河床砾石破碎磨蚀试验

在山区河床上,砾石的滚动、滑动和跳跃反复进行流下时,因破碎现象直径变小,产生河卵石与细小的泥沙,它将影响评价拦截泥沙设施的效果。2010年日本学者小菅尉多等人就此项研究提出河床砾石的破碎磨蚀现象相关问题。结果表明:封闭滚筒式试验机做破碎磨蚀试验河床砾石的质量减少率高的是泥岩,燧石。减少率低的是花岗岩与安山岩。粒径大旋转时冲撞力大,破碎率高;粒径小且硬度大的部分破碎难。旋转滚筒内部投入砾石是滚动及滑动,没有跳跃。过大的评价了破碎磨蚀现象。用水槽进行的破碎磨蚀试验,其流动形态与实际河流类似。根据Stemberg法则,可对试验质量减少率与河流实际质量减少率进行变换。     

黄河中游粗泥沙集中来源区界定研究中粗泥沙界限的确定

针对黄河粗泥沙界限问题,介绍了粗泥沙界限0.05 mm的由来,利用下游河床质钻孔资料分不同时段研究主槽淤积物粒径组成,利用输沙率平衡法计算下游河道不同时段的区间淤积比和排沙比,利用小浪底水库运用以来下游河床质淤积物钻孔资料分析淤积物粒径变化。依据1960年以前天然情况下、对长系列资料分析结果显示、小浪底水库运用以来的黄河下游主槽淤积物中d≥0.10 mm的泥沙淤积特点,确定应以0.10 mm作为黄河中游粗泥沙集中来源区界定研究中的粗泥沙界限。     

关于河流源头沙砾堆积地泥石流流动特性的研究

世界上的许多国家都在研究泥石流的发生、发展规律,用以往的泥石流构成状况来解释泥石流的发生过程。日本学者今泉文寿先生将上游河床存在数米厚沙砾堆积物的易发泥石流山谷作为研究对象,研究河流源头沙砾堆积地发生泥石流的流动特性。研究结果为:孔隙流体间的水面到沙砾移动层的表面时,不会发生泥石流。在河床坡度为28°-30°的陡坡泥石流在流动时,有侵蚀和堆积现象,在其河床流动中的泥石流质量浓度比即将流动的泥沙质量浓度低。对其石砾堆积的现象,在其河床流动中的泥石流泥沙质量浓度比即将流动的泥沙质量浓度高。只用VTR图像或超音波水位计的观测,只能得到关于泥石流表面的情况,但不能了解泥石流内部的结构。     

旋流排沙渠道排沙特性试验

旋流排沙渠道是基于旋转水流的特点提出的一种水沙分离新技术,为明确不同来流条件对旋流排沙渠道排沙特性的影响,该研究通过物理模型试验探究了来流流量、来流流速、泥沙级配及下游渠道水力条件下旋流排沙渠道的排沙、余沙及淤沙特性,分析了其截沙率变化规律。结果表明,当来流条件改变时,旋流排沙渠道的排沙特性发生规律性变化,在来流流量增加或流速增加或来沙中值粒径减小情况下,旋流排沙渠道的排沙量减小,余沙量增加,其中改变来流流量对截沙率的影响最为明显,最大变幅为16.3%。不同水沙条件下0.075～0.315 mm细颗粒泥沙的排沙量及余沙量均存在较大差异,且下游渠道余沙均以该粒径区间的泥沙为主,而粒径>0.315～3.0 mm泥沙的排除效果受水沙条件改变的影响极小。排沙洞内泥沙淤沙量随来流量和泥沙中值粒径的增加而增加,而随流速的增加而减少,但各水沙条件下最大淤沙量仅为来沙量的2.6%。在渠道下游设置挡水板后,旋流排沙渠道的排沙性能得到进一步提升,提高了粒径>0.16～0.315 mm泥沙的排除效果,与不设挡水板相比截沙率增加了4.6个百分点,也改善了排沙洞内的泥沙淤积问题。旋流排沙渠道具有良好的泥沙分选效果,能有效排除高含沙水流中的粗颗粒泥沙（在不同水沙条件下最小截沙率为76.9%）,从而减少了泥沙对渠道下游设施的影响,因此工程中可通过优化流量、流速、下游水力条件等提升旋流排沙渠道的排沙特性。研究明确了不同水沙条件下旋流排沙渠道的适用性,成果可为其在工程中的设计和应用提供参考。     

沙粒粒径对水力机械材料磨蚀性能的影响

对于运行于多泥沙河流的水力机械而言磨蚀问题不可避免,磨蚀会造成水力机械过流部件失重、变形,带来效率下降、维护成本增加等问题。目前针对磨蚀破坏机理的研究尚不完善,该文利用旋转喷射磨蚀试验装置对4种水力机械常用材料进行5种不同沙粒粒径下的磨蚀试验,借助扫描电镜及激光共聚焦扫描电镜对试件磨蚀表面进行二维和三维形貌观察,探究沙粒粒径对水力机械材料磨蚀破坏失效行为的影响规律及作用机理。结果表明:沙粒粒径为0.043、0.147及0.248mm时,试件磨蚀累计质量损失与时间呈线性相关,而粒径为0.349与0.449mm时质量损失与时间满足Gauss函数关系;沙粒粒径会影响试件的磨蚀特征,粒径为0.043 mm时试件表面磨蚀破坏主要为沙粒的垂直冲击磨损与空蚀,无明显水平方向的切削磨损,粒径为0.147、0.248、0.349及0.449mm时试件表面的磨蚀破坏以水平方向的切削磨损和空蚀破坏联合为主,并伴有一定量的垂直冲击磨损;通过分析4种材料的磨蚀特征,发现磨蚀质量损失与粒径大小二者之间存在强相关区与弱相关区的关系。该研究可为合理控制水力机械过流粒径大小及制定抗磨措施提供参考。     

应用简易泥沙取样器测定泥沙滞留时间

防灾,保护环境,重要的是掌握河床堆积物的动态。从事生态、环境保护、地球化学、地形学等学科的研究,以河床堆积物为试材的生物调查等,几乎都是采取抽样方法。而抽样方法各具特色。2011年日本学者福山泰治郎等人研制出一种能在河床表面与砾石的间隙中用静水吸引法收集细小泥沙的简易取样器。并与其它取样方法比较,细小泥沙量的比率明显增加,50%粒径与75%粒径没有明显差异。同时,测得河床细小泥沙的放射性核物质7Be、210Pb的浓度,计算出浮游沙与河床堆积物的滞留时间(从降水中的7Be、210Pb到被土壤粒子吸附,从坡面侵蚀再输移到河道,从试材取样地点到下游取样地点经过的时间)分别为143.265 d,264.391 d。     

华北土石山区坡面溅蚀和片蚀泥沙颗粒特征研究

基于野外人工模拟降雨试验,研究3种降雨强度(35,65,100mm/h)、2种坡度(5°,15°)和3种植被盖度(0%,30%,80%)条件下,溅蚀和片蚀泥沙颗粒的粒径动态分布特征,及其与降雨强度、坡度和植被覆盖度的关系,揭示表层土壤团聚体在侵蚀过程中的破碎机制。结果表明,2种侵蚀方式下的泥沙颗粒主要集中在0.1~0.002mm粒级范围内,显著高于其它粒级颗粒含量。在溅蚀泥沙颗粒中0.1~0.05mm粒级颗粒含量较高,而片蚀泥沙颗粒中0.02mm粒级颗粒含量较高,溅蚀泥沙颗粒的平均重量直径均大于片蚀泥沙颗粒。对比泥沙颗粒粒径的变化特征,溅蚀泥沙颗粒中粗砂粒(2~0.25mm)和细砂粒(0.25~0.05mm)含量逐渐减少,粉粒(0.05~0.02mm)和粘粒(0.002mm)含量逐渐增加,而片蚀泥沙颗粒中砂粒(2~0.05mm)含量呈增加趋势,粘粒(0.002mm)含量呈减小趋势。2种侵蚀方式下不同粒径泥沙颗粒与坡面径流深和径流量的相关性分析表明,泥沙颗粒粒径分布与地表产流过程密切相关。同时,雨滴击溅侵蚀泥沙颗粒的分形特征与侵蚀土壤的相对机械破碎指数有关,能够有效预测侵蚀过程中降雨和径流对坡面土壤团聚体的分选特征。     

泥沙矿物成分对混凝土材料磨蚀的影响

中国多沙河流居多,水流中泥沙是由不同矿物成分（石英,长石,白云石等）组成,含沙高速水流中泥沙矿物成分对泄洪建筑物混凝土材料磨蚀有何影响令人关注。该研究在自主研发的小型循环式水洞中,对不同含沙量的泥沙矿物成分进行试验研究,以揭示泥沙矿物成分对混凝土材料磨蚀破坏影响的机理。首先在循环式水洞内配制不同矿物成分（石英、长石、白云石、云母、辉石）、不同含沙量（S=2.5,12.0,20.0 kg/m³）的挟沙水流,利用压力数据采集系统（YE6263）实时采集空化区和磨蚀区压力;其次,试验采用强度相同的混凝土试件,在相同粒径、不同含沙量、不同矿物成分工况下,进行历时4 h的磨蚀试验,通过试件每小时的质量损失来表征磨蚀量。试验结果表明：在中值粒径为 0.150 mm,喉部流速为 38.6 m/s的条件下,随着矿物含沙量（2.5～20.0 kg/m³）的增加,空化区压力降低,磨蚀区压力升高,压力降、升幅度随矿物成分而异,空化磨蚀现象严重,试件累积磨蚀量与矿物含沙量呈线性相关。含沙量相同时,空化区测点压力随矿物摩氏（Mohs）硬度（2.5～7.0）的增大而降低,磨蚀区测点压力则随矿物硬度的增大而升高;混凝土试件配合比、龄期不变时,混凝土试件的磨蚀程度随矿物含沙量的增加而加剧,其磨蚀量增加一倍多,与矿物成分有关;当矿物硬度增加时,磨蚀程度也随之加剧,磨蚀量成倍增长。由此得出,泥沙矿物成分随其含沙量的增加和硬度的增大,对水流空化和混凝土磨蚀具有促进作用。该研究可为农业水利工程中泄洪建筑物（溢洪道、泄洪洞、消力池等）及渠系建筑物的设计和维护提供参考。     

用边际分析法确定黄河中游粗泥沙集中来源区

 为进一步寻找并治理对黄河下游主槽淤积危害最严重的粗泥沙集中来源区,根据1960年未建三门峡水库前自然水沙条件下下游河槽淤积物粒径组成,确定出黄河中游粗泥沙集中来源区界定中的粗泥沙界限为0.1mm。利用边际分析法在黄河中游多沙粗沙区确定粗泥沙集中来源区面积为1.88万km2。该面积仅占黄河中游多沙粗沙区面积的23.9%,可产生的全沙、粒径大于0.05mm和0.1 mm的泥沙分别占同期多沙粗沙区相应沙量的34.5%、47.6%和68.5%。由此看出,该区是名副其实的粗泥沙集中来源区。     

依据河床比降、河宽的侵蚀模拟

评价预测泥石流泛滥区域和沟壑坝系等防御泥石流措施效果,最有效的方法是数值模拟。2009年日本学者铃木拓郎等人具体研究了伴随坡度变化、河床束窄区域及坝系工程的泥沙堆积过程。其结论:在侵蚀与堆积初期,在坡度变化点的下游发生侵蚀与堆积。在同等的水与泥沙总供给量、流量、持续时间的条件下,侵蚀与堆积过程在短时间内,由大流量供给,在下游有泥沙侵蚀与堆积现象。在固定坡度的条件下,河道宽度变化时,首先在狭窄部位上游发生堆积后,下游发生侵蚀,并慢慢上朔,最终出现全部发生侵蚀的结果。泥石流在冲击坝体的瞬间,泥沙急剧的堆积。流量变大,堆积坡度变小,坝下游的泥沙流出相应提前,更多的泥沙向下游流出。模拟结果符合现实发展的自然规律。     

敦煌阳关西土沟流域高含沙洪水河道入渗特征分析

为明确无控制性工程地区的洪水入渗过程,提高洪灾防治能力和洪水资源化利用程度。选取敦煌阳关西土沟流域下游高含沙洪水河道,通过野外试验和实验室样品测定,测算了该河道下游上段到下段河床断面不同压力水头下的导水率,拟合得到饱和入渗速率,并通过实验室测样得到不同深度的饱和入渗速率,分析河床断面不同位置和不同深度土层的饱和入渗速率的变化规律。结果表明:饱和入渗速率:上段(0.003 1 cm/s)中段(0.002 9 cm/s)下段(0.002 6 cm/s);0—120 cm不同深度的饱和入渗速率上段大于中下段,中段和下段不同深度饱和入渗速率差异较小。整体上,河床两侧饱和入渗速率随深度的增加呈增大趋势,河床中心饱和入渗速率随深度增加呈减小趋势,主要是高含沙洪水流动时泥沙沿程分选沉积造成的。粗颗粒泥沙先沉积,细颗粒泥沙后沉积导致的上下段泥沙沉积层的孔隙度差异引起饱和入渗速率在河床断面和上下段以及不同深度的变化规律。由不同压力水头下测定的地表入渗速率来表征不同洪水水位下的入渗速率,经过趋势拟合发现随洪水水位升高,地表入渗率呈线性增长。     

泥沙粒径与含沙量对迷宫流道滴头堵塞的影响

为探明泥沙粒径与含沙量对内镶片式斜齿形迷宫流道滴头的堵塞过程和原因,采用筛分法,分选出6个小于0.1 mm的粒径段,配制成不同含沙量的浑水,在恒压条件下,采用周期性间歇灌水试验观测流量变化,通过电镜扫描法观测堵塞泥沙结构。试验结果表明:粒径为0.075≤D0.1 mm和0.03≤D0.038 mm的泥沙易引起滴头堵塞;粒径为0.038≤D0.05和D0.02 mm的泥沙较难引起堵塞,且含沙量变化对堵塞的影响较小;粒径0.02≤D0.03 mm和0.05≤D0.075 mm的堵塞情况介于上述两者之间。当含沙量为1.2~1.3 g/L时,是最易引起堵塞的临界含沙量。当0.038≤D0.1 mm时,泥沙在流道内不易形成团聚体,造成滴头堵塞的原因是泥沙沉降、堆积;当D0.038 mm时,泥沙易在流道中凝结成大的团聚体,是造成滴头堵塞的主要原因。     

砾石覆盖沙床防风蚀效果风洞实验

利用风洞实验测量不同风速、不同砾石覆盖度、不同砾石粒径等条件下砾石覆盖流沙床面的防风蚀效果。研究结果表明:裸露沙床的风蚀速率随风速的增大呈指数规律变化;当覆盖度大于15%时,砾石覆盖对沙床能起到很好的防风蚀效果,在26m/s风速下,不同粒径砾石的风蚀防护率均超过60%;随着覆盖度的增加风蚀防护率逐渐增加,当覆盖度大于55%时,风蚀防护率基本稳定;同一覆盖度和砾石粒径条件下,风蚀防护率随风速的增加而降低,当风速超过18m/s时,变化幅度比较明显;同一覆盖度和风速条件下,风蚀防护率随着砾石粒径的增加而逐渐降低。     

砾石含量及粒径对崩岗崩积体渗透特性的影响

为探讨砾石对崩积体渗透性的影响,采用环刀法对不同砾石含量及粒径条件下崩积体入渗特性的变化进行研究。结果表明:(1)0%,10%,20%,30%砾石含量崩积体进入稳渗时间在9~10min之间,40%,50%砾石含量崩积体进入稳定时间在19~20min之间。(2)相同粒径砾石条件下,崩积体的初渗率、稳渗率、平均入渗率及入渗量随砾石含量的增加而增大;含2~3,3~5,5~10mm砾石崩积体的入渗参数在10%,20%,30%砾石含量时变化不大;当砾石含量为40%时,入渗参数随着砾石粒径的增大而减小;当砾石含量为50%时,含3~5mm砾石的崩积体的入渗参数最小。(3)Kostiakov公式拟合更适合模拟崩积体的入渗模型。     

砾石对石灰土表面干缩裂隙发育特征的影响

[目的]研究砾石粒径及含量对石灰土表面干缩裂隙发育特征的影响,为探索喀斯特地区的水土流失机理提供参考依据。[方法]通过室内模拟试验和数字图像处理技术,研究了砾石粒径(2.0～5.0 mm和5.0～12.5 mm)和砾石含量(0%,10%,20%,30%,40%)条件下的石灰土表面干缩裂隙特征。[结果]①无砾石石灰土平均表面裂隙率仅为3.03%,含砾石石灰土具有更大的表面裂隙率,在大粒径(5.0～12.5 mm)高含量(40%)条件下,表面裂隙率最大,达到8.66%;②当砾石含量增加时,裂隙的形态变得细小且密集,小粒径砾石会使裂隙网络更复杂;③大粒径(5.0～12.5 mm)条件下的土壤表面裂隙率与砾石含量成正线性相关,而小粒径(2.0～5.0 mm)条件下的裂隙率与砾石含量成负线性相关;④砾石会成为裂隙发育的基点,每个砾石颗粒周围都有可能产生围绕砾石或是向外延伸的裂隙。且在砾石形态的棱角处,容易产生向外延伸的裂隙。[结论]石灰土中存在砾石会导致表面裂隙率提高,弱化土体的抗侵蚀能力,是石漠化治理不容忽视的问题。     

皇甫川流域综合治理对河道冲淤变化影响的研究

皇甫川系黄河的一条多泥沙河流,至1997年底流域治理度达28.2％。水土保持综合治理对削减中小洪水水流动量的作用明显,河流中的中粗粒径泥沙所占比重变小,细粒径泥沙所占比重增大。减水幅度与减沙幅度不同,河道断面未发生大的调整。水土保持蓄水拦沙和减轻黄河泥沙淤积的作用,为深化流域综合治理提供了理论依据。     

三门峡库区淤积物粒径分析

在黄河中游粗泥沙集中来源区界定研究中,粗泥沙界限的确定必须分析三门峡库区淤积物的粒径组成。采用河床质法、钻孔取样法和沙量平衡法等,分别对三门峡库区淤积物粒径进行了分析,结果表明:大于等于某粒径(0.025mm、0.05 mm)的泥沙含量沿河道向上游递增;主槽淤积物颗粒比滩地淤积物颗粒粗;潼关以下及北洛河库区淤积物颗粒较细,潼关以上黄河干流及渭河库区淤积物颗粒较粗;随着泥沙粒径的增大,其占淤积物总量的百分比逐渐减小。     

黄河中游粗泥沙集中来源区界定研究

通过黄河下游多断面、多钻孔、深层次泥沙淤积物取样级配分析,认为在1960年三门峡水库运行前,下游河道主槽淤积物中0.1 mm以上泥沙占一半。以0.1 mm为粗泥沙集中来源区界定研究中的粗泥沙界限,0.1 mm的粗泥沙输沙模数1 400 t/(km2.a)为粗泥沙集中来源区界定指标,界定出黄河中游粗泥沙集中来源区面积为1.88万km2。该区面积仅占黄河中游多沙粗沙区面积(7.86万km2)的23.9%,但该区产生的全沙量、d≥0.05 mm和0.1mm的粗泥沙量分别占多沙粗沙区相应输沙量的34.5%,47.6%和68.5%,说明该区是名符其实的产粗泥沙“大户”,是当前黄河粗泥沙“源头”治理的重中之重。     

排土场不同复垦方式下砾石对饱和导水率和贮水能力的影响

露天煤矿排土场是由矿井下采出的煤矸石,露天矿剥离的表土、岩石及覆土共同组成的松散土石混合堆积体,其内部含有的砾石对土体导水性能和贮水能力有重要影响,以往关于砾石对土壤水分的影响多集中于自然土壤,缺乏对排土场、弃渣场等土石混合工程堆积体的水文-侵蚀过程研究.以海州露天煤矿排土场为研究对象,基于野外调查采样和室内定水头入渗试验,研究了排土场不同复垦方式下土体砾石分布特征及其对饱和导水率和贮水能力的影响,以期为提高矿区水土资源利用效率提供理论依据.结果表明,不同复垦方式下排土场砾石总量随土层深度呈现增加的趋势,并且土体剖面砾石总量的平均值表现为农用地最小,这可能是由频繁耕作导致,不同土层之间砾石总量无显著差异;排土场土体不同粒径砾石相对含量平均值的大小顺序为(2~10 mm)>(>20 mm)>(10~20 mm),表现为大粒径砾石在各种因素的综合作用下正逐渐变为细粒径;排土场土体饱和导水率均表现为灌木林地最高,农用地和荒草地较低;饱和导水率与各粒径砾石含量之间呈极显著线性正相关,且随着砾石粒径的增大其相关性越强;排土场土体贮水能力各指标均以灌木林地和荒草地最强,乔木林地和农用地最差,并且饱和贮水量与各粒径的砾石含量之间均存在显著或极显著的相关关系,最大滞留贮水量与各粒径的砾石含量之间均呈现显著的幂函数相关关系,最大吸持贮水量与粒径2~10 mm砾石含量之间存在显著抛物线相关关系;对于>20 mm的粒径而言,影响土壤贮水能力的砾石含量阈值为14%.     

不同复垦方式排土场砾石对饱和导水率和贮水能力的影响

露天煤矿排土场是由矿井下采出的煤矸石,露天矿剥离的表土、岩石及覆土共同组成的松散土石混合堆积体,其内部含有的砾石对土体导水性能和贮水能力有重要影响,以往关于砾石对土壤水分的影响多集中于自然土壤,缺乏对排土场、弃渣场等土石混合工程堆积体的水文-侵蚀过程研究。以海州露天煤矿排土场为研究对象,基于野外调查采样和室内定水头入渗试验,研究了排土场不同复垦方式下土体砾石分布特征及其对饱和导水率和贮水能力的影响,以期为提高矿区水土资源利用效率提供理论依据。结果表明,不同复垦方式下排土场砾石总量随土层深度呈现增加的趋势,并且土体剖面砾石总量的平均值表现为农用地最小,这可能是由频繁耕作导致,不同土层之间砾石总量无显著差异;排土场土体不同粒径砾石相对含量平均值的大小顺序为(2~10 mm)(20 mm)(10~20 mm),表现为大粒径砾石在各种因素的综合作用下正逐渐变为细粒径;排土场土体饱和导水率均表现为灌木林地最高,农用地和荒草地较低;饱和导水率与各粒径砾石含量之间呈极显著线性正相关,且随着砾石粒径的增大其相关性越强;排土场土体贮水能力各指标均以灌木林地和荒草地最强,乔木林地和农用地最差,并且饱和贮水量与各粒径的砾石含量之间均存在显著或极显著的相关关系,最大滞留贮水量与各粒径的砾石含量之间均呈现显著的幂函数相关关系,最大吸持贮水量与粒径2~10 mm砾石含量之间存在显著抛物线相关关系;对于20 mm的粒径而言,影响土壤贮水能力的砾石含量阈值为14%。