湿陷性黄土地区明渠陡槽加墩消能工优化试验

明渠陡槽加墩是一种高效消能工布置方式,在特定条件下具有很高的技术竞争优势,但目前国内相关研究甚少。针对甘肃庆阳小崆峒沟雨水下塬排放工程的明渠陡槽加墩段进行了1∶30大比尺水工模型试验研究,试验发现初步方案沿程水流流态不稳定,存在向外泼溅溢出现象,危及黄土边坡的结构稳定。为此对初步方案进行了优化研究,试验发现,通过缩短消能墩排距,可以显著减小水面波动,使沿程水深分布均匀,流速降低,沿程不再出现水流向外泼溅溢出现象。消能墩排距由H/i缩短至0.5H/i后,在最大设计流量工况下,水面波动减小72.5%,平均流速降低40.1%,总消能率由87.9%提高至94.6%。

湿陷性黄土地基渠道抗冻胀衬砌结构优化模拟

由于西北地区衬砌渠道在冬季受冻胀土体挤压破坏发生渠道渗漏,加之湿陷性黄土遇水易下沉导致以湿陷性黄土为地基的衬砌渠道冻害情况复杂。针对这一问题,研究以宁夏固海灌区改造前后的东一支干渠为原型,通过分析渠道改造前后受冻胀破坏的劣化规律以及混凝土材料塑性损伤本构,建立了简化的渠道三相耦合数学模型。考虑湿陷性黄土力学特性和渠基土与衬砌板之间的接触行为,基于实测数据采用ABAQUS软件构建改造前后衬砌渠道热-力耦合数值模型,分别进行模拟并对比分析其冻胀的具体情况和变形规律。通过对比两个耦合模型模拟的3个物理场,结果表明:改造后的刚柔衬砌渠道冻害情况得到了大幅度的改善,在一定程度上避免了出现应力集中的情况;将改造前的现场数据与研究结果相比较,验证了数值耦合模型的准确性和可行性,模拟得出的热-力-位移3个物理场能够较好地反映实际衬砌渠道的冻胀机理,为灌区渠道冻胀破坏治理与改造设计提供参考。

新疆伊犁湿陷性黄土输水渠道湿陷变形特性及影响因素分析

为探究新疆黄土地区输水渠道建设中的土体湿陷性问题,以新疆伊犁某输水工程所处黄土地区为研究对象,采取室内试验的方法,对渠道横向和纵向的土样进行物理性质试验,分析伊犁黄土的湿陷性特征、变化规律及湿陷性影响因素。研究结果表明:黄土湿陷性沿输水渠道横断面呈现出左侧渠堤湿陷性较右侧强的特点,左侧渠堤在地表以下约13 m处仍具有轻微湿陷性;渠道纵向黄土湿陷性特点主要表现为以桩号里程75 km为界,分界线以东区域黄土湿陷性较强,分界线以西区域黄土湿陷性较弱;孔隙比与湿陷系数呈正相关,含水率和液、塑性指数与湿陷系数呈负相关,黄土的含水率、孔隙比以及液、塑性指数等物理性质指标均会对其湿陷性产生影响。研究成果可为湿陷性黄土地区渠道等输水工程的建设提供参考。

伊犁黄土强烈自重湿陷性的影响因素分析

新疆伊犁河谷的黄土,在沉积过程中受大西洋西风环流控制,不同于受东亚季风控制的黄土高原黄土,需要专门研究。对伊犁一大型渠道工程湿陷性黄土渠基的现场大型浸水试验证明,伊犁黄土湿陷性强烈,现场实测自重湿陷量达到352 cm,最大湿陷系数达到0.18(p=200 k Pa),且湿陷具有沉降发展早、速度快和量值大的特点。为了弄清引起伊犁黄土强烈湿陷的原因,开展了伊犁黄土沉积历史调查,及大量的黄土物理、矿物组成和显微结构试验工作,研究表明:伊犁黄土形成年代较晚,沉积过程中气候更为干冷,也基本未经受湿热气候的影响,盐分特别是碳酸钙受雨水淋滤的作用小,是典型的风积黄土样本;伊犁黄土具有天然密度、含水率和饱和度较小,易溶盐含量较高的特点,且其颗粒之间以点接触、架空结构和少胶结形式为主,结构极不稳定,这些因素是造成其强烈湿陷的历史原因和内在原因。

泥流型黄土滑坡的特征与成因

黄土地区一些小型沟谷的沟脑和沟岸常发生黄土滑坡,并沿沟远程滑动数百米至千余米,有时大量滑体滑出沟口形成大面积的扇状堆积体,造成严重的灾害损失.虽然此类滑坡的平面形态与粘性泥流类似,但其发生除由暴雨直接引发外,也可能由滞后降水、地震、冻融、灌溉等引发.泥流型黄土滑坡沿沟道的运动具有明显的相对固定的滑动面和滑动带,与一般的粘性泥流差异较大,更具滑坡的特征,属于一种特殊的黄土滑坡.暴雨引发的泥流型黄土滑坡的前缘部分滑体可转化为泥流,形成滑坡-泥流灾害链.通过对近年来发生的典型泥流型黄土滑坡实例分析,论述了该类滑坡的特征、成因和灾害属性,为此类滑坡的研究与防治提供一定的参考.

黄土高原分形沟网研究

推测认为黄土高源沟网具有分形性。根据Hoton定律推导沟网分维计算式 ,确定沟网分形结构 ,分形理论求算得小流域沟网的分维D =1.9接近于平面空间时的D =2理论值。统计分析发现流域边界周长、长轴、短轴、长短轴比、汇合角等地貌指标随流域面积的变化。

黄土丘陵沟壑区沟谷网络自动制图技术研究

黄土丘陵沟壑区沟谷网络自动制图技术的核心是沟谷网络的自动提取技术。本文基于沟谷网络和汇流网络的差别，提出了形态学方法和水文学方法相结合自动提取沟谷网络的新技术，设计了完整的基于栅格数字高程数据的提取算法，并给出了典型黄土沟壑丘陵区山西离石王家沟小流域的运行结果。提取得到的沟谷网络与实际情况相符。

节理控制的降雨入渗通道对黄土开挖边坡稳定性的影响

黄土节理控制着黄土开挖边坡地表径流的主要入渗通道,在降雨作用下黄土节理将逐步发育成大的入渗通道,加剧了黄土开挖边坡的破坏。通过野外现场地质调查,统计黄土开挖边坡的节理裂隙、入渗贯穿通道分布状况,得出不同开挖边坡高度的入渗通道间距与开挖边坡高度高斯拟合关系式;根据入渗通道分布关系式,概化建立降雨入渗通道的演化数值分析模型,利用岩土工程软件Flac3D模拟分析山西忻州河曲运煤大道黄土开挖边坡在降雨状况下入渗通道发育过程,分析了40 mm/d、80 mm/d、120 mm/d三种降雨工况下降雨24 h的入渗通道演化过程及开挖边坡破坏程度,以及降雨对黄土开挖边坡的影响;指出在降雨作用下入渗通道在坡高60 m左右破坏严重,坡高高于此高度应注意入渗通道的剧烈扩展并加以防治。借用野外统计、调查结果概化建立入渗通道扩展演化数值模型,可以为工程地质条件相同黄土开挖边坡地区降雨作用下稳定破坏分析以及防治提供一种有效分析方法。

论黄河河道平衡输沙量临界阈值与黄土高原水土流失治理度

本文采用实测资料分析与理论分析相结合的方法,系统研究了黄河干流河道平衡输沙量临界阈值及其与黄土高原水土流失治理程度的关系,结果表明,黄河河道冲淤平衡输沙量临界阈值是随着不同时段来水来沙条件的变化而变化的。今后一个时期内,黄河上游宁蒙河段平衡输沙量临界阈值为0.4亿t/a左右;黄河中下游河道及河口平衡输沙量临界阈值为3亿t/a左右。通过水沙调控和河道整治等综合措施,未来将黄河上游宁蒙河段年输沙量控制在0.4亿t/a左右,可塑造与维持平滩流量约2000 m^3/s左右的输水输沙通道,宁蒙河段基本实现河道冲淤平衡;将黄河中下游河道及河口年输沙量控制在3亿t/a左右,则潼关高程可基本实现升降平衡,稳定在328 m左右,下游河道可塑造与维持平滩流量4000 m^3/s左右的中水河槽,基本实现河道冲淤平衡;河口基本实现海岸淤蚀平衡,保持流路相对稳定。黄土高原水土流失治理也存在达到一定程度后治理效果不显著的临界状态,表明黄土高原水土流失治理存在治理度,针对黄土高原水土流失治理各种措施减沙的临界阈值,本文提出未来通过科学调整黄土高原水土流失治理格局,将入黄年沙量控制在3亿t/a左右,达到黄土高原水土流失治理程度与黄河干流河道输沙的平衡,为未来黄土高原水土流失确定了治理目标。

黄土地区引调水线路主要工程地质问题及对策

在广泛收集资料及实地调查的基础上,对黄土地区引调水线路工程地质勘察成功经验和失败教训进行总结,详细论述黄土渠道、隧洞、边坡和其他渠系建筑物渠道渗漏、湿陷变形、渠基稳定和黄土高边坡稳定等主要工程地质问题,并对黄土湿陷性处理、边坡防护措施及渠基处理措施进行了探讨。对重新认识黄土地区引调水线路工程地质勘察的主要工程地质问题,指导黄土地区引调水线路工程勘察,统一类似工程勘察工作深度和内容,提高勘察质量及行业规范编制具一定的参考价值。

黄土高原沟壑区沟道提取时阈值范围的研究

沟道是水文信息的基础要素,准确地提取流域中沟道信息,是水文模型的构建、流域的划分等的必要条件。目前提取沟道通常采用河网识别法,但在阈值的选择上,往往是根据不同的流域而确定,阈值的适用范围仅限于本流域。通过对黄土高原沟壑区的不同流域为例,分别选用不同分辨率的DEM,按不同阈值进行沟道提取,讨论了DEM的分辨率对沟道提取的影响,得到适用于黄土高原沟壑区提取沟道的合理阈值范围,最后根据实际沟壑密度对得到的阈值范围进行验证。研究结果表明,黄土高原沟壑区,不同流域提取的沟道,其沟壑密度具有一定的相似性。

黄土丘陵沟壑区沟道的水沙运动模拟

黄土高原支离破碎,沟壑纵横,是黄河流域的主要泥沙源区。为模拟与预测全流域的水沙运动过程,需要建立流域水沙运动模拟模型。为使模型的建立符合实际的物理图景,将流域分为坡面与沟道两大系统,在坡面上建立产流与侵蚀产沙模型,在沟道系统内建立水沙运动模型。根据沟道无实测断面资料的实际情况,本文改进了以扩散波方法为基础的水流演进模型,并在此基础上应用不平衡输沙理论计算泥沙输移,提供了黄土丘陵沟壑区沟道系统水沙运动模拟的一种模式。对于沟道水流挟沙力的计算,验证对比了常用于黄河干流的张红武公式和专为泥沙源区建立的费祥俊公式。最后,作为例子给出了方法在小流域中的应用。

中国黄土分布区多沙曲流发育规律

依据中国黄土分布区多沙曲流的水沙资料、河床平面形态和河床大断面测量资料分析认为 :多沙河流来水变率影响河床断面形态和曲流发育 ;由于窄深的河槽是高含沙水流输沙的必要条件和结果 ,因此随着含沙量的增加 ,多沙河流河床断面形态首先出现变窄深的趋势 ,随着含沙量的进一步增加 ,水流造床能力增大 ,河槽会向宽浅方向调整 ;一定的河床冲淤强度有利于曲流的发育 ,随着含沙量的增加 ,多沙河流河床曲率存在先增加后减小的规律。

分步型流域“降雨-流出”过程数值模拟方法的研究

流域地表流出的计算是水文学的一个重要研究课题。本研究以黄土高原北部的六道沟流域为流域模型,在确定试验流域地形和土壤物理性质的基础上,利用运动波理论和拟河道网开发分布型流域的"降雨-径流"过程的数值计算方法,对观测流量数值模拟结果的分析表明,该计算方法适用于北部黄土高原的实际,研究结论为该区域的地表水资源的推求提供了一种有效的数值计算方法。

特大型深挖方高地下水黄土渠道施工降水关键技术

南水北调中线工程为大型渠道工程，据统计渠首至石家庄段高地下水位重点渠段涉及15个设计单元、25个施工标段，总长117km。穿黄工程南岸连接明渠为其中一段，具有地下水位高、降水深度大、地层渗透系数低、降水规模大的特点。为保证实现旱地作业、保证黄土高边坡稳定，须将地下水位降低至渠道底板建基面以下1．5m。如何降水并节约成本是本文研究的目的，施工中采用管井降水，采用合理的水文地质和降水井布置参数，优化井结构，利用先进成井技术；确定水跃值，科学管理降水运行，实现降水工程量最低，达到技术性与经济性的最优组合。采用自动控制系统，减少运行人员、节约成本。分段施工完成后及时停运降水井，利用永久渗控排水系统排水。深挖方高地下水黄土渠道施工降水关键技术，既保证了深挖方渠道施工进度、边坡安全，又节约了成本，具有一定代表性。

降雨入渗通道对黄土开挖边坡影响

针对在降雨作用下黄土节理将逐步发育成大的入渗通道,加剧黄土开挖边坡的破坏的问题.通过野外现场地质调查,统计黄土开挖边坡中的黄土节理裂隙、入渗贯穿通道分布状况,得出不同开挖边坡高度的入渗通道间距与开挖边坡高度高斯拟合关系式;根据入渗通道分布关系式,概化建立降雨入渗通道的演化数值分析模型,并分析了40 mm/d、80 mm/d、120 mm/d 3种降雨工况下降雨24 h的入渗通道演化过程及开挖边坡破坏程度.研究结果表明:在降雨作用下入渗通道在坡高60 m左右破坏严重,坡高高于此高度应注意入渗通道的剧烈扩展并加以防治.

黄土高原丘陵沟壑区坡面-沟道系统中的高含沙水流(Ⅱ)——泥沙存储-释放及降雨、径流特征的影响

以黄河中游多沙粗沙区子洲径流站和离石王家沟试验站的径流场观测资料为基础,对黄土高原丘陵沟壑区坡沟系统中高含沙水流特征进行了研究。研究表明,在坡面-沟道系统中,存在着泥沙的存贮-释放机制,这一机制与非高含沙水流和高含沙水流不同的输沙行为有关。当水流为非高含沙水流时,来自坡面和悬移质泥沙中的粗粒部分可在沟道中发生沉积;当为高含沙水流时,前期沉积的粗粒泥沙将因沟道高含沙水流强烈的侵蚀搬运作用而发生释放。降雨对坡沟系统高含沙水流的形成关系密切。在冲沟次降雨最大含沙量与雨强的关系中,表现出两个临界值。超过第一个临界值以后,含沙量急剧增大;超过第二个临界值之后,则出现极限含沙量,即含沙量不再随雨强的增大而增大。

黄土高原丘陵沟壑区坡面-沟道系统中的高含沙水流(Ⅰ)——地貌因素与重力侵蚀的影响

以黄河中游多沙粗沙区子洲径流站和离石王家沟试验站的径流场观测资料为基础,对黄土高原丘陵沟壑区坡沟系统中高含沙水流特征与地貌因素及重力侵蚀的关系进行了研究。研究结果表明,黄土坡面的地貌垂直结构和由此所决定的侵蚀作用垂直分异,对坡面高含沙水流的形成有很大的影响,高含沙水流形成于峁坡下部和沟坡,并在各级沟道中进一步发展。坡度对高含沙水流的形成有较大影响,如果侵蚀过程以溅蚀、面蚀、细沟侵蚀为主,不发生切沟及显著的重力侵蚀,则存在着一个坡度临界值,大于此值后,含沙量反而减小。重力侵蚀对坡沟系统高含沙水流的形成起着十分重要的作用,由于强烈的重力侵蚀的参与,高含沙水流的沙峰滞后于洪峰,落水阶段的含沙量常常大于同流量下涨水阶段的含沙量。

建设“模型黄河”工程

物理模型黄河”(简称“模型黄河”)可对“原型黄河”所反映的自然现象进行反演、模拟和试验 ,从而揭示其内在的自然规律。一方面直接为“原型黄河”提供治理开发方案 ,另一方面为“数字黄河”工程建设提供物理参数。同时 ,“模型黄河”还应成为“数字黄河”运行结果中试环节。“模型黄河”工程体系包括黄土高原模型、水库模型、河道模型及河口模型。要保证“模型黄河”工程的建设及正常运行 ,必须做好工程的总体设计、建立稳定的投资渠道、树立科学的决策意识。

高含沙型曲流河床形成机理的初步研究

本文描述了在我国黄土高原宽谷中发现的含沙量超过100kg/m^2的曲流河床,并运用高含沙水流的作用对其成因进行了探讨。指出当水流进入高含沙范围时,水流能耗率大幅度降低,挟沙能力大大增加,这是促使河床向弯曲发展的主要原因。由于高含沙水流的稳定输送有赖于边界条件,故边界条件在这种曲流河床的形成中起了重要的作用。文中并讨论了这一地区游荡河型与弯曲河型的判别条件。