Improvement and Application of Grain Size Distribution Characteristics Calculation of Bed Material

Grain size distribution of bed material is an important characteristic for studying evolution of natural river channel by means of experimental ways and numerical modeling of flow and sediment process.In this study,the fractal characteristic of sediment particle has been defined by means of fractal theory based on ana- lyzing the property of grain size distribution of bed material in the river channel.Furthennore,the fractal prop- erty of sediment particle has been applied to judge the process of armorin...

东营凹陷缓坡带陆相红层砂岩粒度特征及沉积环境意义

东营凹陷古近系红层已被证实拥有巨大的勘探潜力。断陷盆地缓坡带广泛分布以砂、泥岩频繁互层为特征的红层沉积,而这种沉积物究竟形成于何种环境尚未形成统一认识。为明确这种干旱气候背景下发育的大规模陆相红层的沉积类型,以东营凹陷南部缓坡带王家岗地区W1、W2和W3井为例,系统解剖了孔一段-沙四下亚段红层储层的粒度分布特征、粒度参数特征及粒度概率累计曲线特征。结果显示:研究区红层储层砂岩具有单砂体厚度较薄(1~7.7 m)、粒度较细(平均粒径为2.24?~4.73?)的特点;粒度频率曲线主要为单峰正偏态型,表明沉积物以粗组分为主;粒度参数判别函数和判别图解均指示河流沉积环境;大多数样品的累计概率曲线具有显著的过渡组分(>50%),C-M图形与C=M线平行,表现出密度流特征。测井曲线主要为中-高幅箱型和钟型,指示加积和侧积作用占主导地位;岩心上常见反映快速堆积的块状层理、代表单向水流的平行层理和反映弱水流的小型交错层理等构造。基于研究区盆山相间的古地貌格局和炎热干旱的古气候背景的综合分析表明,红层砂岩形成于分支河流体系,其沉积特征表现为:从上游至下游,随着水动力条件的衰减,河道分汊加强,洪水侵蚀能力减弱,单砂体厚度和沉积物粒度逐渐减小,流体性质由密度流逐渐演变为牵引流。该研究的新认识为研究区红层油气勘探提供了新的思路,在开展此类型储层预测工作时,应重视古物源、古流向的分析,并加强对单期水道的识别和刻画。

河床表层冻融作用下推移质输移特征研究

高纬度河流系统常会经历季节性冻结与融化。为揭示冻融作用对床面推移质运动的影响,本研究以未经历冻融过程的常规室温(20℃)推移质输沙实验结果为基准,保证实验条件不变,开展了均匀沙与非均匀沙床表层冻融后的室温(20℃)推移质输沙实验,综合比较了冻融作用影响下推移质输沙率与级配组成特征。结果表明,河床表层冻融后的推移质输沙率均高于无冻融作用的推移质输沙率,据此提出了有冻融影响与无冻融影响下的推移质输沙率比值ζ。研究显示,冻融作用下的推移质输沙率呈有规律变化:剪切力较小时ζ较大,剪切力较大时ζ减小并逐渐趋于1.0;非均匀沙中,随着泥沙粒径增大,各粒径组的ζ逐渐减小;低流量驱动时,冻融作用对非均匀输沙级配组成的影响显著,并随着流量增大而逐渐减弱。本研究剖析了冻融作用对推移质输沙率与级配组成的影响,有助于认识冰冻区河流的河床稳定性与河床演变情势。

基于起动概率的清水冲刷双峰型泥沙粗化层级配计算

基于双峰型级配泥沙的非均匀性,引入由双峰系数、相对粒径组成的双峰型泥沙隐暴系数修正均匀沙上举力系数与拖曳力系数,采用均匀沙相对暴露度分布得到力臂期望值,结合近底水流的随机性,建立双峰型泥沙起滚概率计算公式。基于床面泥沙起悬与起滚两种起动方式,建立清水冲刷双峰型泥沙粗化层级配预报多步计算模式,并进行参数敏感性分析。经试验资料验证,公式预报精度良好。

侵蚀基准面下降对弯道河床演变的影响

概化设计了一在出口处布设有高度可变的拦沙坎的弯曲河道模型,利用声学多普勒流速仪和数字波高仪测得13个特征断面的瞬时流速与瞬时水位数据,依托激光扫描技术获得试验床面的精确数字高程,以此来探讨侵蚀基准面下降对弯道河床演变的影响。结果发现:粗化层对河床有一定的保护作用,当侵蚀基准面小幅下降而导致流速小幅增大时,粗化层的保护作用可一定程度地抵减流速的增量,减弱甚至避免水流对河床的冲蚀;当侵蚀基准面下降幅度较大时,河床会被全局冲蚀,但各局部的被冲蚀程度并不相同,其中过渡段主流带的被冲蚀程度较小,弯段凹侧主流顶冲区的被冲蚀程度较大;越靠近侵蚀基准面的区域,侵蚀基准面的下降越易增强该区域的水流强度,越易使该区域的河床被冲蚀;在侵蚀基准面下降幅度较小且槽底未见裸露的情况下,连续弯道完整周期的床面高程频率分布总体上接近于正态分布,但若从细节上看其分布具有双峰特征;双峰特征为半周期床面高程频率分布所特有,完整周期床面高程频率分布的双峰特征只是半周期床面高程频率分布双峰特征叠加的结果;当侵蚀基准面下降至槽底时,主流顶冲区的槽底会严重裸露,连续弯道完整周期的床面高程频率分布仍具有双峰特征,但其总体形态已明显偏离正态分布。

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 。

粗化层试验与预报

从试验和理论角度对床面冲刷形成粗化层问题作了研究。基于冲刷粗化试验资料并结合非均匀沙分级起动公式确定了粗化层形成和完全破坏的临界水力条件。文中建立了以非均匀沙分级起动概率为核心可同时预报粗化层级配和冲刷深度的冲刷粗化多步随机模式 ,预报结果与粗化试验资料颇为一致。

汶川地震液化土层类型验证及土性分析

2008年5月12日汶川特大地震中,除在山区引发了大量山体滑坡、崩塌和泥石流外,在成都平原等地液化现象也十分普遍。液化主要分布在含砂、砾石和卵石等的第四系地层。依据地层分布特征和地震烈度,选择6个典型液化点(带)进行现场勘测和试验,以验证液化土层类型、了解液化土层的土性特征,并检验《建筑抗震设计规范》中液化判别方法的适应性。结果表明:(1)典型液化点土类包含砂、砾石和卵石等,6个验证点中有2个为砂层液化(其中1个为砾砂)、3个为砾石层液化和1个为卵石层液化;(2)与非液化地层相比,液化地层结构松散,均匀性差,颗粒大小分布曲线较平缓,不均匀系数较大,其中液化砂土级配良好,砾石和卵石级配不良;(3)依据《建筑抗震设计规范》液化判别方法,将验证点1中砂液化判为非液化,其余5个验证点由于含较多粗颗粒,因无法进行标准贯入试验而无法进行液化判别。

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。

长江中游卵石夹沙河段二维水沙数学模型

针对长江中游宜昌至枝城河段卵石夹沙河床级配分布宽等特点,建立了非均匀悬沙、底沙二维数学模型,尤其是考虑了底沙的不平衡输移及冲淤过程中床沙的级配调整问题,对计算中的关键问题提出了处理方法,利用水文、泥沙及河床变形资料对模型进行了水面线、流速分布及冲淤过程的详细验证,尤其是进行了葛洲坝水利枢纽运用后、1998年洪水前后及三峡工程运用后的验证。在此基础上,根据设计单位一维数模提供的水沙边界条件,预测了三峡工程蓄水初期该河段的冲刷量、分布及床沙粗化过程。

上海洋山港水域沉积特征研究

通过对港区及外航道底质柱状样品的采集及颗粒分析,论述了港区及外航道的底质分布特点及 变化趋势,并对底质粗化原因做出了分析。

西安城郊表层黄土的粒度组成及其形态特征

目的 对西安地区表层黄土的粒度组成与形态特征进行分析,研究其与沙尘暴发生时沙尘颗粒的来源、起动机理与迁徙过程之间的关系。方法 采用筛分析法和密度计法,对西安城郊表层黄土土样进行了粒度组成分析,同时利用扫描电镜对颗粒的赋存形态加以考察。结果 西安城郊表层黄土属级配良好土,土壤颗粒组成主要以细沙和粗粉沙为主,沙粒尤其是粗沙粒的含量较表层以下的正常黄土偏大;土壤粒度分布曲线具有典型黄土粒度分布的双峰式特征。结论 西安地区发生的沙尘天气,与地表黄土组成有着密切的关系。

不同粒径特征的砾石层井壁围岩破坏机制

塔里木油田大北区块新近系库车组是一套长段砾石地层,在钻井过程中多发生井壁坍塌、掉块等钻井复杂问题。而砾石地层具有的弱胶结和不连续的特点,使得基于连续介质力学的分析方法不能很好解释井周砾石剥落和掉块的机理。为此,首先对该区砾石层露头进行粒度分析、微观电镜扫描、室内三轴实验,获得了砾石层物理力学特性;进而采用非连续特性的离散元数值模拟方法,深入地分析了该套地层中砾石以及粒径分布对围岩破坏和井周裂缝扩展特征。研究结果表明:①砾岩破坏方式为劈裂,破裂面沿着砾石颗粒的胶结面扩展,形成一条呈锯齿状的破坏面;②井周的大颗粒砾石降低了井壁围岩的抗压强度,在井眼液压作用下,砾石层井壁产生掉块,形成以最小水平主应力方向为长轴的不规整崩落椭圆;③井壁在非均匀构造应力作用下,发育小粒径砾石地层裂缝沿着最小主应力方向扩展,砾石的分布对裂缝扩展的影响较小,而发育大粒径砾石地层中,裂缝在砾石大颗粒周围产生,优先向附近砾石集中区域扩展,改变初始裂缝传播路径,扩展速度更快,延伸距离更远,逐渐形成更大范围的破坏区域,导致井壁失稳。

推移质泥沙级配确定方法的试验检验

利用正态动床模型中推移质级配随水流强度变化的观测资料,分别从模型角度和原型角度对概率统计法、最大粒径法和平均粒径类比法等确定河床推移质级配的方法进行了检验与比较。从模型角度比较结果表明在较小和较大流量下采用概率统计法计算的级配相对实测值分别偏粗和偏细,另两种方法在各种流量条件下的计算结果与实测数据均较为吻合。从原型角度比较结果表明概率统计法在小流量和大流量下较实测值分别偏粗和偏细,与从模型角度比较类似,最大粒径法在大流量下较实测值偏细,平均粒径类比法计算结果在各级流量下与实测值均较为接近。

黄河三角洲河道沉积规律研究Ⅱ.建林边滩沉积作用机理

通过对建林边滩沉积物粒度分布、粒度参数及水体流变性质的分析 ,阐述了黄河三角洲上河道水流属于牵引流范畴 ,与低含沙水流无本质上的差别 。

挖槽回淤物粒度变化对航道回淤的影响

根据吕四海域地形、水文、泥沙和浅层柱状样观测资料的分析,研究航道浚深后回淤物的粒度变化过程及其对航道回淤的影响。研究表明,航道浚深后,航槽内底质呈明显粗化现象,底质中值粒径由浚前的0.045-0.071 mm增加至浚后的0.128-0.135 mm,0.005-0.062 mm的细颗粒组分由36.0%减小至8.9%,0.075-0.250 mm粗颗粒组分由37.9%增加至78.2%,疏浚船舶的水力分选是泥沙组分变化的主要因素。吕四海域航道泥沙回淤形式为悬沙沉降和底沙推移共同作用的结果,夏季7—8月试挖槽内回淤强度较大,回淤泥沙颗粒较细,冬季10—12月回淤强度较小,回淤泥沙颗粒较粗。根据粒度谱计算结果,正常天条件下悬沙沉降对航道回淤的贡献率约为15%,夏季贡献率高于冬季,大风天可增至30%-40%。回淤贡献率的计算方法可为类似工程的回淤研究提供借鉴和参考。

三趾马红粘土的粒度组成特征及其地质意义

黄河中游三趾马红粘土的粒度组成特征是以粉土（０．０５－０．００５ｍｍ）粒级为主，且粗粉土（０．０５—０．０１ｍｍ）粒级含量为所有粒级含量之冠，缺乏大于０．２５ｍｍ颗粒．主要粒级百分含量、粒度分布概率曲线显示出与黄土及现代风尘极为相似的面貌，表明三趾马红粘土为风力搬运的粉尘堆积．

刚性颗粒模型下粉体层最大应力理论分析

以朗夫力学分析为基础,将粉体视作为均匀球形颗粒的随机堆积体,按照公理化逻辑体系要求,对粉体受力后,粉体层内某个切面上的应力进行分析研究,以揭示粉体受力后特有的内在规律性,改善了半理论半经验的粉体应力分析的推理过程,为进一步揭示粉体的摩擦规律和抗拉强度提供了参考。

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。

A STUDY ON NONEQUILIBRIUM TRANSPORT OF NONUNIFORM BEDLOAD IN STEADY FLOW

In the case of steady flow, an equilibrium state for an alluvial reach referring to the input of sediment over a sufficiently long time (time interval in the order of months) is equal to the output of sediment. A nonequilibrium state exists under steady flow when the sediment transport rate changes with time and space, so that there is no balance between input and output of sediment. The experiments were performed in an open circuit tilting flume with the bed slope of 0. 001-0. 009, the flume length of 30m and flume width of 0. 5m. The boundary condition at upstream and in all experiments, the rate of sedimant supply was zero. The coal or sand was se- lected as the Wed material. The grain diameter of the bed material varied in the range of 0.05- 20. 00ram. The equation of nonequilibrium transport of nonuniform bedload is derived. The grain distribution of the size distribution of bedload is calculated by modified Gessler's formula. The grain size distribution of bed material is calculated by CARICHAR mixed layer model. These equations are applied to numerical simulation of armoring of riverbeds. The results of the bedload transport rate and the grain size distribution of the bedload at the end of the down- stream in the process of time, as well as the grain size distribution of the bed material in the pro- cess of time and distance are all in close agreement with the measurements.