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河流床面粗糙程度的度量方法研究

水利水电技术（中英文） 2024年第1期55卷 103-112页

作者：祁芸泉蔡暾杨克君四川大学水利水电学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司四川成都610072

【目的】河流床面的粗糙程度是河流动力学中重要的研究内容。【方法】用统计分析法来量化河流床面的粗糙程度,在不考虑河床宏观起伏的前提下,用非均匀天然沙人工铺制初始粗糙床面,并逐渐增大流量使床面粗化,粗化完成后依托激光扫描技术... 详细信息

【目的】河流床面的粗糙程度是河流动力学中重要的研究内容。【方法】用统计分析法来量化河流床面的粗糙程度,在不考虑河床宏观起伏的前提下,用非均匀天然沙人工铺制初始粗糙床面,并逐渐增大流量使床面粗化,粗化完成后依托激光扫描技术获得试验床面的精确数字高程。基于统计理论探究在不同来水条件下,粗化后河流床面表层的结构特性并利用床面高程统计参数及变异函数满足的理论模型建立新的床面粗糙程度度量方法。【结果】结果显示:曼宁糙率n与中值粒径的拟合关系一般,相关系数为0.649。n与标准差、众数及偏度拟合关系良好,与峰度拟合关系相对较差。n与三种变异函数球状模型典型参数都呈现出较好的相关性,剖面平均变异函数块金值与基台值和n的拟合关系优秀,相关系数均在0.89以上。【结论】结果表明:代表粒径法在某些时刻是可以用于表述床面粗糙特性的,高程数据的标准差随水流强度的增加而严格增大的特性和其众数随水流结构的增大而严格减小的特性使它们成为量化床面粗糙程度的优良指标。偏度和峰度的单调趋势使其作为床面粗糙程度的衡量指标也成为可能。块金值与基台值可以作为床面粗糙程度的表征指标。此次研究用统计法探讨了度量河流床面粗糙程度的方法,对粗糙程度的度量有一定启示。

关键词：床面粗糙程度统计参数曼宁糙率变异函数球状模型水力特性

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单侧滩地植被作用下的弯曲主槽二次流特性

长江科学院院报 2024年第3期41卷 62-70,78页

作者：潘云文李志杰刘欣杨克君武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室成都610065 浙江省水利水电设计院杭州310002 华北水利水电大学水利学院郑州450046

为探讨单侧滩地植被对弯曲主槽二次流特性的影响,概化设计了无滩地植被与有单侧滩地植被的弯曲河道模型,利用声学多普勒流速仪(ADV)测得其主槽特征断面的瞬时流速。试验结果显示:在单式弯道中,主涡的形成完全由弯道离心力决定;但在试验... 详细信息

为探讨单侧滩地植被对弯曲主槽二次流特性的影响,概化设计了无滩地植被与有单侧滩地植被的弯曲河道模型,利用声学多普勒流速仪(ADV)测得其主槽特征断面的瞬时流速。试验结果显示:在单式弯道中,主涡的形成完全由弯道离心力决定;但在试验复式弯道中,主涡的形成与滩槽水流交换密切相关。当相对水深为0.15时,与无滩地植被工况相比,在滩地植被横向宽度较小的弯顶附近和直线过渡段,二次流强度出现了较大衰减,但在滩地植被横向宽度较大的弯顶附近,二次流强度无明显差别。当相对水深增至0.35时,两种滩地条件下弯曲主槽各断面的二次流强度均有所增强,但单侧滩地植被条件下各断面的二次流强度均小于无滩地植被条件下的对应值。在有单侧滩地植被条件下,对于同一相对水深,上游滩地无植被的直线过渡段,二次流强度明显大于上游滩地覆有植被的直线过渡段的情况。在无滩地植被条件下,雷诺应力R vw等值线的“岛心”位置可以标示二次流主涡的旋转中心,而“岛心”处雷诺应力R vw的正负可以表征二次流主涡的旋转方向。在有单侧滩地植被条件下,断面中部的雷诺应力R vw等值线分布十分凌乱,并无上述规律,且其绝对值明显小于无滩地植被条件的对应值。

关键词：弯曲复式河道单侧滩地植被二次流相对强度旋度

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堆石矮堰清水冲刷历时发展特性

水科学进展 2022年第4期33卷 648-658页

作者：张文王路杨克君刘兴年聂锐华四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065

堆石矮堰是常用的“生态友好型”河道整治建筑物。水流经过堆石矮堰会在其周围产生冲刷,威胁其结构安全。为了提高堆石矮堰清水冲刷尺度的预测精度,基于室内水槽试验研究了堆石矮堰清水冲刷的历时发展特性,分析了水流强度、矮堰淹没度... 详细信息

堆石矮堰是常用的“生态友好型”河道整治建筑物。水流经过堆石矮堰会在其周围产生冲刷,威胁其结构安全。为了提高堆石矮堰清水冲刷尺度的预测精度,基于室内水槽试验研究了堆石矮堰清水冲刷的历时发展特性,分析了水流强度、矮堰淹没度和矮堰透水性对冲刷尺度发展过程的影响。结果表明:清水冲刷条件下,堆石矮堰下游冲刷坑在试验初期发展迅速,随后逐渐变缓;在冲刷发展的任一时刻,冲刷深度和冲刷长度随水流强度的增大而增加,随矮堰淹没度的增大而减少,矮堰透水性的增大使冲刷长度增加,使冲刷深度减少;随着冲刷的发展,冲刷坑纵剖面形态逐渐收敛,其面积与冲刷深度和冲刷长度的乘积线性正相关。基于理论分析和试验数据,提出了堆石矮堰历时清水冲刷深度、长度、体积的计算公式,可用于指导堆石矮堰冲刷设计。

关键词：河流修复堆石矮堰清水冲刷历时发展

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侵蚀基准面下降对弯道河床演变的影响

长江科学院院报 2023年第3期40卷 11-17页

作者：潘云文刘欣杨克君武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室成都610065 华北水利水电大学水利学院郑州450046

概化设计了一在出口处布设有高度可变的拦沙坎的弯曲河道模型,利用声学多普勒流速仪和数字波高仪测得13个特征断面的瞬时流速与瞬时水位数据,依托激光扫描技术获得试验床面的精确数字高程,以此来探讨侵蚀基准面下降对弯道河床演变的影... 详细信息

概化设计了一在出口处布设有高度可变的拦沙坎的弯曲河道模型,利用声学多普勒流速仪和数字波高仪测得13个特征断面的瞬时流速与瞬时水位数据,依托激光扫描技术获得试验床面的精确数字高程,以此来探讨侵蚀基准面下降对弯道河床演变的影响。结果发现:粗化层对河床有一定的保护作用,当侵蚀基准面小幅下降而导致流速小幅增大时,粗化层的保护作用可一定程度地抵减流速的增量,减弱甚至避免水流对河床的冲蚀;当侵蚀基准面下降幅度较大时,河床会被全局冲蚀,但各局部的被冲蚀程度并不相同,其中过渡段主流带的被冲蚀程度较小,弯段凹侧主流顶冲区的被冲蚀程度较大;越靠近侵蚀基准面的区域,侵蚀基准面的下降越易增强该区域的水流强度,越易使该区域的河床被冲蚀;在侵蚀基准面下降幅度较小且槽底未见裸露的情况下,连续弯道完整周期的床面高程频率分布总体上接近于正态分布,但若从细节上看其分布具有双峰特征;双峰特征为半周期床面高程频率分布所特有,完整周期床面高程频率分布的双峰特征只是半周期床面高程频率分布双峰特征叠加的结果;当侵蚀基准面下降至槽底时,主流顶冲区的槽底会严重裸露,连续弯道完整周期的床面高程频率分布仍具有双峰特征,但其总体形态已明显偏离正态分布。

关键词：弯道河床侵蚀基准面下降河床演变粗化层床面高程频率分布

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溢流坝壅水条件下的弯道水流特性

长江科学院院报 2023年第8期40卷 84-91页

为探讨溢流坝壅水条件下的弯道水流特性,概化设计了一在出口处布设有溢流坝的连续弯道模型,利用声学多普勒流速仪(ADV)和数字波高仪测得模型特征断面的流速、水位数据。试验结果显示:弯段绝对水面横比降随相对坝高的增大而减小;弯段下... 详细信息

为探讨溢流坝壅水条件下的弯道水流特性,概化设计了一在出口处布设有溢流坝的连续弯道模型,利用声学多普勒流速仪(ADV)和数字波高仪测得模型特征断面的流速、水位数据。试验结果显示:弯段绝对水面横比降随相对坝高的增大而减小;弯段下半弯的水面纵比降为正,而从直线过渡段进口至下游邻近弯顶的水面纵比降为负,但其绝对水面纵比降均随相对坝高的增大而减小;连续弯道的直线过渡段也存在二次流且其旋转方向与上游弯段二次流的旋转方向相同;当相对坝高增大时,流道各断面的垂线平均纵向流速均不同程度的减小;当相对坝高增大时,各断面最大紊动能减小;纵向脉动对紊动能的贡献最大,横向脉动次之,垂向脉动最小;雷诺应力R uv的正负能近似标示弯道直线过渡段进出口断面的横向水流运动,当雷诺应力R uv为正时,流体将从左侧流向右侧;当雷诺应力R uv为负时,流体将从右侧流向左侧。

关键词：溢流坝壅水条件弯道水流运动紊动特性

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鱼鳞状床面粗糙特性

长江科学院院报 2023年第1期40卷 10-17页

为探讨颗粒排列的空间趋向对床面结构的影响,人工铺制了12组鱼鳞状床面,依托激光扫描技术获得其精确数字高程,基于统计学理论与分形理论对所铺床面的粗糙特性进行分析。结果发现:鱼鳞状床面相对高程频率分布具有负偏双峰特征,主峰近似... 详细信息

为探讨颗粒排列的空间趋向对床面结构的影响,人工铺制了12组鱼鳞状床面,依托激光扫描技术获得其精确数字高程,基于统计学理论与分形理论对所铺床面的粗糙特性进行分析。结果发现:鱼鳞状床面相对高程频率分布具有负偏双峰特征,主峰近似正态且较为“高大”,次峰却极为“矮小”;卵石粒径增大,各床面高程变异函数的基台值与变程均增大;床面高程方差与变异函数基台值在量化鱼鳞状床面粗糙特性方面是基本等价的;卵石粒径越大,床面高程方差越大,变异函数基台值越大,床面越粗糙,反之亦然;鱼鳞状床面二维特征方向无标度区上限随卵石粒径的增大而单调增大,其值可近似取为0.5d50(d50为中值粒径),然而同一床面各二维特征方向上的无标度区上限是大致相同的;就同一二维特征方向而言,随着卵石粒径的增大,床面分形维数基本减小,床面结构复杂性减弱;鱼鳞状床面粗糙特性具有明显的方向性,尤其是在与水流方向的角度成0、π/4与π/2的3个方向上,其粗糙特性明显不同。

关键词：鱼鳞状床面粗糙特性统计参数变异函数分形维数

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床面统计粗糙特性研究

中国农村水利水电 2023年第10期 1-8页

作者：林星宇蔡暾杨克君四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司四川成都610072

床面粗糙特性是河流动力学中的重要研究内容,其量化方法一直是研究的难点。在顺直水槽中采用非均匀天然沙铺制初始床面,并逐渐增大流量粗化床面,基于激光扫描获得的床面数字高程资料,应用统计理论以及变异函数模型探讨不同粗化程度的床... 详细信息

床面粗糙特性是河流动力学中的重要研究内容,其量化方法一直是研究的难点。在顺直水槽中采用非均匀天然沙铺制初始床面,并逐渐增大流量粗化床面,基于激光扫描获得的床面数字高程资料,应用统计理论以及变异函数模型探讨不同粗化程度的床面表层粗糙特性。结果表明:采用非均匀沙人工铺制的床面高程频率分布呈现出近似正态分布,经历过不同水流强度依次累积冲刷后形成的稳定粗化床面高程频率分布都出现了轻微正偏态的趋势;高程标准差随水流强度增加严格增大的特点让它可以成为量化床面粗糙特性的可靠指标;水流塑造试验床面是各向异性的,随着流量的增大,床面粗化层破坏再粗化,床面高程二维变异函数的基台值越大;由于水流的作用,横向剖面平均变异函数的基台值与块金值略大于纵向剖面高程平均变异函数,径向剖面的基台值与块金值远小于横向与纵向剖面。研究加深了对床面粗糙特性的统计规律的探索,对于建立基于统计学的粗糙度定量表达方式具有一定的启示。

关键词：床面粗糙特性统计参数变异函数球状模型

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植被群纵向间距对水流结构的影响研究

中国农村水利水电 2023年第2期 101-107页

作者：常亚慧付鸿声杨克君四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065

河道中植被群的空间布局对植被群的上下游水流特性和河床演变均会产生重要影响。为研究河道中植被群的不同布局对水流结构的影响规律,设计了定床水槽试验,试验采用PVC圆柱模拟两个相同的刚性非淹没植被群,设置4组不同的上下游植被群间距... 详细信息

河道中植被群的空间布局对植被群的上下游水流特性和河床演变均会产生重要影响。为研究河道中植被群的不同布局对水流结构的影响规律,设计了定床水槽试验,试验采用PVC圆柱模拟两个相同的刚性非淹没植被群,设置4组不同的上下游植被群间距,通过研究水流的流速和紊动强度分布,分析在不同的上下游植被群间距下植被群上游水流调整长度和尾流的形成与发展过程,并与单个植被对水流结构的影响进行对比。试验结果表明:上游植被群的存在会使下游植被群前端调整区长度缩短,此长度与植被群间距无关;随上游植被群的出现下游植被群的溢出流速、尾流稳定区长度、稳定区流速均会减小,其大小均与植被群间距有关,间距越小各值越小;同时下游植被群尾流形成区长度变短,随间距增大呈现先减小后增大的趋势;且下游植被群的尾流恢复速度随上游植被的出现变的更加迅速;上游植被群的存在加剧了下游植被群尾流紊动,其变化趋势也与植被群间距有关;植被群对水流既有抑制作用也有促进作用,主要取决于植被群前端紊动强度大小。试验探究了植被群不同纵向间距对河道水流结构的影响,为河道中植被群空间布局对水流特性的影响提供了补充。

关键词：植被群植被群纵向间距流速特性紊动强度

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复式河槽阻力系数及过流能力计算

水科学进展 2005年第1期16卷 23-27页

作者：杨克君曹叔尤刘兴年四川大学高速水力学国家重点实验室四川成都610065

水位流量关系在流域管理中占有十分重要的地位。而对于复式河槽,水位流量关系的推求是十分困难的。无论采用单一河槽法还是传统的断面分割法,都将带来很大的误差。将复式河槽分为滩地边坡区、滩地区、主槽边坡区和主槽区,并运用英国科... 详细信息

水位流量关系在流域管理中占有十分重要的地位。而对于复式河槽,水位流量关系的推求是十分困难的。无论采用单一河槽法还是传统的断面分割法,都将带来很大的误差。将复式河槽分为滩地边坡区、滩地区、主槽边坡区和主槽区,并运用英国科学工程研究协会洪水水槽设施(SERC FCF)的大量的系列水槽实验资料,分析了各区Dar cy Weisbach阻力系数之间的关系。SERC FCF的实验资料表明主槽区的阻力系数与相对水深有关,滩地区和主槽区阻力系数之比随相对水深成指数关系,滩地边坡区、主槽边坡区阻力系数可用主槽区和滩地区阻力系数表示。利用这些阻力系数关系分别推求各区的流量及总流量。实验资料验证表明:计算流量与实测流量基本吻合。

关键词：复式河槽阻力系数过流能力