清水冲刷下非均匀卵石床面分选过程的理论与实验研究

发布时间：2020-10-23 10:28

　　研究山区河道中卵石推移质的运动规律对于进一步研究山区河流阻力规律,从而治理好山区河道具有重要意义。探讨河床的冲刷粗化机理是寻求河床冲刷深度,观测水位降低和河相变化的关键。在一定的水流条件下,卵石河床上的推移质的运动形式以滚动为主。由于不同粒径颗粒的移动距离不同,较粗颗粒移动距离短,较细颗粒移动距离长,床面泥沙将发生分选,最终冲刷稳定,在河床表面形成以粒径较粗的颗粒为主体的抗冲粗化保护层以限制河床继续冲刷。本文首先基于滚动力学模型,对颗粒的临界起动流速进行了分析,得到了颗粒起动流速公式,且用实测资料进行了验证。并运用数值求解的方法求解了卵石颗粒滚动运动的力学模型,绘出了不同情况下卵石颗粒滚动运动的运动轨迹,并得到了单步运动参数如单步运动步长和单步运动时间的数学表达式和期望值。然后,讨论了相对暴露度概率分布对颗粒起动的影响。据此将颗粒整个滚动过程划分为起始步和持续步,推求出了颗粒持续滚动概率,发现持续滚动概率仅是水流流速和颗粒粒径的函数,并求出了颗粒单次运动的统计规律及其与单步运动之间的关系。进一步推导出了非均匀卵石床面经清水冲刷后的级配计算公式,并通过一个实际算例计算出了不同时间不同河床段经冲刷后的级配变化情况以及冲刷稳定后的级配曲线。本文的理论成果适用于卵石的滚动运动,为研究卵石河床的分选过程提供了一种理论计算方法,该计算方法简易可行,计算结果与其他学者的研究成果基本一致。最后,进行了两次卵砾石河床经清水冲刷的物理模型实验,观察了不同河道中不同组成成分的卵砾石床面在清水冲刷下的分选粗化现象,并将上述提出的理论公式与实验实测资料进行对比验证,结果误差较小,较为可信。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TV142
【部分图文】：

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则颗粒A在到达颗粒B的最高点之前即有可能获得足够大的离心力而使之脱离不动颗粒B，因此可根据具体脱离点的位置将单步滚动过程分为接触步和自由步。具体的脱离点位置即图2-1中接触点法向反力 0的位置，由颗粒A所处床面位置和水流底速决定。不失一般性，将卵石颗粒概化为球形。由于本文建立的模型为二维模型，所以卵石颗粒可视为圆盘形。在水流作用下，卵石颗粒的基本滚动过程如图2-1所示：图2-1 卵石颗粒单步滚动过程由图2-1可知，本章的卵石滚动的理论模型是基于卵石颗粒的半接触滚动建立的，即在水流作用下卵石床面滚动颗粒A先紧绕不动颗粒B做接触滚动，随后于某点（不一定是颗粒B的最高点）脱离颗粒B进入自由运动，最后在自身重力作用下落回床面

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第 2 章卵石单步滚动模型的建立9图2-2 卵石颗粒单步滚动过程当卵石颗粒A做接触滚动时，受到的主要作用力有水流拖曳力、水流上举力、水下重力 ′、离心力 ( )2、颗粒A与颗粒B接触点的法向反力和切向反力、竖向运动阻力以及颗粒A在流体中做加速运动引起的附加质量力。此外，在泥沙颗粒运动时，由于颗粒旋转会产生一种叫马格纳斯效应的作用力，这种效应会在一定程度上产生一部分上举力，不过由于粒径较大的卵石颗粒在床面上受到的上举力比较大，而由于颗粒滚动运动产生的旋转速度却并不是很大，因此在研究粒径较大的卵石颗粒滚动运动时可忽略这种效应，但是在研究粒径较小的沙或是砾石的跃移运动时，由于在水流作用下的旋转速度较大，因此则不能忽略马格纳斯效应。以上各力表达式如下所示： 2212bD Du uF C A D (2-1) 2222bL Lu uF C A D (2-2) 33'SW A gD(2-3)24322mdF A Ddt (2-4)2 222yCA D v (2-5)其中

受力图,自由运动,受力图,接触点