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薄层水流冲刷条件下斜坡土体的临界起动

土木与环境工程学报（中英文） 2024年第2期46卷 23-32页

作者：王力陈玙珊占清华王世梅三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学) 湖北宜昌443002

斜坡土体侵蚀是丘陵地区和水库岸坡普遍存在的灾害现象,其主要动力因素是降雨或者波浪上爬产生的薄层水流对土体产生的冲刷剪切作用。为探索水流冲刷作用下的斜坡土体临界起动条件,采用自主研发的冲刷起动试验装置,开展斜坡土体的冲刷... 详细信息

斜坡土体侵蚀是丘陵地区和水库岸坡普遍存在的灾害现象,其主要动力因素是降雨或者波浪上爬产生的薄层水流对土体产生的冲刷剪切作用。为探索水流冲刷作用下的斜坡土体临界起动条件,采用自主研发的冲刷起动试验装置,开展斜坡土体的冲刷起动试验和理论研究。通过颗粒染色和高倍数电子显微等技术手段观测无黏性土颗粒的起动现象,确定了无黏性岸坡土体的起动模式与水流流速的相互关系;探索了不同干密度、不同黏粒含量及不同坡度与黏土斜坡临界起动流速的相互关系,土体的黏粒含量、干密度及坡度对黏性土体的起动流速影响较大,与干密度和土体坡度相比,黏粒含量对黏土斜坡的起动流速影响更为明显。验证了无黏性岸坡土体的临界起动方程,其中滚动起动流速方程具有较强的可靠性;基于黏土的起动模式构建了黏土斜坡的起动力学平衡方程,获得了黏土斜坡半经验半理论的起动流速方程,用试验结果求解了起动流速方程的相关参数,最终确定的起动流速公式与试验结果拟合度较好,同时验证了起动流速公式的可靠性。

关键词：临界起动流速坡面流土体侵蚀起动模式薄层水流

不同降雨条件下城市下垫面表面薄层水流的典型参数试验研究

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水科学进展 2020年第4期31卷 565-574页

作者：刘飞董占地中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100048

以北京昌平未来科技城试验基地的降雨强度为降雨条件,通过室内降雨试验平台,研究了4种典型不透水下垫面(沥青、砼面、SBS改性沥青和砼方砖)和4种典型透水下垫面(草坪砖A、草坪砖B、风积砂砖A和风积砂砖B)分别在8种恒定雨强条件下形成薄... 详细信息

以北京昌平未来科技城试验基地的降雨强度为降雨条件,通过室内降雨试验平台,研究了4种典型不透水下垫面(沥青、砼面、SBS改性沥青和砼方砖)和4种典型透水下垫面(草坪砖A、草坪砖B、风积砂砖A和风积砂砖B)分别在8种恒定雨强条件下形成薄层产流后的糙率系数、沿程阻力系数和径流系数的变化过程。结果显示:平面尺寸、表面光滑度、材质对不透水下垫面的糙率和沿程阻力系数影响较为明显;而结构、材质对透水下垫面的糙率和沿程阻力系数影响较为明显;两类下垫面的糙率值和沿程阻力系数均随雨强增加呈现减小的变化趋势,但变化的幅度较小,之后逐渐趋于稳定;两类下垫面的径流系数在不同雨强下保持相对稳定。

关键词：人工降雨不透水下垫面透水下垫面径流系数薄层水流

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基于热红外成像的坡面薄层水流流速测量方法

农业工程学报 2021年第21期37卷 108-115页

作者：张艳史海静郭明航赵军展小云丁成琴中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学水土保持研究所杨凌712100 中国科学院大学北京100049

流速是表征水流水力学特性的重要物理量。为了准确获取薄层水流流速,基于热红外成像技术、计算机视觉识别技术,设计了一种薄层水流流速测量系统。该系统通过对热示踪剂的自动控制以及对其热成像图的瞬时采集、影像校正、噪点去除、质心... 详细信息

流速是表征水流水力学特性的重要物理量。为了准确获取薄层水流流速,基于热红外成像技术、计算机视觉识别技术,设计了一种薄层水流流速测量系统。该系统通过对热示踪剂的自动控制以及对其热成像图的瞬时采集、影像校正、噪点去除、质心确定等手段,获取薄层水流的流速等参数,从而实现对坡面薄层水流流速的动态观测。该系统精确度和准确度高,可从不同时间和空间尺度上更加准确地观测热示踪剂动态运移过程。系统的测量标准差为0.020 m/s,观测精度可达到98.33%,观测的时间分辨率为1/9 s,空间分辨率为2 mm。为了验证该系统的准确度,以流量法为基准,与传统示踪法(染料示踪法、盐示踪法)比较,结果表明,该系统的准确度高于染料示踪法和盐示踪法。其中热红外成像观测系统的相对误差均在±10%以内;染料示踪法的相对误差均大于10%;盐示踪法52%的相对误差在±10%以内。利用热红外成像系统获取的影像,可对不同时刻示踪段水流的发生、发展的过程进行追溯,也可以测量示踪剂沿水流方向的运移速度及垂直于水流方向的扩散速度,计算热示踪剂的弥散系数等。该技术可应用于降雨侵蚀、径流冲刷等方面的研究,对于进一步深化土壤侵蚀过程与机理研究具有重要的意义。

关键词：流速坡面热红外成像观测系统薄层水流热红外标靶精准度评价

低柱体雷诺数下柱体上游薄层水流马蹄涡特征研究

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工程科学与技术 2019年第1期51卷 52-59页

作者：杨坪坪张会兰王云琦王玉杰北京林业大学水土保持学院重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站北京100083 北京市水土保持工程技术研究中心北京100083

马蹄涡是水下柱体基部产生局部侵蚀的主要动力,目前对大雷诺数深水条件的马蹄涡特征研究广泛,而在低柱体雷诺数浅薄层水流条件下因技术条件限制,试验手段难以准确捕获马蹄涡。为准确掌握在该水流条件下马蹄涡的特征,本研究构建了高分辨... 详细信息

马蹄涡是水下柱体基部产生局部侵蚀的主要动力,目前对大雷诺数深水条件的马蹄涡特征研究广泛,而在低柱体雷诺数浅薄层水流条件下因技术条件限制,试验手段难以准确捕获马蹄涡。为准确掌握在该水流条件下马蹄涡的特征,本研究构建了高分辨率高频的粒子图像测速系统,系统测量了6组浅薄层水流条件下柱体前端的瞬时流场。通过分析平均流场特征提取出流动分离点,采用旋转强度的方法识别马蹄涡进而提取马蹄涡位置及强度,使用Oseen涡和纯剪切的控制方程叠加模拟马蹄涡进而计算出马蹄涡的半径。结果表明:在低柱体雷诺数水流条件下(Re D薄层水流条件下,当柱体直径一定时,随着水深的增加,流动分离点向上游运动,同时马蹄涡向远离柱体端和朝水面运动,马蹄涡的半径增加,且其各项参数显著大于明渠水流条件下的参数。随后,结合已有工作,归纳出分离点、马蹄涡特征随柱体雷诺数增加而经历的不同阶段:当5 0008 000,流动分离点向下游缓慢移动,马蹄涡的各项参数仍维持稳定。研究结果可为柱体基部科学布设防冲设施提供依据和参考。

关键词：柱体绕流马蹄涡粒子图像测速薄层水流低雷诺数

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光滑床面薄层水流水动力特性试验研究

人民黄河 2022年第10期44卷 105-107,126页

作者：施明新朱永杰吴发启上海勘测设计研究院有限公司上海200434 西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100

为揭示坡面薄层水流水动力学参数变化的内在规律和坡面流土壤侵蚀机理,基于光滑床面薄层水流试验,研究了流速、雷诺数、弗劳德数、阻力系数、水流功率等水动力学参数随坡度和流量的变化规律。在坡角为0°~12°、单宽流量为0.04~0.24 L/(... 详细信息

为揭示坡面薄层水流水动力学参数变化的内在规律和坡面流土壤侵蚀机理,基于光滑床面薄层水流试验,研究了流速、雷诺数、弗劳德数、阻力系数、水流功率等水动力学参数随坡度和流量的变化规律。在坡角为0°~12°、单宽流量为0.04~0.24 L/(s·m)条件下的光滑床面水槽试验表明:坡面薄层水流雷诺数、弗劳德数、水流功率均与坡度和单宽流量呈幂函数递增关系,雷诺数受单宽流量影响较大、受坡度影响较小,坡度和单宽流量对弗劳德数的影响相当,水流功率的主要影响因素是坡度;阻力系数与坡度和单宽流量呈幂函数递减关系,单宽流量为主要影响因素、坡度为次要影响因素,坡角≤5°时坡度对阻力系数的影响可忽略不计,坡角≥10°时坡度对阻力系数的影响不可忽视;该试验条件下坡面流以急流为主,在坡角小于2°时才会出现临界流或缓流。

关键词：光滑床面薄层水流水力特性雷诺数弗劳德数流速单宽流量坡度

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砒砂岩坡面薄层水流水力冲刷特性试验研究

排灌机械工程学报 2019年第4期37卷 325-331页

作者：常平李晓丽李明玉陈溯航邬尚贇内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院内蒙古呼和浩特010018

试验利用室内变坡度水槽,选取5种(5°,10°,15°,25°,35°)坡度和5种(280,420,550,650,900 L/h)流量进行25组叠加组合模拟室内薄层水流冲刷试验.结果表明:坡度一定时,冲蚀率随流量递增,增长幅度受坡度影响,在15°～35°存在着临界坡度... 详细信息

试验利用室内变坡度水槽,选取5种(5°,10°,15°,25°,35°)坡度和5种(280,420,550,650,900 L/h)流量进行25组叠加组合模拟室内薄层水流冲刷试验.结果表明:坡度一定时,冲蚀率随流量递增,增长幅度受坡度影响,在15°～35°存在着临界坡度值;无降雨条件下小于临界坡度时,冲蚀率与能坡之间满足多项式关系;冲蚀过程中坡面薄层水流流态属于层流中的急流,冲蚀细沟的产生与水流弗罗德数和雷诺数有关;小于10°时,水流剪切应力和水流功率不受流量的影响,小于420 L/h时,坡度的影响也并不是特别明显,坡度对流速的影响大于流量的影响,这导致了坡度对单位水流功率的影响更大;单宽流量与能坡对冲蚀率的影响较大,并建立了冲蚀率的拟合模型,此模型可以满足砒砂岩大角度的冲刷.

关键词：砒砂岩薄层水流冲蚀率产沙

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盐热联合示踪表征薄层水流剖面流速分布

农业工程学报 2023年第23期39卷 85-93页

作者：卢富运余方潜陈杨武阳王伟中国农业大学工学院北京100083 北京市农林科学院林业果树研究所北京100093

坡面薄层水流流速是重要的水动力学参数之一,研究其分布规律对于理解坡面土壤侵蚀机理具有重要意义。该研究采用盐与热联合示踪的方法,对不同粗糙下垫面的坡面薄层水流流速进行测量,探究下垫面对薄层水流剖面流速分布的作用规律。在3种... 详细信息

坡面薄层水流流速是重要的水动力学参数之一,研究其分布规律对于理解坡面土壤侵蚀机理具有重要意义。该研究采用盐与热联合示踪的方法,对不同粗糙下垫面的坡面薄层水流流速进行测量,探究下垫面对薄层水流剖面流速分布的作用规律。在3种坡度(5°、10°和20°)下,以下垫面条件(有机玻璃、80目即0.16 mm砂纸和24目即0.53 mm砂纸)、流量(2、5和8 L/min)和示踪剂类型(盐和热)为试验因素,以每个坡长(2、3和4 m)处的水流流速为试验指标进行多因素间的完全试验。结果表明,当下垫面一定,水深为粗糙高度的2~4倍,且水流为层流流态时,盐与热联合示踪的方法可用于表征薄层水流的剖面流速分布;下垫面粗糙高度和水深对薄层水流剖面流速分布具有显著影响(P水流的扰动作用,增加了水流的紊动程度,进而影响盐与热2种示踪剂测量水流流速差异性。研究结果可为进一步理解坡面薄层水流的动力过程提供参考。

关键词：流速盐热粗糙度薄层水流盐示踪热示踪下垫面

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急陡黄土坡面薄层水流水力学参数变化特征

土壤学报 2018年第3期55卷 641-649页

作者：白玉洁张风宝杨明义李占斌张加琼黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室(西北农林科技大学水土保持研究所) 陕西杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所陕西杨凌712100 西安理工大学水利水电学院西安710048

为探明降雨条件下黄土急陡坡坡面薄层水流水力学特性,采用室内模拟降雨的方法,研究了6个坡度(25°、30°、35°、40°、45°和50°)和3个雨强(1.0 mm min^(-1)、1.5 mm min^(-1)和2.0 mm min^(-1))组合条件下坡面薄层水流水力学参数的... 详细信息

为探明降雨条件下黄土急陡坡坡面薄层水流水力学特性,采用室内模拟降雨的方法,研究了6个坡度(25°、30°、35°、40°、45°和50°)和3个雨强(1.0 mm min^(-1)、1.5 mm min^(-1)和2.0 mm min^(-1))组合条件下坡面薄层水流水力学参数的变化规律。结果表明:(1)坡度相同时,流速随雨强的增加而增大;雨强相同时,坡度对薄层水流流速的影响存在临界效应(40°~45°),小于临界坡度,流速随坡度的增加而增大,大于临界坡度,流速随坡度增加而减小。(2)各坡度条件下,坡面薄层水流的平均径流水深随降雨强度增加呈平稳增长趋势;相同雨强时,径流深随坡度的增大有减小趋势。(3)黄土急陡坡坡面雷诺数(Re)整体较小(远小于580),试验条件下坡面薄层径流属于层流且水流处于层流中的失稳区;弗劳德数(Fr)大于0.8,薄层水流属于急流。(4)阻力系数(f)随着降雨强度增加而增大,随着坡度的增加而减小。(5)方差分析结果显示,雨强、坡度及二者交互作用对急陡坡坡面薄层水流水力学参数均有显著影响(p<0.01),但流速、弗劳德数和阻力系数的变化主要受坡度控制,而径流深和雷诺数的变化主要受雨强控制。

关键词：模拟降雨急陡坡薄层水流水力学参数

薄层水流对土壤温度影响的格子Boltzmann法分析

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广西大学学报（自然科学版） 2014年第4期39卷 928-932页

作者：宫兴龙付强李衡邢贞相陈曦东北农业大学水利与建筑学院黑龙江哈尔滨150030

为分析薄层水流影响下坡面剖面土壤热量运移机理,利用格子Boltzmann方法求解了坡面水流运动方程、土壤水运动方程与热力学方程,分析定量降雨条件下坡面水流对土壤温度分布的影响。研究表明,引起热量传递的动力是温度梯度;坡面水流对土... 详细信息

为分析薄层水流影响下坡面剖面土壤热量运移机理,利用格子Boltzmann方法求解了坡面水流运动方程、土壤水运动方程与热力学方程,分析定量降雨条件下坡面水流对土壤温度分布的影响。研究表明,引起热量传递的动力是温度梯度;坡面水流对土壤温度影响前期影响主要在土壤表层,随着时间进行,由于土壤温度变化具有滞后效应,进而影响到下层土壤的温度分布。降雨强度大于75 mm/h后所产生的温度场接近于降雨强度为75 mm/h产生的温度场。

关键词：薄层水流格子玻尔兹曼温度分布换热系数