推移质运动基本规律研究

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1、推移质运动基本规律研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：水利水电工程系学科：水利工程研究生：孟震指导教师：王兴奎教授二○一五年十一月SeveralFundamentalAspectsofBed-loadTransportMechanicsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinHydraulicEngineeringbyMengZhenDissertationSupervisor:ProfessorWan

2、gXingkuiNovember,2015摘要摘要推移质运动是河流动力学研究的基础，以科学的方法对其进行研究已逾百年，由于该领域涉及内容较为宽广且极为复杂，取得公认的研究成果不多。围绕推移质运动基本规律，本文从四个方面对其进行研究：⑴归纳提出了表层沙摩擦角的物理概念，通过试验论证了泥沙休止角与表层沙摩擦角之间的区别，论述了非均匀沙休止角随分选系数的变化规律，初步探讨了偏度系数与峰度系数对非均匀沙休止角的影响，针对非均匀沙休止角及表层沙摩擦角的工程应用，提出了非均匀沙的最优化级配设计方面的建议。⑵针对泥沙起动条件，同时考虑了水流紊动特性和泥沙颗粒排列的随机性对泥沙起动的影响，利用泥沙滚动起动模

3、型计算得出泥沙起动条件并不是一个确定值，而是随机分布在一个区间内；针对泥沙起动概率，从面积比、数量比和时间比三个角度重新阐述了Einstein(1950)泥沙起动概率的物理图景，推求了一个新的泥沙起动概率计算模型，并从水流上举力分布、起动概率积分区域及泥沙颗粒受力三个方面论证了Einstein(1950)起动概率模型的合理性。⑶在改进Engelund(1976)推移质公式的基础上，推求了一个推移质平衡输沙率公式，新公式兼具确定性和随机性研究方法的优点，能够较好地兼顾低强度输沙和高强度输沙计算的问题；开展了382组次的均匀推移质平衡输沙试验，利用经典的推移质输沙率数据和本文试验数据检验了多家推

4、移质公式的性能，结果表明本文公式具有较好的适用性。⑷开展了2种非均匀沙的多组次粗化试验，实时记录了粗化过程中的推移质输沙量、测量了推移质分时段级配和粗化层级配，并利用新研发的三维地形仪测量、重构了粗化层表面形态。数据表明，首次粗化与再次粗化过程中，推移质输沙率及级配具有显著不同的变化特征，并且粗颗粒比例占优床沙的粗化过程中还存在输沙率陡增及输沙级配变粗的“二次粗化”现象；高强度水流冲刷下，粗颗粒比例占优床沙的粗化层形态呈沙波状，而粗细颗粒比例相当床沙的粗化层形态呈凹槽状；在床沙级配和阶梯冲刷水流中最大一级流量相同的条件下，推移质输沙总量、粗化层级配及床面冲刷深度与水流的冲刷模式基本无关，即上

5、述三要素在不同阶梯水流冲刷下的结果基本相同。关键词：表层沙摩擦角；泥沙起动；推移质输沙率；河床粗化；地形测量IAbstractAbstractBed-loadtransporthasbeenoneofthebasictopicsinthefieldofriverdynamicsformorethanacentury.Duetoitscomplexity,however,thetopicstillchallengestheresearchcommunityasonlyasmallnumberoftheorieshavebeenwellestablished.Thepresentthesispr

6、esentsinvestigationofbed-loadtransportinfrictioncoefficient,sedimententrainment,bed-loadtransportintensity,andthebedarmoringprocess.Majorresultsaresummarizedasfollows.⑴Anewphysicalconcept,theangleofsurfacefriction,wasproposedbaseduponreviewoftypicalmethodsfordeterminingtheangleofrepose.Thedifferenc

7、ebetweentheangleofreposeandtheangleofsurfacefrictionwasclarifiedviaexperiment.Therelationshipbetweenthesortingcoefficientandtheangleofreposefornon-uniformsedimentwasinvestigated,andtheinfluenceoftheasymmetr