维的河床变形问题,及由此而引起的对防洪、航运等造成的影响,本文给出了非均匀沙的平面二维全沙动床数学模型方程组,并考虑了悬移质不饱和输移、非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。 在求解水流泥沙运动方程时,采用控制体积法(SIMPLEC程式)及动边界技术,对水流速度场、悬移质浓度场及河床变形进行了数值模拟。该模型采用正交曲线网格来克服天然河道边界形状复杂、长宽尺度相差悬殊以及由于水位波动引起计算边界变化等困难。通过水流、泥沙运动及河床变形的计算,给出了水位、流速、悬移质含沙量及其级配、床沙级配变化以及河床各冲淤部位的变化,并用实测资料对计算结果进行了检验,检验结果表明,计算的水位、流速、涨水期的淤积过程及落水期的冲刷过程均与实测值吻合较好。

不连续宽级配床沙推移质输沙率特性试验分析

通过水槽试验对不连续宽级配床沙的推移质输沙率进行试验研究。深入分析、探讨了不同水流强度及不同床沙组成对连续与不连续宽级配床沙输沙率的影响。在已有研究成果的基础上,构造了考虑床沙不均匀性的相对水流强度表达式,着重研究了相对水流强度与推移质输沙率函数的关系。利用试验资料对提出的表达式进行回归分析,确定了有关参数。最终确定的不连续宽级配床沙推移质输沙率计算表达式结构合理,能够反映出不连续宽级配床沙不均匀性对水流输沙的影响。

三峡工程对现代长江三角洲地貌演化影响的初步研究

根据长江三峡蓄水前后十余年的入海泥沙通量和河口口门区冲淤的对比分析,初步探讨三峡工程对长江河口三角洲地貌演化的影响。结果表明:(1)三峡水库蓄水以来(2003-2008年),入库悬沙73%以上被拦截在水库里,因坝下游河床冲刷和支流来沙补给,三峡水库蓄水导致大通站输沙率下降49%;(2)1994-2000年、2000-2004年、2004-2008年,长江口门研究区(1 500 km)2净淤积量分别为7.25×108m3(1.21亿m3/a)、-1.03×108m3(-0.26亿m3/a)和-0.20×108m3(-0.05亿m3/a);(3)2000年以来,河口门外水深超过7 m的大部分区域处于蚀退,尤以10-20 m区域侵蚀最为强烈,但河口滩地(5 m线以内)较前一时段淤积加强。主要结论:三峡水库蓄水加剧了长江入海泥沙的减少;入海泥沙减少是长江三角洲从淤积转为侵蚀的主要原因,近几年入海泥沙减少和河口口门区出现的冲刷有一半左右可归因于三峡工程的运行;河口滩地的逆势淤积是近年一系列的河口重大工程影响的结果。

基于床面层能量平衡关系的推移质输沙率计算式

基于床面层内的水流能量关系,推导了推移质输沙率与床面层内有效水流功率的关系式.实测资料表明,推移质输沙率与床面层内有效水流功率有良好的相关性,且高于推移质输沙率与水流功率的相关性.经2 800组试验资料与天然河流资料的检验表明,该关系式的适应性良好,计算精度较高,并优于同类型的基于水流功率的推移质输沙率公式.

推移质输沙率神经网络模型的试验研究

本文在分析推移质输沙率演变过程及其影响因素的基础上 ,概化为一种非线性的输入输出泛函关系 .而后以人工神经网络作用原理建立了推移质输沙率的反馈网络模型 .在变坡水槽中铺设天然沙 ,进行了九组不同流量、坡降及床沙组成的恒定流推移质输沙率试验 .对每组试验过程连续接沙 ,称取并记录每次接沙时间、输沙量及其最大粒径 ,直到床面粗化稳定为止 .以此试验资料对模型进行识别及模拟 。

粗化过程中的推移质输沙率

将床面可动沙颗粒数视为一种随机过程 ,首次从理论上建立起冲刷粗化过程中输沙率变化的微分方程 ,据以解出输沙率随时间呈指数衰减规律变化的理论公式 .与部分实验资料的比较表明 ,公式在一定程度上与实际一致 .

非均匀沙分级推移质公式

根据近底泥沙交换的随机 -力学模式及输沙率概率分布 ,从理论上建立了非均匀沙任意粒级推移质输沙率的新公式 .采用作者提出的分级起动概率和颗粒跳跃速度表达式处理有关参数 ,而公式所及常数则由均匀沙输移试验资料确定 .由此获得的非均匀沙分级推移质公式物理概念清楚、数学处理严密、能自动适应均匀沙情形 .用非均匀沙分级输移试验资料的验证结果表明 。

水库下游冲刷的数值模拟—模型的检验

文献[1]建立了水库下游冲刷的一维数学模型,模型考虑了非均匀悬移质不饱和输移、非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。本文利用系统的水槽试验资料及汉江丹江口水库下游、长江葛洲坝下游冲刷资料对文献[1]提出的模型进行了全面检验,检验结果表明,计算的冲淤量及沿横断面分布、出口断面含沙量过程、推移质输沙率、各河段床沙粗化过程及水位过程均与实测资料吻合较好。

长江中游城汉河段推移质输沙率计算公式

三峡水库蓄水运用后,城汉河段悬移质输沙量大幅度减少,推移质输沙量所占比重增加,造床作用日益凸显,故开展其推移质输沙率计算公式研究具有理论与实际意义。利用螺山和汉口水文站实测资料建立了推移质输沙率与流量之间的指数关系式,并据此推算了两站逐日推移质输沙率,结果表明:螺山站、汉口站输沙率均与流量的0.912 78次方成正比,多年(2009—2015年)平均推移质输沙量分别为137万t、152万t,主要集中在汛期。利用推移质实测资料对Engelund、Einstein、Yalin 3个公式进行了检验与修正,结果表明:修正前各公式计算结果比较分散,且与实测值偏差很大;修正后各公式计算精度显著提高,综合比较发现,修正后的Yalin公式精度最高,Engelund公式、指数关系式次之,Einstein公式精度相对较低。因此,修正后的Yalin公式更适合于城汉河段推移质输沙率计算,可用于该河段的演变分析与数学模型计算。

非恒定流推移质运动研究进展分析

非恒定流推移质输沙是河流动力学研究中的基础性问题之一。近几十年来,国内外许多学者对这一问题开展了探索性研究,取得了不少研究成果。本文简要回顾了非恒定流推移质运动的研究历程,并从4个方面总结了非恒定流推移质输沙研究进展和主要成果:(1)水沙运动的滞后性;(2)泥沙运动的绳套变化特征;(3)推移质输沙率;(4)洪水驱动下的推移质输沙量。基于对已有研究结果的归纳与分析,指出了现阶段研究中存在的不足,并提出了非恒定流推移质运动的研究建议。

Study of bedload transport in backwater flow

This paper studies the flow structure and the bedload transport regime in backwater flows, to provide a theoretical support for solving the sediment transport and bed scour problems in rivers or reservoirs with backwater. The bedload transport rates under different conditions are analyzed first on the basis of theoretical analysis, measurement comparison and flume experiment, and it is pointed out that the existing formulas for the bedload transport rate are not applicable for the bedload transport rate in backwater flows. Next, the flow structure in a non-uniform flow is observed by flume experiments, and by introducing the backwater degree index, the quantitative relation between the relative bed shear stress and the backwater degree is obtained. Finally, the formula for the bedload transport rate applicable for the reservoir channel segment with backwater flows is obtained through measurements and flume experiments.

波浪作用下岸坡和海底平衡条件的研究

提出波浪作用下岸坡和海底动态和静态平衡条件的数学模型。在已建立的推移质泥沙体积输沙率基本关系式的基础上,根据连续方程,计算出底坡、泥沙、波浪三要素在动态和静态平衡情况下的关系式,得出反映这种关系的底坡平衡函数曲线图。用实际资料对这一函数曲线进行了验证,并对实际资料相对模型的某些差异作出解释。

输沙率公式对桥墩局部冲刷数值模拟影响研究

基于Melville桥墩局部冲刷试验模型,采用FLOW-3D软件,利用大涡模拟方法模拟了桥墩绕流局部冲刷过程,通过分析冲刷坑形态、深度的变化过程,评价了Meyer-Peter和Van Rijn推移质输沙率公式在桥墩绕流局部冲刷模拟中的适用性,并结合两输沙率公式结构分析了模拟结果存在差异的原因。结果表明:大涡模拟方法能够有效模拟桥墩绕流的复杂流态,采用Meyer-Peter推移质输沙率公式的局部冲刷模拟结果较好,预测的冲刷坑形态更接近试验观测结果;当时间为30 min时,最大冲刷深度与试验观测结果相对误差为2.3%。采用Van Rijn推移质输沙率公式的预测结果相对较差,最大冲刷深度与试验观测结果相对误差为15.5%。

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.

浑水推移质分组输沙研究

天然河流的泥沙输移大多在浑水条件下进行,浑水条件与清水条件下的输沙机理存在一定差异。基于近底泥沙交换三状态随机-力学模式,考虑了床沙与推移质向悬移质的净交换,引入扬动概率,建立了浑水中非均匀推移质分级输沙率公式,进而导出总输沙率及推移质级配的计算式。浑水条件下进行的推移质输移水槽试验和野外实测资料验证了该理论公式的合理性与可靠性,并发现浑水条件下推移质级配可能粗于原始床沙级配。研究结果表明:在浑水中,以悬移质形式存在的砂质泥沙含量对有效估算推移质输沙率有着不容忽视的影响。在某粒级运动泥沙总量不变的前提下,由于一部分沙粒悬浮于水体中,将使得推移质数量相对减少。