非恒定流、不平衡输沙条件下的矮堰基础冲刷机理研究

The scour depth at weirs is a key parameter for design. Existing scour predictors based on experimental data of steady flow and equilibrium sediment transport conditions may not be applicable to the prototype, as the unsteady flow and non-equilibrium sediment transport conditions are conventional in natural rivers. This project will study the scour process at weirs under unsteady flow and non-equilibrium sediment transport conditions through conducting flume experiments. The scour mechanism at weirs under unsteady flow and non-equilibrium sediment transport conditions will be analysed based on the flow field and bed profile data. The quantitative impacts of flood hydrograph parameters on the scour evolution at weirs will be evaluated, proposing a scour estimation method for weirs under unsteady flow and non-equilibrium sediment transport conditions. The research outcome of this project will clarify the scour mechanism at weirs under unsteady flow and non-equilibrium sediment transport conditions, providing theoretical foundation for the scour design and maintenance of weirs. The research methodology of this project can also be an example for future studies on the scour at other hydraulics structures under unsteady flow and non-equilibrium sediment transport conditions.

矮堰基础的冲刷深度关系到建筑物的稳定和安全，是重要的设计参数。现有的矮堰基础冲刷设计公式只基于恒定流、平衡输沙条件下的物理模型试验数据，无法适用于天然河流当中常见的非恒定流、不平衡输沙条件下的矮堰基础冲刷设计。本项目将利用水槽物理模型试验对非恒定流、不平衡输沙条件下的矮堰基础冲刷过程进行模拟。结合冲刷区域的地形、流场演变数据，分析非恒定流、不平衡输沙条件下矮堰基础冲刷的机理，量化洪水曲线特征参数和上游来沙量对矮堰基础冲刷空间尺度及其历时变化的影响，建立适用于非恒定流、不平衡输沙条件的矮堰基础冲刷尺度计算公式。研究成果将揭示矮堰非恒定流、不平衡输沙条件下的基础冲刷机理，为实际工程中常见的非恒定流、不平衡输沙条件下的矮堰冲刷防护设计和工程维护提供科学依据。该项目的研究方法和技术路线也可以为其他涉河建筑物在非恒定流、不平衡输沙条件下的基础冲刷研究提供参考。

矮堰是常见的河道整治建筑物，常用于壅高水位、降低流速、控制河床下切。矮堰基础冲刷关系其结构安全，是重要的设计参数。已有矮堰基础冲刷预测方法多基于恒定流和平衡输沙条件下的物理模型试验数据，无法适用于天然河流当中常见的非恒定流和不平衡输沙条件。本项目采用水槽试验与理论分析相结合的方法，探明了矮堰冲刷区域的流场演变特性，从水流角度深入揭示了矮堰的基础冲刷机理；揭示了泥沙补给对矮堰基础冲刷的影响规律，提出了适用于不平衡输沙条件的矮堰基础冲刷深度计算方法；揭示了水流非恒定性对矮堰冲刷的作用机制，提出了考虑水流非恒定特征参数的矮堰基础冲刷深度计算方法。本项目研究成果为天然河道中矮堰基础冲刷设计与防护提供了理论依据和方法支撑，发表相关学术论文11篇，其中SCI/EI收录7篇；获授权国家发明专利1项，获得美国土木工程师协会J.C. Stevens奖；在国内外学术会议做学术报告7次，其中大会特邀报告2次。