冲积河流水流泥沙运动基本规律的研究

摘要

该文利用大量的实测输沙资料,对水流泥沙运动规律进行了系统的总结和研究,初步得到了一系列既有理论基础又有适用价值的理论和方法,其主要的研究内容及所得到的结论有以下几个方面:1.建立了泥沙运动数据库.该数据库包含9112组实验室水槽资料和6013组天然河道资料,与前人所编的泥沙运动数据库相比,资料的数目大大增加.2.探讨了与泥沙运动有关的五个基本问题.分别为:一是根据床沙质与冲泻质的定义,建立了床沙质与冲泻质临界粒径划分的新方法;二是在对泥沙起动条件讨论的基础上,建立了泥沙起动的无因次临界单位水流功率,进一步完善了泥沙起动的有关理论;三是对泥沙的运动状态划分的问题进行了讨论,利用大量的实测资料比较得到:不同泥沙运动状态下输沙强度与水流强度的关系并无明显不同,即不同泥沙运动状态下输沙规律是相同的;四是由理论上推导得到了挟沙水流流速分布变k模式与Coleman模式之间的关系,同时对挟沙水流流速分布的变k模式进行了进一步研究,认为k值在垂线上是变化的,从而将变k模式的使用范围扩大到近底层;五是在考虑泥沙颗粒碰撞扩散的基础上,推导了泥沙浓度沿垂线的分布规律.3.研究了泥沙输移强度的计算问题.泥沙输沙公式的精度关键取决于水流强度指标的选取,在对现有水流强度指标总结的基础上,得到了一个能概括现有切应力、平均流速、功率等指标的统一的水流强度指标形式,并对现有各种水流强度指标与输沙强度的关系进行了对比,在此基础上建立了一般形式的泥沙输移强度计算公式,该公式可概括现有的各种泥沙输移强度计算公式,同时利用大量的实测资料对此一般形式的泥沙输移强度计算公式进行了率定及验证.利用超过5000组资料,比较了包含该文公式在内的31种输沙强度计算公式在计算天然均匀沙时的精度,结果认为该文公式、Karim-Kennedy、Engelund-Hansen、Ackers-White、Brownlie、Peterson-Peterson、Basson、Yang、王士强等公式是几个值得推荐的输沙公式.4.研究了动床床面阻力问题.该文采用两种方法研究了动床阻力问题.一是从不同的床面阻力单元出发,利用泥沙起动与定床阻力之间的相似性研究了静平整床面的阻力,建立了静平整床面阻力与能坡之间的关系式,并将此式用于沙粒阻力的计算.从挟沙水流的平均能量方程出发,得到了推移质附加阻力的计算公式及悬移质附加阻力计算公式,并对挟沙水流的阻力进行了讨论.在引入沙波阻力的有关计算公式后,即可将以上几种阻力单元叠加计算河流总阻力.二是直接研究河床总阻力,类比Engelund的方法,建立了总水流功率与沙粒水流功率的关系.利用近10000组资料,比较了包含该文公式在内的23种动床阻力计算公式,在已知流量、能坡和泥沙粒径时预测水深的计算精度.结果表明,Peterson-Peterson、Wu-Wang、White et al.、该文模式Ⅱ、van Rijn、Engelund、Karim等,是几个值得推荐的公式.

目录

文摘

英文文摘

前言

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符号说明

第一章绪论

1.1问题的提出

1.2泥沙输沙强度研究综述

1.3动床阻力研究综述

1.4泥沙运动数据库的建立与选用

1.5本文的主要研究内容

第二章水流泥沙运动几个概念的探讨

2.1冲泻质与床沙质的区分

2.2泥沙的起动问题

2.3泥沙运动状态的划分问题

2.4挟沙水流的流速分布

2.5挟沙水流的泥沙浓度分布

2.6本章小结

第三章泥沙输沙强度研究

3.1统一的水流强度指标形式

3.2不同水流强度指标与泥沙输移强度关系的比较

3.3水流功率理论的进一步探讨

3.4统一形式的泥沙输移强度计算公式

3.5公式的率定与验证

3.6公式的分析与讨论

3.7全沙输沙公式的比较

3.8本章小节

第四章动床阻力研究

4.1沙粒阻力的研究

4.2仅含推移质泥沙时泥沙附加阻力的研究

4.3同时含推移质和悬移质泥沙时泥沙附加阻力的研究

4.4沙波阻力及总阻力的合成

4.5综合阻力的研究

4.6动床阻力公式的比较

4.7本章小结

第五章结论与展望

5.1本文主要结论

5.2泥沙运动研究展望

参考文献

致谢

附录

1.作者简介

2.作者在攻读博士学位期间的研究成果一览