强水流作用下推移质泥沙输移规律研究

Intense flow occurs commonly in dam break processes with the characteristics of strong shock pressure and strong erosion capacity. In this study, flume tests are proposed to be carried out to study the flow structure and bed load movement characteristics under different conditions of intense flow. Based on theoretical analysis, the mechanism of energy conversion of bed load sediment collision is quantitatively investigated, and the bed load transport formula is established with the unsteady and non-uniformity flow characteristics being considered simultaneously, which can make up for the applicability defect of the traditional researches. Then, the continuum theory of two-phase flow and principles of mechanics are adopted to construct the bed load disequilibrium transport equation, which can effectively reflect the characteristics of the solid-liquid mixture and describe the mechanism better than the existing researches. Furthermore, the above research achievements are introduced into water and sediment mathematical models which are modified and applied to study the bed load sediment transport processes at typical intense flows. The expected research achievements will contribute to the bed load transport theory and provide technical support to prevention from disaster and mitigation in dam breaks.

强水流常见于堤坝溃决过程中，具有强冲击性、强冲刷性等特点。本项目拟通过水槽试验，研究不同强水流条件对水流结构、推移质输沙率的影响；通过理论分析，定量表征泥沙颗粒碰撞的能量转化，同时考虑水流的非恒定、非均匀性的影响，建立强水流作用下的推移质输沙率公式，该研究将揭示强水流输沙的能量转化过程、克服传统推移质输沙率公式不适用于强水流条件的不足；在此基础上，采用力学原理和两相流的连续介质理论相结合的方法，建立强水流作用下推移质不平衡输沙方程，该方程能充分反映强水流输沙过程中固液混合体的特性，在机理上更加完善。此外，将研究成果引入到水沙数学模型中，对典型强水流作用下的推移质输移过程进行模拟研究。本项目的预期成果有助于完善和丰富推移质输移理论，也可为堤坝溃决中的防灾减灾提供技术支撑。

强水流是一种常见的自然现象，具有强冲击、强冲刷和强输沙能力等特点。它经常发生于堤坝溃决过程中，造成非常严重的后果。进行强水流作用下推移质输移规律的研究是水沙动力学领域的前沿问题，具有重要的科学价值和工程意义。本项目通过水槽试验、理论分析和数值模拟相结合的方法开展研究，研究成果主要包括：（1）溃坝强水流作用下，河床表层泥沙根据不同特征可分为三个区域：第一区域为河床粗化区，第二区域有为小颗粒泥沙沉积区，第三区域为粗颗粒泥沙沉积区。（2）强水流作用下床面推移质泥沙粒径垂向上呈明显分层现象，粗颗粒泥沙层和细颗粒泥沙层交替分布。（3）强水流作用下床面剪切力与r/D具有明显的线性关系，强水流的推移质输沙率受水力半径与泥沙粒径比值的影响明显。（4）强水流作用下床面不同沙波之间的几何形态自相似主要受限于沙波的波长和波高。（5）考虑泥沙颗粒的碰撞作用，建立了强水流作用下推移质输沙率公式以及不平衡输沙方程。（6）设计了非接触式推移质输沙率的测量装置并提出了测量方法。本项目的部分研究成果已应用于望谟河的整治和成子河泄洪道交汇区的流态的研究，为实际工程提供了参考。