受河道断面形状和边壁影响的山区大比降河流阻力特性试验研究

Bed incision extends upstream through headward erosion, increasing bed slope, destabilizing bank slopes and increasing erosion. It may have extensive negative impacts on local infrastructure and environment, such as undermining of bridge piers, scouring roads adjacent to the river and potentially damaging riparian vegetation, which in turn induces further disasters such as toppling, landslide and debris flow.Therefore, it is essential to control stream incision to prevent or mitigate its effects. Understanding the friction factor of steep slope mountain river channels is very important for investigating the stream incision. Applying the related theory of fluvial mechanics, mechanics of sediment transport and stochastic theory, this project aims to measure the velocity profiles, turbulence intensity profiles and other flow structure factors, uncover the mechanism of energy dissipation, and finally establish the physical model of friction factor of mountain river channels. Experiments will be carried out to obtain a new and independent set of data in smooth and rough open channels and to test the effects of bed slope,cross-sectional shape,bed roughness,bed material arrangement,wall(b/h) and roll waves on resistance of mountain river channels. Based on the experimental data, a new method for dealing with all the effect factors in steep slope mountain river channels will be developed and presented.The research results will be good for the important issues concerning national economy and social development including flood and debris flow control, channel training, urban hydraulic engineering construction and floodplain exploitation。

河床侵蚀下切是山区河流滑坡、崩塌、泥石流等灾害发生的重要内因，而在防.止灾害的河道修复中，河道阻力系数无疑是一个非常重要的参数， 在河道修复模型方案的.确定中一个重大的难题也是河道阻力系数的选择问题。本课题以流体力学、河流动力学、河.床演变学以及随机理论为基础，研究山区大比降河流垂线流速分布、水流紊动结构、能量和.动量的损失机理以及这些因素彼此之间的内在联系，从而建立山区大比降河道阻力的物理图.像。通过开展五种坡度、四种断面类型、光滑和粗糙两种床面的系列阻力试验，系统研究山.区大比降河流中，过水断面、河道坡度、床面泥沙分布排列状况、水深与床面泥沙直径比值.h/d 以及滚波五种因素对于达西阻力系数的影响。通过模型试验、原型观测与资料分析，探.索物理力学模式，最终建立能够反映这五种因素的适用于山区大比降河道的达西阻力系数统.一表达式，为山区河流的防洪减灾、河道整治以及河流修复等提供理论与技术支

本项目针对动床和定床两种情况，系统地进行了山区河流水流流速分布、紊动强度、摩阻流速以及阻力等方面研究。针对定床河道，建立了适用于粗糙和光滑床面的垂线流速分布公式，与传统的对数公式比较发现，在床面处流速计算值为0，在水面处其导数为0，计算精度更高物理机制上更加合理化；建立了适用于整个流区（层流区、紊流区以及过渡区）内的达西阻力系数统一表达式；试验研究了大比降阻力问题，研究发现在大比降明渠流中，传统的达西阻力系数计算公式都不适用了，这时的阻力系数要比普通明渠流大。当雷诺数一定时，无论是层流区还是紊流区，随着坡降的增大，达西阻力系数呈现增大的趋势。另外，与普通坡降河道不同，大比降河道床面粗糙度对阻力影响明显，无论是层流区还是紊流区，粗糙床面阻力系数明显比光滑床面的要大；采用植被糙率尺度的概念，建立了松散排列泥沙床面的糙率尺度kv表达式，利用实测数据得出了含有松散排列泥沙颗粒床面河流达西阻力系数表达式，对于常见的普通河流而言，本文得到的达西阻力系数公式仍然具有很高的计算精度；系统地分析了矩形、三角形以及圆形三种河道断面的阻力规律；系统研究了1<H/d50<10情形下的水流流速分布规律，此时对数分布公式计算值偏小。紊动强度也不符合传统的指数分布规律，由于孔隙介质流的存在，主流向紊动强度大大降低了；当水深H与河床泥沙粒径d50比值满足H/d50≤1时，水流主要在泥沙空隙当中运行，这时的河床称为透水河床，水流运动方式与孔隙介质流相似，因此此种情况下的水流阻力可以利用Ergun方程来描述；针对水流挟带泥沙的情形（动床）。首先研究了泥沙颗粒的起动规律，建立了修正的Vanoni希尔兹曲线辅助线；针对山区大比降卵石河道的河床组成，利用天然卵石为定床，对水流携带泥沙后阻力的变化进行了试验研究，当水流挟沙时，水流阻力可能增大、减小或不变；基于爱因斯坦对水力半径的划分概念，本项目研究了沙波存在的情况下河流摩阻流速计算公式，为工程应用提供了便利。