弯道水流结构及其作用下的卵石运动研究

摘要

弯曲作为天然河流的一般形态，在冲积平原与陡峻的山区均随处可见。河湾一直处于动态发展的过程中，常伴随有河床冲刷、河岸迁移、河道整治等河流泥沙问题，因此对弯曲河流演变的预测研究一直吸引着大批学者。弯道内水流结构及床面结构受弯曲边界条件的影响表现出强三维性，这使得对水流及床面结构进行理论求解变得十分困难。然而，只有对其进行更精确的理论求解才能更深入的从本质上研究河流演变问题，进而为数学模型的进一步发展提供更完善的理论基础。但现有的相关研究成果中常忽略明渠水流特有的“速度下沉现象”对弯道水流结构的影响，对卵石在弯道水流作用下起动的研究也欠缺对泥沙随机排列产生的双向暴露度的考虑。基于以上背景，本文对考虑“速度下沉现象”的弯道明渠水流三维结构及弯道三维水流作用下卵石的起动输移等进行了深入研究： 水流是影响河流演变的根本因素，本文第二章对弯道明渠流进行了理论分析。在考虑明渠流“速度下沉现象”的前提下，提出了用于计算弯道明渠流的耦合计算模型，求得弯道明渠流的三维理论解。研究发现速度下沉现象同时存在于三维流场中，即不仅存在于主流中还存在于二次流中，并受断面宽深比影响，一定程度上影响着弯道水流结构，不能忽略。在此基础上，本文第三章又对 U型弯道内三维水流结构进行了物理模型试验，对其三维水流结构的沿程发展进行了补充分析研究。同时，该试验还考虑了临界弯曲比率（弯曲比率等于3时，为急弯和较缓弯道的分界值）对弯道水流结构产生的特殊影响：在临界弯曲比率的作用下，U型弯道内水面形态沿程呈现为扭曲的曲面；断面中逐渐产生并发展为“三环流结构”，三个环流间相互发展、相互制约，进而影响断面水流结构。 河流演变是水沙相互作用的结果，因此泥沙运动是影响演变过程的另一重要因素，泥沙运动起始于颗粒的起动，准确计算起动条件十分必要。泥沙颗粒在床面随机排列对起动的影响，可通过颗粒间的暴露度反映。本文第四章在精细模拟大颗粒泥沙间绕流作用的基础上，对泥沙颗粒随机排列所形成的双向暴露度进行了理论分析，并以力矩平衡作为起动的临界状态，建立大粒径泥沙（卵石）滚动起动模型。研究表明，双向暴露的存在使得颗粒周围产生涡流区，改变了单一方向的水流结构，使得泥沙颗粒所受水流作用力发生改变，进而影响泥沙的起动流速。 文章中第二章与第三章的研究均表明，弯道中水流具有独特的三维结构，在沿流向的主流基础上，在断面中还存在二次环流。因此处于弯道中的卵石，除受到纵向主流流速作用外，还应受到二次环流作用。本文第五章综合已推得的弯道三维水流结构与卵石起动流速表达式，得到了弯道水流作用下卵石起动流速的理论表达式。研究表明，横向流速与纵向流速共同作用于卵石颗粒上，形成流速夹角，该夹角使得泥沙颗粒所受水流作用力发生改变，在一定程度上影响着卵石的起动流速与运动方向。 弯道中非均匀卵石床面在清水冲刷作用下起动并发生输移，河床结构发生演变，并重新发展为新的相对平衡床面以适应来流。为了解弯道内非均匀卵石床面输移规律，本文第六章补充了 U型弯道内非均匀卵石床面的冲刷试验。在具有临界弯曲率的U型水槽中铺设厚度为5cm的非均匀卵石床面，在弯道特有的水流作用下对其进行清水冲刷。试验表明：床面上卵石在沿程与沿断面宽度方向上均出现了不同程度的泥沙输移，达到削弱水流作用力及增加床面稳定性的目的，从而获得新的相对平衡床面。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2弯道水流及床面特征结构的研究进展

1.3泥沙输移规律研究进展

1.4水流及泥沙运动规律研究方法

1.5本文主要工作

第二章 弯道明渠流三维水流结构理论分析

2.1考虑速度下沉现象的水流运动理论模型

2.2模型理论解

2.3验证与分析

2.4本章小结

第三章 临界弯曲比率下U型弯道水流与床面结构试验分析

3.1试验装置

3.2测量方法

3.3试验设计

3.4试验结果分析

3.5本章小结

第四章 双向暴露度影响下的非均匀卵石起动理论分析

4.1双向暴露度影响下的卵石起动理论模型

4.2双向暴露度影响下的卵石起动流速理论解

4.3验证与分析

4.4本章小结

第五章 弯道水流作用下卵石起动理论分析

5.1弯道水流作用下卵石起动模型

5.2弯道卵石起动模型验证

5.3讨论与分析

5.4本章小结

第六章 U型弯道内非均匀卵石床面冲刷试验分析

6.1试验装置

6.2测量方法

6.3试验设计

6.4 试验结果分析

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1结论与创新点

7.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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