冲积河流河床阻力规律研究.pdf

摘要 摘要 作为泥沙运动力学与河流动力学的基本问题之一，冲积河流床面阻力的研究对相 关学科的基础研究有着尤其重要的推动作用。水流阻力广泛存在于天然河道、人工渠 道与各类水利工程之中，是河道整治与渠道工程设计的一个基本依据，其预报精度直 接影响河流、水库的计算洪水位，使其成为防洪、实际工程设计中的一个关键问题。 床面阻力规律研究无论是对基础学科的推动还是水利的促进及水害的防治都有着极其 重要的作用和意义。 本文基于阻力特性探讨了床面粗糙度的计算方法，推导出缓坡泥沙起动流速公式， 从单、复合影响因子角度分析了床面形态变化规律，对目前典型的床面形态划分方法 进行分析并提出新的判定方法，最后由粗糙度推导出了阻力系数计算式，并得出了不 同床面形态的阻力规律。主要结论如下： 1 （）床面粗糙度是动态变化的，既与床面泥沙级配有关，又与水流条件有关。基 于床面阻力特性，建立了以床沙中值粒径、非均匀系数、水力半径、床面坡降为变量 的床面粗糙度计算公式。经实测资料验证及采用均方差分析方法与现有的均匀沙公式 和非均匀沙公式计算精度比较可知，此公式既适用于均匀沙，也适用于非均匀沙，且 计算精度均高于其他学者。基于非均匀沙的粗糙度计算方法的计算精度明显高于基于 均匀沙的粗糙度计算方法。 2 （）将粗糙度计算方法引入近底部流速对数流速分布公式，采用泥沙滚动起动模 式，结合受力分析与水流脉动特性推导出缓坡泥沙泥沙起动流速公式。 （3）从单、复合影响因子角度分析床面形态变化规律，结果显示：沙纹的形成主 要但非完全产生于近壁流层内，沙纹形成与近壁流层相关性高于其他床面形态；平整 床面在中动情况下，会发生形态变化，就此提出平整床面上限临界值；低能态区床面 形态大多为缓流所形成；相对水深在低能态区及过渡区均值存在明显的递增趋势并在 过渡区达到最大值，在高能态区波动下降，于沙浪形态区达到最低值。 （4）由粗糙度推导出阻力系数计算式，确定阻力系数与弗汝德数的函数关系，进 而得出不同的床面形态的阻力规律。 关键词：粗糙度计算；阻力系数；床面形态判定；冲积性河流 I 西北农林科技大学硕士学位论文 目 录 摘要I ABSTRACTII 第一章 绪论1 1.1 选题目的及意义1 1.2 国内外的研究现状1 1.2.1 沙粒阻力研究1 1.2.2 床面形态形成机理与判定3 1.2.3 沙波阻力研究5 1.2.4 综合阻力研究8 1.3 研究内容及技术路线10 1.3.1研究内容10 1.3.2 技术路线11 1.4 本文的创新点12 第二章 基于阻力特性的粗糙度计算方法13 2.1 阻力系数定义及其关系13 2.2 粗糙度公式的建立14 2.3 公式验证及精度分析16 2.3.1 公式验证16 2.3.2 公式精度分析18 2.4 本章小结19 第三章 粗糙度在泥沙起动中的应用21 3.1 对数流速分布公式21 3.2 泥沙暴露角与相对暴露度21 3.3 泥沙起动流速公式推导22 3.4 公式验证24 3.5 本章小结25 第四章 床面形态影响因子分析26 4.1 床面形态单因子分析26 4.2 床面形态复合因子分析30 4.3 现有代表性判定方法检验31 4.4 新的判定方法35 IV