本文選題：沙波相似性　切入點(diǎn)：選沙相似律　出處：《武漢大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：沙波是河道水流與泥沙及河床耦合作用的結(jié)果,是推移質(zhì)泥沙運(yùn)動的重要形式,普遍存在于天然河道中。河工模型試驗(yàn)中沙波的相似性是模型水流、泥沙以及河床三者之間相互作用相似以及河床變形相似的重要前提,對于處于沖刷狀態(tài)河段的河工模型尤其重要。沙波相似性包括沙波幾何形態(tài)相似、沙波運(yùn)動相似以及沙波組成相似等等,但目前關(guān)于沙波的相似性等尚缺乏系統(tǒng)的研究。定量地、系統(tǒng)地研究不同條件下模型沙波相似性,以及模型沙粒徑比尺、重率、模型變率等因素對沙波相似性的影響規(guī)律,對深入理解沙波運(yùn)動的特點(diǎn)和規(guī)律,完善動床河工模型試驗(yàn)理論和方法具有重要的理論和實(shí)際意義。本文選擇模型沙波幾何形態(tài)相似進(jìn)行研究,采用實(shí)測資料分析、理論計算分析和室內(nèi)試驗(yàn)的方法較為系統(tǒng)的研究、分析了原型河道參與沙波運(yùn)動泥沙粒徑的變化,定量分析了不同條件下泥沙懸浮相似、起動相似或者其他相似律選沙所引起的泥沙粒徑比尺、起動流速和沉降速度的差異；試驗(yàn)研究了正態(tài)模型不同選沙方法沙波形態(tài)相似性,以及幾何變態(tài)、模型沙重率與原型沙重率對沙波形態(tài)相似性的影響,還基于實(shí)驗(yàn)資料,建立了沙波波高、波長的表達(dá)式。取得的主要認(rèn)識如下：(1)河道中沙波運(yùn)動的主體組成部分--床沙質(zhì)泥沙的最小粒徑(即床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)的分界粒徑)存在著復(fù)雜的時空變化。一方面,樞紐下游河道的沖刷使分界粒徑增大,且分界粒徑隨時間增加具有波動性；另一方面,樞紐下游河道分界粒徑沿程減小,但并非一致減小。甚至有些河段年內(nèi)分界粒徑也發(fā)生改變,非汛期的分界粒徑大于汛期分界粒徑。要準(zhǔn)確模擬床沙質(zhì),就必須充分考慮分界粒徑(床沙質(zhì)的分界粒徑)的時空變化。(2)按照懸浮相似、起動相似以及起動-懸浮相似粒徑比尺選沙的模型沙粒徑比尺、起動流速和沉降速度存在偏差,不同幾何比尺、相對重率比尺及幾何變率條件下,其間的偏差不同。對于正態(tài)模型,選擇輕質(zhì)沙時,可以一定程度上消弭不同相似律選沙所得粒徑比尺的差異,能起到兼顧懸浮相似和起動相似的作用；當(dāng)選用重質(zhì)沙為模型沙時,基于起動相似、懸浮相似和起動-懸浮相似得到的粒徑比尺偏差較大,難以同時滿足泥沙懸浮相似和起動相似。(3)當(dāng)模型沙與原型沙形狀、重率相同且模型為幾何正態(tài)時,滿足起動相似的沙波波高、波長及波寬的平均偏差不大于6%,即沙波幾何形態(tài)相似；若采用懸移相似率進(jìn)行模型選沙,則會導(dǎo)致模型沙波整體偏高、偏大,即難以滿足沙波相似；兼顧起動相似和懸移相似選沙時,其沙波波高、波長、波寬的偏離幅度居中,但沙波相似性依舊較差。因此對于沖刷為主的模型試驗(yàn),以起動相似進(jìn)行選沙能更準(zhǔn)確反映天然河道中床面形態(tài)的變化。(4)當(dāng)原型沙與模型沙重率相同、形狀相同,基于起動相似設(shè)計的正態(tài)模型試驗(yàn)時,不同幾何比尺模型沙波波高、波長、波寬的相似性均能較好的模擬原型沙波的幾何形態(tài),未受到幾何比尺變化的影響；模型幾何變率及模型沙的重率對沙波波高相似性并無明顯影響,但會引起沙波波長相似性出現(xiàn)偏差。當(dāng)模型基于懸浮相似設(shè)計且為變態(tài)時,采用重質(zhì)沙進(jìn)行試驗(yàn)可減小沙波波長的偏離程度,若采用輕質(zhì)沙,模型中的沙波的幾何形態(tài)會顯著偏大。(5)在分析沙波各影響要素的基礎(chǔ)上,引入沙粒無量綱參數(shù)D*、相對光滑程度h/D和水流相對輸沙能力T*,導(dǎo)出沙波波高、波長的無量綱關(guān)系式,并依據(jù)大量的試驗(yàn)資料,建立波高、波長的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。采用多家試驗(yàn)資料驗(yàn)證對比本文公式與現(xiàn)有沙波波高公式的適用性,結(jié)果表明,采用D*、h/D和T*建立的沙波波高波長公式具有相對較高的精度。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TV149

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本文編號：1684616