【摘要】：推移質(zhì)運(yùn)動是河流動力學(xué)研究的基礎(chǔ),以科學(xué)的方法對其進(jìn)行研究已逾百年,由于該領(lǐng)域涉及內(nèi)容較為寬廣且極為復(fù)雜,取得公認(rèn)的研究成果不多。圍繞推移質(zhì)運(yùn)動基本規(guī)律,本文從四個方面對其進(jìn)行研究:⑴歸納提出了表層沙摩擦角的物理概念,通過試驗論證了泥沙休止角與表層沙摩擦角之間的區(qū)別,論述了非均勻沙休止角隨分選系數(shù)的變化規(guī)律,初步探討了偏度系數(shù)與峰度系數(shù)對非均勻沙休止角的影響,針對非均勻沙休止角及表層沙摩擦角的工程應(yīng)用,提出了非均勻沙的最優(yōu)化級配設(shè)計方面的建議。⑵針對泥沙起動條件,同時考慮了水流紊動特性和泥沙顆粒排列的隨機(jī)性對泥沙起動的影響,利用泥沙滾動起動模型計算得出泥沙起動條件并不是一個確定值,而是隨機(jī)分布在一個區(qū)間內(nèi);針對泥沙起動概率,從面積比、數(shù)量比和時間比三個角度重新闡述了Einstein(1950)泥沙起動概率的物理圖景,推求了一個新的泥沙起動概率計算模型,并從水流上舉力分布、起動概率積分區(qū)域及泥沙顆粒受力三個方面論證了Einstein(1950)起動概率模型的合理性。⑶在改進(jìn)Engelund(1976)推移質(zhì)公式的基礎(chǔ)上,推求了一個推移質(zhì)平衡輸沙率公式,新公式兼具確定性和隨機(jī)性研究方法的優(yōu)點(diǎn),能夠較好地兼顧低強(qiáng)度輸沙和高強(qiáng)度輸沙計算的問題;開展了382組次的均勻推移質(zhì)平衡輸沙試驗,利用經(jīng)典的推移質(zhì)輸沙率數(shù)據(jù)和本文試驗數(shù)據(jù)檢驗了多家推移質(zhì)公式的性能,結(jié)果表明本文公式具有較好的適用性。⑷開展了2種非均勻沙的多組次粗化試驗,實(shí)時記錄了粗化過程中的推移質(zhì)輸沙量、測量了推移質(zhì)分時段級配和粗化層級配,并利用新研發(fā)的三維地形儀測量、重構(gòu)了粗化層表面形態(tài)。數(shù)據(jù)表明,首次粗化與再次粗化過程中,推移質(zhì)輸沙率及級配具有顯著不同的變化特征,并且粗顆粒比例占優(yōu)床沙的粗化過程中還存在輸沙率陡增及輸沙級配變粗的“二次粗化”現(xiàn)象;高強(qiáng)度水流沖刷下,粗顆粒比例占優(yōu)床沙的粗化層形態(tài)呈沙波狀,而粗細(xì)顆粒比例相當(dāng)床沙的粗化層形態(tài)呈凹槽狀;在床沙級配和階梯沖刷水流中最大一級流量相同的條件下,推移質(zhì)輸沙總量、粗化層級配及床面沖刷深度與水流的沖刷模式基本無關(guān),即上述三要素在不同階梯水流沖刷下的結(jié)果基本相同。
[Abstract]:Bed load movement is the basis of river dynamics research, which has been studied by scientific method for more than a hundred years. Because of the wide and complex contents involved in this field, few recognized research results have been obtained. Based on the basic law of push mass movement, this paper studies it from four aspects: (1) the physical concept of surface sand friction angle is summarized, the difference between sediment rest angle and surface sand friction angle is demonstrated by experiments, the variation law of non-uniform sand rest angle with separation coefficient is discussed, and the influence of skewness coefficient and kurtosis coefficient on non-uniform sand friction angle is discussed. In view of the engineering application of non-uniform sand stop angle and surface sand friction angle, some suggestions on the optimal gradation design of non-uniform sand are put forward. 2 according to the sediment starting condition, considering the influence of the turbulent characteristics of flow and the randomness of sediment particle arrangement on sediment starting, the sediment starting condition is not a definite value, but is randomly distributed in an interval by using the sediment rolling starting model. Aiming at the starting probability of sediment, the physical picture of Einstein (1950) sediment starting probability is reexpounded from three angles of area ratio, quantity ratio and time ratio, and a new calculation model of sediment starting probability is deduced, and the rationality of Einstein (1950) starting probability model is demonstrated from three aspects: the distribution of lifting force on water flow, the integral area of starting probability and the force acting on sediment particles. 3 on the basis of improving Engelund (1976) bed load formula, A formula of bed load equilibrium sediment transport rate is deduced. The new formula has the advantages of both deterministic and stochastic research methods, and can give good consideration to the calculation of low intensity sediment transport and high intensity sediment transport. The equilibrium sediment transport test of 382 groups of uniform bed load is carried out, and the performance of several load transfer formulas is tested by using the classical bed load transport rate data and the test data in this paper. the results show that the formula has good applicability. 4 the multi-group coarsening experiments of two kinds of non-uniform sand are carried out, the bed load transport volume in the process of coarsening is recorded in real time, and the gradation and coarsening grade distribution of bed load are measured. The surface morphology of coarsening layer is reconstructed by using the newly developed three-dimensional topographic instrument. The data show that the bed load transport rate and gradation have significantly different characteristics in the process of first coarsening and re-coarsening, and the "secondary coarsening" phenomenon of the sharp increase of sediment transport rate and the thickening of sediment transport gradation exists in the process of coarsening the proportion of coarse particles to the dominant bed sand. Under the erosion of high intensity flow, the coarse layer with the proportion of coarse particles and fine particles is in the shape of sand wave, while the coarse layer with the proportion of coarse and fine particles is in the shape of grooves. Under the condition that the maximum flow rate of bed sediment gradation and ladder scour flow is the same, the total amount of bed load sediment transport, coarsening gradation and bed surface scour depth have nothing to do with the scour model of water flow, that is to say, the results of the above three elements under different stepped flow scour are basically the same.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TV142.2

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本文編號：2500931