基于正交设计的细沟侵蚀室内模拟试验研究

发布时间：2017-10-27 15:33

  本文关键词：基于正交设计的细沟侵蚀室内模拟试验研究

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【摘要】：细沟侵蚀是坡面土壤侵蚀的主要方式之一,坡面上一旦出现细沟侵蚀现象,侵蚀量会成倍甚至数十倍的增加,因此,细沟侵蚀的研究一直是坡面土壤侵蚀研究的重要内容。目前,国内外相关学者已对细沟侵蚀产沙过程、产沙机理以及侵蚀影响因素进行了大量的研究,并取得了一大批成果。但这些成果大多是建立在以试验为基础的定性分析上的,且不同的学者、不同的试验方法和不同的水力学参数得出的结果不尽相同。本文采用正交试验设计思路,应用相似理论,建立了碎石土冲刷槽试验比尺模型,通过分析细沟侵蚀影响因子,研究了坡面由片蚀至细沟侵蚀整个过程中坡面流水力学特征变化规律以及细沟侵蚀演化规律,建立了细沟侵蚀模型。主要研究结论如下:(1)坡面流速是非常重要的水力学参数之一,流量和坡度是平均流速特别显著的影响因素。随着流量和坡度的增大,平均流速逐渐增大,但是流量对流速的贡献大于坡度对流速的贡献。(2)土壤侵蚀量与跌穴发育存在密切关系,跌穴平均深宽乘积能够更好的反映土壤侵蚀规律。土壤侵蚀量的主要影响因素由大到小依次是时间、流量、坡度和坡面形态,其中,时间和流量是影响坡面侵蚀量的特别显著因素,侵蚀量随着时间、流量以及坡度的增大而增大,起伏的坡面有利于土壤侵蚀。(3)坡面细沟流属于急流的范畴,弗劳德数的变化范围在0.95-1.57之间,雷诺数的变化范围在900-6500之间。当坡面流速较小时,坡面流更接近于层流,但随着流速的增大,雷诺数迅速增大,坡面流转化为紊流。弗劳德数和雷诺数均随着平均流速的增大显著增大。流量和坡度是影响弗劳德数和雷诺数的两个重要因素,流量的影响大于坡度的影响。(4)细沟演化过程实际上是坡面跌穴发育过程。流量、坡度、时间以及坡面形态对坡面跌穴的发育均有影响,但最主要的因素为冲刷时间和坡面形态,冲刷时间越长、坡面起伏度越大,流量越大,有利于坡面跌穴的形成;坡度越大,越不利于跌穴的形成。坡面起伏度越大,跌穴在坡面发育的范围越广。依据跌穴发育特征,将细沟侵蚀分为片蚀阶段、细沟雏形阶段、细沟发育阶段以及细沟调整阶段四个阶段。在细沟演化过程中,片蚀阶段和细沟雏形阶段相对短暂,而细沟发育阶段在细沟演化过程中占有重要地位,持续时间最长。(5)建立了细沟侵蚀模型,细沟侵蚀的临界条件为坡面水深。细沟水深随着流量、沟壁坡度的增大而增大,随着坡面坡度的增大而减小;流速均随着流量和坡度的增大而增大。坡面流可搬运土粒的直径随着坡面坡度、沟壁坡度以及细沟流量的增大而增大,随着内摩擦角增大而迅速减小。(6)当侵蚀速率大于零时,坡面侵蚀能力随着坡度的增大而增大;当侵蚀速率小于零时,坡面抗侵蚀能力随着坡度的增大先增大后减小,存在一个临界坡度θm,临界坡度一般在7°-24°之间,受内摩擦角的影响显著,随着内摩擦角的增大而增大。(7)提出了坡面细沟侵蚀启动流速公式,启动流速与床面颗粒粒径关系密切,颗粒越大,启动流速越大。
【关键词】：细沟侵蚀 水槽试验 正交试验 启动流速 侵蚀量 跌穴
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S157
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 选题背景及意义10-12
• 1.2 国内外研究进展12-18
• 1.2.1 细沟侵蚀影响因子研究12
• 1.2.2 细沟流水力学特性研究12-15
• 1.2.3 细沟流侵蚀动力特性研究15-16
• 1.2.4 细沟侵蚀临界条件研究16-17
• 1.2.5 国内外坡面细沟侵蚀研究存在的问题17-18
• 1.3 研究目标与内容18-19
• 1.3.1 研究目标18
• 1.3.2 研究内容18-19
• 1.4 研究方案19-21
• 1.4.1 研究方法19
• 1.4.2 技术路线19-21
• 第二章 正交试验设计21-34
• 2.1 正交试验简介21
• 2.2 正交试验设计21-23
• 2.3 物理模型设计23-34
• 2.3.1 模型比例尺的选择25-30
• 2.3.2 模型的制作与调试30-34
• 第三章 试验结果分析34-52
• 3.1 流速分析34-42
• 3.1.1 流速直观分析34-37
• 3.1.2 流速正交分析37-40
• 3.1.3 流速方差分析40-42
• 3.2 侵蚀量分析42-45
• 3.2.1 侵蚀量正交分析42-44
• 3.2.2 侵蚀量方差分析44-45
• 3.3 坡面流动力特征分析45-50
• 3.3.1 坡面流流态特征45-46
• 3.3.2 弗劳德数分析46-48
• 3.3.3 雷诺数分析48-50
• 本章小结50-52
• 第四章 坡面细沟演化规律研究52-63
• 4.1 跌穴的形成及发育特征52-57
• 4.2 细沟的演化过程分析57-59
• 4.3 跌穴与侵蚀量的关系59-62
• 本章小结62-63
• 第五章 坡面细沟侵蚀机理研究63-72
• 5.1 细沟侵蚀概化模型63-64
• 5.2 单颗粒起动分析64-66
• 5.3 土块的起动分析66-67
• 5.4 侵蚀速率与临界坡度67-69
• 5.5 坡面颗粒起动流速69-71
• 本章小结71-72
• 第六章 结论72-75
• 6.1 主要结论72-73
• 6.2 研究展望73-75
• 参考文献75-80
• 在学期间的研究成果80-81
• 致谢81

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本文编号：1104146