清水冲刷下河床粗化试验研究评述

河床粗化问题是推移质运动研究的重要组成部分,由于河床级配、水流条件、输沙级配、床面形态四者互为反馈,交互制约,该领域一直为研究前沿。本文回顾及评述了河床粗化试验研究中的河床粗化机理、推移质输沙率、输沙级配、粗化层表面形态、粗化层非均匀沙起动条件、粗化层泥沙级配沿径向分布、可动层内床沙垂向交换,以及粗化河床对"人工喂沙"的响应等八个关键科学问题。河床粗化涉及许多不确定未知因素,成体系的理论成果之所以不足,主要在于精密试验资料的匮乏。精密粗化试验是很难突破的瓶颈,跨学科交叉技术的应用和先进量测仪器的研发将是解决这一复杂问题的有力手段。

水库下游河床粗化计算模型

根据泥沙起动及河床粗化理论公式 ,建立了水库下游河床粗化数学模型 ,以研究水库下游河道极限冲刷深度及粗化层级配 ,该模型计算简捷方便 ,通过实例计算结果分析、与一维数模计算成果比较及实际资料验证等结果表明 ,该模型计算结果合理、可靠 ,对研究水库下游局部河段冲刷 。

长洲枢纽下游近坝段河道考虑河床粗化的冲刷模拟研究

西江长洲枢纽建成后,由于水库拦截泥沙,将使下游河床发生沿程冲刷,尤其是枯水期水位下降,影响下游通航。预测长洲枢纽建成运行后设计通航流量时坝下水位的下降。在有泥沙下泄的情况下,尝试采用粗化理论来考虑河床组成在冲刷过程中的变化,计算坝下河床在多年冲刷后的水位下降情况,并分析运用粗化方法的合理性。同时与不考虑粗化作用情况下的水位下降值进行了比较,分析在下游河道有基岩出露的情况下河床粗化作用对水位下降的影响,并提出了关于减小坝下水位下降整治措施的新设想。

三峡水库蓄水后长江中游河床粗化及含沙量恢复特性分析

三峡水库蓄水后清水下泄,长江中游含沙量将长期处于严重不饱和状态,水流含沙量沿程恢复将会引起长江中游河道长距离冲刷。根据三峡水库蓄水以来实测资料,分析了长江中游河段河床粗化与月均含沙量恢复的特性。结果表明:三峡水库蓄水运用以来,宜昌-枝城河段床沙粗化明显,河床已基本以卵石为主;枝城-监利河段河床粗化较为明显;监利-螺山河段、螺山-汉口河段河床有一定程度粗化。三峡水库蓄水运用后,d<0.125 mm粒径沙量在长江中游沿程恢复缓慢且恢复程度远小于蓄水运用前,d>0.125 mm粒径沙量在宜昌-监利河段恢复速率较快,且在监利站附近该粒径含沙量基本恢复饱和。宜昌-监利河段月平均含沙量恢复达到最大值,监利-螺山河段月平均含沙量以减小为主,而螺山-汉口河段月平均含沙量变化不明显。研究成果为将来水库下游不平衡输沙的深入研究提供了参考。

清水冲刷宽级配河床粗化机理试验研究

本文在前人研究基础上,选用粒径为0.05～20.00mm的煤屑及天然沙,在长30m、宽0.5m、深0.6m的变坡水槽内,首先进行清水冲刷河床粗化试验方法研究,然后进行了二十九组试验, 在分析本试验及前大水槽试验、河流实测资料基础上,探讨了清水冲刷宽级配河床粗化机理(包括平整床面的粗化及沙波床面的粗化),得到了粗化过程中及粗化稳定后的阻力规律,

河床粗化过程中推移质输移特征试验研究

为了研究河床粗化破坏与形成过程中推移质的输移特征,基于一套新型的接沙系统,在上游无来沙条件下,进行了3组不同床沙级配的水槽试验,研究了递增梯级流量作用下河床粗化破坏与形成的过程,采集到一套高精度(0.1 g)、高频率(1 Hz)的实时推移质输沙率及分时段输沙级配数据,分析了累积输沙量、输沙率及输沙级配的变化特征。结果表明,粗化过程中累积输沙量随时间基本呈幂函数规律增长,且"粗化破坏再形成"的累积输沙量曲线出现明显转折点;推移质输沙率表现出明显的非恒定性,其粗化形成阶段的耗时要远大于粗化破坏阶段的时间,两者之比范围为3.5~20.5;推移质输沙级配中粗颗粒比例随时间变化趋势与输沙率相似,在输沙率达到峰值附近时,输沙级配与原始床沙级配相同。

河床粗化研究的回顾及展望

本文综述了已有河床粗化的研究成果,包括河床粗化类型;床面可动层;粗化层的形成机理、级配计算、稳定性判别及河床极限冲刷深度的计算等,并用水槽及天然资料对粗化层级配计算方法作了简要评述,指出了尚有待改进的地方及今后着重开展的工作。

丹江口水库坝下游河床粗化与演变的探讨

本文根据1985年10～11月丹江口水库坝下游河道全面查勘和河床质沿程取样所收集资料,结合以往河床质资料,较全面系统地分析研究了丹江口水库坝下游河道的粗化与演变及其发展趋势。

清水冲刷河床稳定粗化层级配计算

通过对冲刷及粗化相互制约机理的探讨 ,提出了确定最大起动粒径的条件及方法。认为小于起动粒径的泥沙有部分停留在床面上 ,而大于最大起动粒径的泥沙颗粒则全部停留在床面上。同时考虑了由于较小颗粒的起动输移 ,部分原来由小颗粒覆盖的大颗粒露出于河床表面 ,露出的颗粒同样也参与了粗化层的形成。在此基础上提出了计算清水冲刷稳定后床面粗化层级配的方法 ,该方法仅与床沙初始级配及其初始水流条件有关 。

河床冲刷粗化的随机模拟

对冲刷与粗化的相互作用机制进行了分析，并在非均匀沙床面暴露度的随机分布特性、流速分布及起动规律研究的基础上，提出了河床冲刷粗化的随机模型。该模型能同时对河床冲刷深度及粗化稳定级配进行计算。由实验及野外实测资料的验证表明，计算结果与实测值基本相符。

河床冲刷粗化多步预报模式研究

运用概率论与力学分析相结合的方法，提出了考虑非均匀沙隐暴效应的泥沙起动概率计算模式，并在已有研究成果的基础上，建立了以泥沙起动概率为核心的河床冲刷粗化多步预报模式，该模式可同时满足预报粗化层级配和冲刷深度的要求。实测资料验证表明，此模式具有较好的预报效果。

三峡水库蓄水后宜昌—杨家脑河段冲刷及粗化

水库蓄水引发的下游河道再调整,对河流未来演变与人类活动均有重要影响.根据现场实测水文、地形与床沙资料,对三峡蓄水后下游宜昌-杨家脑河段的河床冲刷下切、粗化等现象进行了统计分析.结果表明,三峡水库蓄水后导致宜昌相同来流情况下来沙剧减,这是导致研究河段冲刷的根本原因.2002—2006年间主要冲刷区逐年下移,冲淤幅度逐渐变小.而2006年汛末与2008年汛末三峡水库水位的抬高均导致冲刷量的突增.2002—2006年各河段曼宁糙率值逐步增大,尤其是坝下河段.床沙组成中卵石含量迅速提高,坝下河段河床中值粒径亦明显增大,而枝城以下河段不明显.这种上、下游河段粗化过程的差异性与河道冲淤、糙率变化是一致的.

三峡工程下游卵石夹沙河段床沙粗化计算

三峡工程运用后,下泄清水持续冲刷河床,造成长江中游河段床沙逐年粗化,对长江中游河段水沙输移及河床演变规律产生重要影响。为研究三峡工程下游宜枝河段、枝江河段卵石夹沙河床年际床沙粗化及年内床沙交换过程,基于Markov三态转移概率矩阵,引入非均匀沙隐暴系数,得到卵石夹沙河床上床沙级配、推移质级配及悬沙级配的概率计算模型(沙量平衡方程),能够同时考虑前期水沙条件、床沙起悬及冲淤过程对床沙交换过程的影响。结果表明:2003-2017年,枝城站床沙发生明显粗化,泥沙颗粒级配分布曲线左移,2003年床沙粒径范围为0.002~41.000 mm,2017年变为0.031~86.000 mm;此外,该断面床沙中值粒径总体呈上升趋势,并在2010年以后有一定波动,但波动幅度较小;并以汛初、汛末为时间节点,将枝城站年内月均床沙变化过程分为3类。通过枝城站2003-2009年实测资料验证,本文建立的概率模型计算结果与实测资料符合较好,能够应用于三峡工程下游宜枝河段及枝江河段卵石夹沙河床年际床沙粗化及年内床沙交换过程的预报,为今后非均匀沙运动及非平衡输沙机理的研究提供理论基础。

大石峡水库坝址下游河道冲淤及水位变化预测

新疆库玛拉克河中下游规划有大石峡、小石峡2座水库,两坝址相距约11 km,其中小石峡水电站已建成,自2012年运行以来,库区河床抬高,对上游大石峡水库的发电尾水位有较大影响。文章运用平面二维水流泥沙数学模型预测了坝下游(大石峡水库坝下至小石峡水库坝前)在运行10、20、50年后的河道冲淤及水位变化。结果表明:①当大石峡枢纽投入运行后,由于“清水下泄”形成坝下冲刷,同流量条件下尾水渠水位将有所下降,但降幅较小。②随着河床粗化、冲刷幅度减弱,又因为小石峡坝前淤积发展,运行20年后大石峡水电站尾水渠水位反而有所上升。

高山峡谷区陡坡河道泥沙输移与河床演变规律研究

随着人们对山区河流的开发利用的推进,人们迫切需要了解陡坡河道的特性。文中通过水槽试验来研究高山峡谷区陡坡河道的泥沙输移与河床演变规律,研究该河槽的泥沙输移、河床粗化及河槽纵向变形规律。试验发现虽然伴随冲刷发展,床面存在一定的粗化现象,但总体上来流流量越高,河道平均输沙率越大。河床粗化程度与来流流量呈正相关关系。沟床侵蚀过程并不是单一的下切为主,伴随着床面的粗化,水流的侧蚀作用可引起岸坡的崩塌,侧岸补给的泥沙甚至可能导致河床的整体淤高。

三峡水库下游宜昌—昌门溪河段河床调整分析

建立反映河床调整幅度的体幅指标K,分析2003～2008年三峡水库下游宜昌—昌门溪河段河床调整幅度的沿程变化。研究发现该河段K与河段净冲刷强度不成正相关,而是与河道宽深比成正相关,当床沙中值粒径小于0.5 mm时,K与床沙中值粒径成负相关。初步分析认为:三峡下游粗颗粒泥沙容易达到输送饱和状态,当水流挟沙力减小时出现落淤,使得宽浅河段局部出现较大淤积,净冲刷强度较小,调整幅度较大;当床沙中值粒径小于0.5 mm时,该河段河床冲刷以悬移质输沙为主,河床组成越细,被冲刷的量越大,河床调整幅度也就越大。结合建库前后不同粒径组悬移质输沙量的沿程变化,对水库下游河床粗化方式进行了讨论。

近年黄河下游输沙功能的时空变化及其影响因素分析

黄河下游河道输沙功能受自然和人为因素的扰动,对黄河的入海泥沙通量产生深远影响。为探明近年来黄河下游河道输沙功能的演变及其主导因素,基于黄河下游河段各站点2007—2020年实测径流与泥沙资料,计算历年黄河下游河道输沙功能,并结合流域降水、水土保持和引水引沙的变化情况讨论了各因素对输沙功能演变的影响。结果表明:黄河下游河道输沙功能指标在2007—2020年显著下降了约57%,其中花园口—高村段输沙功能指标和其降幅均高于高村—艾山段和艾山—利津段;黄河下游河道输沙功能演变的主导因素是河床粗化、水土流失综合治理面积增加和引水量增大,三者的相对贡献率分别达37.6%,21.6%,17.5%。河床粗化与引水量增大使输沙功能减弱,与水土流失综合治理对输沙功能的增强作用相反,三者综合作用下黄河下游河道输沙功能近年来呈退化趋势。

三峡水库下游河床冲刷趋势探讨

根据泥沙数学模型的计算分析，对三峡水库修建后坝下游河床冲刷发展规律进行探讨，并论述了因河床冲刷引起的河床变化、沿程含沙量恢复以及下游各站水位下降等变化趋势。

小浪底水库运用对黄河下游河道水流阻力的影响

小浪底水库运用后,黄河下游河床冲刷粗化严重、水流阻力变化十分明显。为定量描述小浪底水库运用对水流阻力的影响,基于黄河下游水文站流速、河宽、床沙粒径、曼宁系数等实测数据分析,结合床面形态控制数理论及实测床面形态资料,建立了包含床面形态因子的动床阻力计算公式,计算精度得到了黄河下游水文站1508组实测数据的验证。分析计算表明:黄河下游床沙粒径上段粗、下段细的特征更加突出,高村以上游荡型河段沙垄发育、动床阻力增加明显;高村以下河段,河床冲刷粗化程度明显减少,动床阻力变化相对较小,但河槽断面趋于窄深,洪水期岸壁阻力增大明显。小浪底水库运用促进了黄河下游床面形态的发育,增大了各河段的水流阻力。

蓄水两坝间长系列水动力及泥沙淤积的研究

对黄河上游龙羊峡至李家峡间的贵德-李家峡河段的蜿蜒河道进行了研究,为蓄水两坝间的通航和河床稳定性问题提供可行性分析依据.根据二维水流连续、运动方程、悬沙扩散方程和两相流底沙运动方程,采用加权集中质量剖分方法,建立了蓄水两坝间水动力、泥沙淤积数学模型.提出了泥沙交换和河床粗化计算模拟的物理图案,对长系列水动力和泥沙运动进行了模化处理.通过调试,验证了水尺水位和李家峡建坝前该河段4年的地形演变量.应用李家峡建坝后典型水文年长系列的组合资料,预报了河床经长期冲淤调整后达到基本平衡需要的时间.介绍了泥沙交换和河床粗化计算模拟的物理图案和长系列河床演变数学模型的研究方法.