模型沙波相似性初步研究

发布时间：2018-03-30 05:41

本文选题：沙波相似性　切入点：选沙相似律　出处：《武汉大学》2016年博士论文

【摘要】：沙波是河道水流与泥沙及河床耦合作用的结果,是推移质泥沙运动的重要形式,普遍存在于天然河道中。河工模型试验中沙波的相似性是模型水流、泥沙以及河床三者之间相互作用相似以及河床变形相似的重要前提,对于处于冲刷状态河段的河工模型尤其重要。沙波相似性包括沙波几何形态相似、沙波运动相似以及沙波组成相似等等,但目前关于沙波的相似性等尚缺乏系统的研究。定量地、系统地研究不同条件下模型沙波相似性,以及模型沙粒径比尺、重率、模型变率等因素对沙波相似性的影响规律,对深入理解沙波运动的特点和规律,完善动床河工模型试验理论和方法具有重要的理论和实际意义。本文选择模型沙波几何形态相似进行研究,采用实测资料分析、理论计算分析和室内试验的方法较为系统的研究、分析了原型河道参与沙波运动泥沙粒径的变化,定量分析了不同条件下泥沙悬浮相似、起动相似或者其他相似律选沙所引起的泥沙粒径比尺、起动流速和沉降速度的差异；试验研究了正态模型不同选沙方法沙波形态相似性,以及几何变态、模型沙重率与原型沙重率对沙波形态相似性的影响,还基于实验资料,建立了沙波波高、波长的表达式。取得的主要认识如下：(1)河道中沙波运动的主体组成部分--床沙质泥沙的最小粒径(即床沙质与冲泻质的分界粒径)存在着复杂的时空变化。一方面,枢纽下游河道的冲刷使分界粒径增大,且分界粒径随时间增加具有波动性；另一方面,枢纽下游河道分界粒径沿程减小,但并非一致减小。甚至有些河段年内分界粒径也发生改变,非汛期的分界粒径大于汛期分界粒径。要准确模拟床沙质,就必须充分考虑分界粒径(床沙质的分界粒径)的时空变化。(2)按照悬浮相似、起动相似以及起动-悬浮相似粒径比尺选沙的模型沙粒径比尺、起动流速和沉降速度存在偏差,不同几何比尺、相对重率比尺及几何变率条件下,其间的偏差不同。对于正态模型,选择轻质沙时,可以一定程度上消弭不同相似律选沙所得粒径比尺的差异,能起到兼顾悬浮相似和起动相似的作用；当选用重质沙为模型沙时,基于起动相似、悬浮相似和起动-悬浮相似得到的粒径比尺偏差较大,难以同时满足泥沙悬浮相似和起动相似。(3)当模型沙与原型沙形状、重率相同且模型为几何正态时,满足起动相似的沙波波高、波长及波宽的平均偏差不大于6%,即沙波几何形态相似；若采用悬移相似率进行模型选沙,则会导致模型沙波整体偏高、偏大,即难以满足沙波相似；兼顾起动相似和悬移相似选沙时,其沙波波高、波长、波宽的偏离幅度居中,但沙波相似性依旧较差。因此对于冲刷为主的模型试验,以起动相似进行选沙能更准确反映天然河道中床面形态的变化。(4)当原型沙与模型沙重率相同、形状相同,基于起动相似设计的正态模型试验时,不同几何比尺模型沙波波高、波长、波宽的相似性均能较好的模拟原型沙波的几何形态,未受到几何比尺变化的影响；模型几何变率及模型沙的重率对沙波波高相似性并无明显影响,但会引起沙波波长相似性出现偏差。当模型基于悬浮相似设计且为变态时,采用重质沙进行试验可减小沙波波长的偏离程度,若采用轻质沙,模型中的沙波的几何形态会显著偏大。(5)在分析沙波各影响要素的基础上,引入沙粒无量纲参数D*、相对光滑程度h/D和水流相对输沙能力T*,导出沙波波高、波长的无量纲关系式,并依据大量的试验资料,建立波高、波长的经验关系式。采用多家试验资料验证对比本文公式与现有沙波波高公式的适用性,结果表明,采用D*、h/D和T*建立的沙波波高波长公式具有相对较高的精度。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV149

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