河湾坡岸无粘性均匀沙起动机理及防护研究

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河湾在自然界中分布广泛,河湾坡岸的泥沙运动对防洪、航运和河流生态等方面有重要影响。本文通过理论分析和模型验证,对河湾坡岸均匀沙的起动机理进行了研究,取得了以下主要研究成果: (1)建立了河湾河床和坡岸任意位置的水面横比降、水面纵比降、水面超高和自由水面高程的计算表达式;讨论了河湾纵向流速的垂线分布规律,阐述了河湾环流的形成机理,推导了河湾河床和坡岸纵向流速的沿程分布公式和横向环流的沿水深分布公式,采用试验资料对公式的合理性和可行性进行了验证,计算值与试验值总体吻合:从三维紊动流速的概率分布、紊动强度和紊动切应力的垂线分布等方面分析了河湾水流紊动特性,得出了紊动特性的某些统计规律。 (2)阐述了河湾坡岸均匀沙的起动机理,分析了均匀沙的暴露度、起动受力情况和起动模式,讨论了本文利用滑动平衡模式建立起动流速公式的理论依据,利用滑动平衡模式分别建立了顺直河道床面和坡岸、河湾床面和坡岸均匀沙起动流速公式,并采用实测资料对所建立公式的可靠性进行了验证,结果较为理想。 (3)借助模糊数学方法,推导得出了考虑水流紊动影响和起动水平时的均匀沙起动流速公式,确立了基于滑动平衡模式所建立的起动流速公式中水流紊动参数七的取值,探讨了均匀沙起动流速随起动水平的变化情况。 (4)统一了用确定性方法和随机性方法所建立的顺直河道床面和坡岸、河湾床面和坡岸的均匀沙起动流速公式:通过理论推导分别建立了基于剪切力和水流功率的均匀沙起动临界条件,并对基于起动流速、剪切力和水流功率所建立的均匀沙起动临界条件进行了统一,得出了它们之间的相互转换关系。 (5)讨论了均匀沙的起动规律,提出了起动核和起动带的概念,推导了河湾床面和坡岸相对剪切力的计算公式,得到了河湾各位置与进口断面的均匀沙起动流速之间的关系,绘制了河湾床面和坡岸的均匀沙相对起动流速等值线图。 (6)基于试验结果解释了河湾坡岸的侵蚀机理,讨论了河湾坡岸横向冲刷宽度和纵向冲刷深度,以及孔隙水压力、静水总压力、渗透动水压力和河湾坡岸稳定性安全系数的计算方法,总结归纳了河湾坡岸的主要防护措施。
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