非均匀粉砂起动及输移特性研究

摘要

三峡成库以后，库区泥沙淤积一直是受重点关注的问题。据水文观测资料统计分析，三峡常年库区河段，淤积泥沙的中值粒径基本都在0.05mm以下。对这此类泥沙研究较多的主要集中在河口、海岸，而在天然河流中一般当作冲泻质，研究较少。此类粉砂在典型淤积区内大量的淤积表明，将其作为冲泻质是不可取的，其起动以及输移特性与传统泥沙有很大的不同。这种带有粘性的粉砂问题在水利工程中实际上是较为普遍的，它在水流作用下的临界起动及输移对港口、航道的设计、维护、回淤量、再悬浮量的估计以及水库、湖泊与某些河流淤积物的冲刷等，都具有重要的意义。
　　 起动与输移是研究泥沙运动规律的基本问题，本论文通过对长江三峡库区淤积物天然沙进行现场测量和水槽试验研究，并结合资料分析了长江典型淤积河段泥沙的起动及输移特性，以期为三峡库区泥沙起动规律的研究和航道的整治工作提供支撑。本文具体工作如下:
　　 ①收集了国内外有关河口海岸和水库淤泥等有关泥沙起动的比较有代表性的研究成果，并对其存在的问题进行归纳和总结。
　　 ②利用声学多普勒流速仪、水下摄像观测系统等组装的原型观测系统，对忠县黄花城河段和奉节河段进行现场测量，研究床面泥沙在不同水深、不同干容重、不同粒径等条件下的临界起动条件，为非均匀粉砂起动特性分析提供大水深验证实测资料。
　　 ③基于非均匀粉砂的起动试验和现场测量，并结合国内外学者有关起动典型成果的分析，建立粘性细颗粒非均匀沙的起动公式，并用现场实测资料和他人成果进行对比验证。
　　 ④对现场测量采集的声波信号AMP采用小波分析进行去噪处理，得到去噪后的有效AMP数据，通过现场悬移质取样结果标定声波强度BSI与含沙量关系;分析了悬移质含沙量沿水深分布，并与Rouse公式进行了对比;通过瞬时含沙量的变化，提出了涡运动与含沙量的紊动触发图景。
　　 ⑤对本文的研究成果进行了系统的归纳和总结，并指出了本文起动和输移特性研究中的优点和不足，并对可以开展的进一步研究做了讨论和展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 泥沙起动研究现状

1．2．1 粗颗粒泥沙起动研究现状

1．2．2 粘性细颗粒泥沙起动研究现状

1．3 起动判别标准研究现状

1．3．1 定性起动标准

1．3．2 起动概率标准

1．3．3 输沙率标准

1．3．4 泥沙起动颗粒数标准

1．3．5 粘性细颗粒泥沙起动判别标准

1．4 悬移质泥沙输移研究现状

1．4．1 含沙量沿垂线分布的扩散理论

1．4．2 含沙量沿垂线分布的重力理论

1．5 本文主要研究内容及技术路线

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 技术路线

第二章 现场测量

2．1 现场测量仪器设备及主要用途

2．1．1 测量船

2．1．2 声学多普勒流速仪(ADV)

2．1．3 水下摄像观测系统

2．1．4 含沙量取样器

2．1．6 声学多普勒流速剖面仪(ADCP)

2．2 室内分析仪器设备

2．2．1 激光衍射式粒度分布测定装置(SALD．3101)

2．2．2 全自动分析天平

2．2．3 过滤及烘干设备

2．2．4 现场测量试验仪器组合

2．3 现场测量主要内容

2．3．1 测量断面布置

2．3．2 测量主要内容

2．3．3 测量位置水位概况

2．4 现场测量临界起动结果

2．4．1 现场测量起动现象描述

2．4．2 现场测量起动数据整理

2．5 现场测量起动数据分析

2．6 本章小结

第三章 非均匀粉砂水槽起动试验

3．2 试验设备

3．2．1 水槽介绍

3．2．2 流量测量

3．2．3 水位测量

3．3 试验沙的选取

3．4 试验设计

3．4．1 模型布置

3．4．2 试验组合

3．5 泥沙起动判别标准的选取

3．6 水槽试验结果

3．6．1 奉节河段沙样水槽试验数据整理

3．6．2 黄花城河段沙样水槽试验数据整理

3．7 水槽试验结果与其它成果对比

3．8 水槽试验结果对比分析

3．9 本章小结

第四章 非均匀粉砂起动特性分析

4．1 资料收集

4．1．1 资料收集与汇总

4．1．2 资料分析

4．2 起动流速公式的建立

4．2．1 水压力产生的粘结力

4．2．2 考虑范德沃尔斯力的起动流速公式推导

4．2．3 泥沙颗粒间的粘结力表达式

4．2．4 泥沙起动流速表达式

4．2．5 起动流速公式拟合

4．3 公式验证

4．3．1 天然沙资料验证

4．3．2 轻质沙资料验证

4．3．3 验证结果相对较差资料

4．4 本章小结

第五章 现场测量悬移质输移特性分析

5．1 ADV信号小波分析去噪处理

5．1．1 小波基的选取

5．1．2 小波去噪方法

5．1．3 小波分解和重构Mallat算法

5．1．4 小波去噪性能判别标准

5．1．5 信号小波分析处理及分析

5．2 含沙量与声波强度的关系

5．2．1 声波强度的敏感性和衰减

5．2．2 声波强度与含沙量关系实验室标定

5．2．3 声波强度与含沙量关系现场测量标定

5．2．4 瞬时含沙量确定

5．3 含沙量沿垂线分布分析

5．4 涡与含沙量的关系分析

5．5 淤泥质沙样静水沉降试验

5．5．1 试验沙样

5．5．2 沉降试验设备及组合

5．5．3 沉降试验结果

5．6 本章小结

第六章 主要结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在校期间发表的论著及参与的科研项目