复式河槽水流阻力及泥沙输移特性研究

论文摘要

由冲积河流主槽和河漫滩组成的复式河槽在调节洪水、削减洪峰、贮存泥沙等方面不同于单一河槽。复式河槽随着流量增大、水位抬高,当水位超过滩地高程时洪水漫滩,产生一系列水流结构、水流阻力、泥沙输移和河床演变的复杂变化。研究复式河槽水流泥沙的复杂行为在泥沙运动力学和河流动力学基础理论方面有着重要的学术意义。其成果对防洪工程、航道整治、城市生态水利建设及河滩地合理开发利用等国民经济和社会发展中的重要问题,有着广阔的应用情景。本文系统地研究与探讨了复式河槽水流阻力、动量交换机理、过流能力、植被作用下的复式河槽水流特性以及全动床复式河槽水流阻力及泥沙输移特性。其主要研究内容为:分析与讨论了曼宁系数和达西-韦斯巴赫阻力系数。通过分析英国科学工程研究协会洪水水槽设施（SERC-FCF）的大量的试验资料,建立了综合阻力系数、局部阻力系数和不同断面形态、不同床面粗糙度的关系,并指出单一河槽法与断面分割法不能准确估算复式河槽过流能力的原因在于前者没有考虑阻力系数随水深的变化特性,后者忽略了因滩槽动量交换而产生的附加阻力。分析表明,复式河槽阻力系数是雷诺数的复杂函数,但这种函数关系与单一河槽是不同的。系统总结了推求复式河槽综合糙率的各种典型方法。根据是否考虑动量交换及所需的断面几何参数,综合糙率计算方法可以简单地分为若干类。运用大量的复式河槽水槽试验资料和野外实测资料,验证了上述各类方法的有效性,并讨论了断面分割类型对综合糙率计算的影响。推求复式河槽综合糙率时,每类方法都将带来一定的误差。在各类方法中,Lotter方法类与断面分割类型密切相关,而

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究意义及应用前景
• 1.1.1 应用前景
• 1.1.2 研究意义
• 1.1.2.1 复式河槽水沙复杂行为研究是河道水力学的前沿课题
• 1.1.2.2 丰富和完善泥沙运动力学和河床演变学的研究内容
• 1.2 复式河槽研究现状及分析
• 1.2.1 复式河槽水流阻力研究现状及分析
• 1.2.2 复式河槽动量交换机理研究现状及分析
• 1.2.2.1 试验研究
• 1.2.2.2 理论研究
• 1.2.3 复式河槽过流能力研究现状及分析
• 1.2.4 植被作用下的复式河槽研究现状及分析
• 1.2.4.1 植被作用下的河槽水流阻力
• 1.2.4.2 植被作用下的河槽过流能力计算方法
• 1.2.5 复式河槽泥沙输移研究现状及分析
• 1.2.5.1 国内研究现状
• 1.2.5.2 国外研究现状
• 1.2.6 复式河槽研究现状概括
• 1.3 本文研究的主要问题及章节安排
• 参考文献
• 2 复式河槽水流阻力
• 2.1 前言
• 2.2 复式河槽断面形态对阻力系数的影响
• 2.2.1 单一河道阻力系数
• 2.2.2 局部阻力系数分析
• 2.2.2.1 试验概况
• 2.2.2.2 断面形态及滩地粗糙度对阻力系数的影响
• 2.2.3 综合阻力系数分析
• 2.2.3.1 主槽和滩地的平均阻力系数
• 2.2.3.2 曼宁阻力系数
• 2.2.3.3 Darcy-Weishbach 阻力系数与雷诺数的关系
• 2.2.4 结论
• 2.3 复式河槽综合糙率计算方法比较与分析
• 2.3.1 复式河槽综合糙率计算方法
• 2.3.1.1 Cox 方法（CM）
• 2.3.1.2 Einstein-Banks 方法（EBM）
• 2.3.1.3 Lotter 方法（LM）
• 2.3.1.4 Krishnamurthy-Christensen 方法（KCM）
• 2.3.1.5 Dracos-Hardegger 方法（DHM）
• 2.3.2 验证资料
• 2.3.3 比较与分析
• 2.3.4 结论
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 3 复式河槽动量交换机理
• 3.1 前言
• 3.2 复式河槽动能损失强度分析
• 3.2.1 动能损失机理
• 3.2.2 横向动能校正系数和动能损失率的计算式
• 3.2.3 断面形态对横向动能校正系数和动能损失率的影响
• 3.2.3.1 单一河槽横向动能校正系数和动能损失率
• 3.2.3.2 水深及滩地宽度的影响
• 3.2.3.3 主槽边坡的影响
• 3.2.3.4 非对称性的影响
• 3.2.4 结论
• 3.3 复式河槽动量输运系数研究
• 3.3.1 动量输运系数的表达式
• 3.3.2 表观剪切应力计算
• 3.3.3 动量输运系数的计算及应用
• 3.3.3.1 动量输运系数与相对水深及滩槽宽度比的关系
• 3.3.3.2 动量输运系数关系式有效性的验证
• 3.3.4 结论
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 4 复式河槽过流能力
• 4.1 前言
• 4.2 复式河槽流量计算方法比较与分析
• 4.2.1 计算流量的各种方法
• 4.2.1.1 单一河槽法（SCM）
• 4.2.1.2 等速剖分法（EVDM）
• 4.2.1.3 断面分割法（CSDM）
• 4.2.1.4 断面叠加法（SCSM）
• 4.2.1.5 谢汉祥法（XHXM）
• 4.2.1.6 动量传递法（MTM）
• 4.2.1.7 童汉毅法（THYM）
• 4.2.1.8 河槽协同度方法（COHM）
• 4.2.1.9 Shiono & Knight 方法（SKM）
• 4.2.2 比较与分析
• 4.2.2.1 各种流量计算方法比较
• 4.2.2.2 流量分配计算
• 4.2.2.3 二次流对过流能力及流量分配的影响
• 4.2.3 结论
• 4.3 复式河槽过流能力非线性研究
• 4.3.1 阻力系数分析
• 4.3.2 过流能力的系统动力学模型
• 4.3.3 系统动力学模型的应用
• 4.3.4 结论
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 5 植被作用下的复式河槽水流特性
• 5.1 前言
• 5.2 试验概况
• 5.3 流速分布
• 5.3.1 植物类型对时均流速分布的影响
• 5.3.2 床面底坡对时均流速分布的影响
• 5.3.3 流速等值线
• 5.3.4 结论
• 5.4 二次流及雷诺应力特性
• 5.4.1 二次流特性
• 5.4.2 雷诺应力特性
• 5.4.3 结论
• 5.5 漫滩水流紊动的随机特性
• 5.5.1 流速分布
• 5.5.1.1 脉动流速
• 5.5.1.2 时均流速
• 5.5.2 动量交换及紊动表观剪切应力
• 5.5.3 紊动强度
• 5.5.4 结论
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 6 全动床复式河槽水流阻力及泥沙输移特性
• 6.1 前言
• 6.2 试验概况
• 6.2.1 大型试验水槽
• 6.2.2 推移质的采集
• 6.2.3 水位流量关系的测量
• 6.2.4 流速测量
• 6.2.5 床面形态及河宽调整的测量
• 6.2.6 床沙取样
• 6.3 水流阻力分析
• 6.3.1 能量损失
• 6.3.2 阻力系数
• 6.4 河床变形分析
• 6.4.1 河宽调整
• 6.4.2 稳定河宽沿程变化
• 6.4.3 河道冲淤变化
• 6.5 推移质输沙率
• 6.5.1 推移质输沙率随时间的变化特性
• 6.5.2 推移质输沙率公式的推导
• 6.5.2.1 单调递增趋势段推移质输沙率公式
• 6.5.2.2 单调递减趋势段推移质输沙率公式
• 6.5.3 式（6-54） 中参数k1与k2敏感性分析
• 6.5.4 推移质输沙率公式（6-54） 的应用
• 6.5.5 随机变量X 表达式的一般形式
• 6.5.6 推移质中值粒径
• 6.6 床沙中值粒径
• 6.7 本章小结
• 参考文献
• 7 结论
• 7.1 主要结论
• 7.2 进一步的研究展望
• 创新点自评
• 作者简历
• 作者攻读博士学位期间完成的研究成果
• 发表的学术论文
• 主研的科研项目
• 获奖情况
• 致谢