堆积体作用下水流水力特性变化试验研究

河道中存在堆积体时,水流水力特性将会改变。为分析堆积体不同阻水作用下的作用机理,进行水槽试验。通过对床面比降、堆积体尺度和上游来流条件的控制,研究不同堆积体尺度条件下的水位变化,分析堆积体对附加比降的影响,探讨堆积体附近水流流态的变化规律。结果表明:河道比降相同时,流量越小、堆积体尺度越大,壅水高度和影响范围越大。其他条件相同时,随着河道比降的增大,水流从缓流向急流发展,附加比降值随堆积体尺度的增大而增大;但达到急流条件后,水面附加比降随堆积体尺度增大反而有减小的趋势。     

堆积体对不同比降河流壅水影响研究

河流中大型堆积体的存在,引起河道局部过流面积的减小,从而导致上游壅水,引起上游局部河段水位抬高,在堆积体附近则产生局部较大的附加比降,造成水位的急剧跌落。通过水槽试验研究了不同堆积体尺度条件下的河道壅水影响特性。探讨了不同主河道河道比降(水动力条件)下的最大壅水高度、附加比降的变化规律。结果表明:相对壅水高度随堆积体尺度增加而加大,与主河比降存在正相关关系,但进入急流以后,比降影响将削弱。对试验资料进行参数拟合,给出了不同水动力条件下的相对壅水高度与阻水率间的相互关系。分析了急、缓流条件下堆积体阻水特性在物理机制上的差异。     

堆积体作用下的河道冲淤规律

受地震、暴雨的影响,破碎的山体易发生滑坡、泥石流等,在河流岸边形成堆积体,改变了河道水流边界条件,引起堆积体附近的河道冲淤变化。本文通过动床水槽试验,结合前期堆积体定床试验研究成果,研究了堆积体附近河床变形与堆积体附近流速分区的对应关系,探讨了不同来流条件下受不同堆积体作用的河道冲淤范围、最大冲坑位置等的变化规律。得到以下主要认识：(1)受堆积体作用,靠近堆积边缘线略下游侧一般将形成明显的冲坑,淤积主要则集中在堆积体下游回流区;（2）河道的冲淤范围随堆积体尺度和来流流量的增加而增大;（3）堆积体附近水流的挤压,绕流掺混是形成堆积体附近河床变形的主要原因,水流的扩散调整则影响冲坑出现的位置。（4）最大冲淤位置主要受流量影响,而最大冲淤位置的间距则主要受堆积体尺度的影响。     

嘉陵江与长江交汇水流顶托效应特性研究

干支河流交汇是河流水系发育与演化的重要形式,在河流交汇区常发生水流顶托现象。水流顶托显著影响着干支流交汇区水位、水面比降及床面切应力特性,从而制约着交汇区水沙运动特性及河床演变过程。本文以嘉陵江与长江交汇区为例,基于实测资料与不同组合干支来流的数值模拟结果,突出分析了不同干支来流条件下典型区域水位、水面比降及床面切应力变化特性,结果表明嘉陵江对长江的顶托作用随汇流比的增大而增大,长江上游水面比降随汇流比增大而减小,床面切应力随汇流比增大而减小。     

嘉陵江与长江交汇水流顶托效应特性研究

干支河流交汇是河流水系发育与演化的重要形式,在河流交汇区常发生水流顶托现象。水流顶托显著影响着干支流交汇区水位、水面比降及床面切应力特性,从而制约着交汇区水沙运动特性及河床演变过程。以嘉陵江与长江交汇区为例,基于实测资料与不同组合干支来流的数值模拟结果,突出分析了不同干支来流条件下典型区域水位、水面比降及床面切应力变化特性,结果表明嘉陵江对长江的顶托作用随汇流比的增大而增大,长江上游水面比降随汇流比增大而减小,床面切应力随汇流比增大而减小。     

受堆积体影响的河道3维水流结构试验研究

通过水槽试验研究了河道在堆积体影响下的三维水流结构,采用ADV测量了堆积影响河段的三维流速,分析表明：断面纵向最大流速从堆积体段逐渐偏向右岸,且逐渐向河床底部移动,往下游又逐渐上升并恢复至天然状态。主流受收缩加速影响,越过堆积体后,呈水跃流态。受堆积体挤压流路和水流惯性的影响,主流流速在靠近堆积体略下游位置出现最大值。横向流速在堆积体段出现了正负值交替,某一水深处的流速为零,在该水深的上层,水流偏向堆积体岸流动,在该水深的下层,水流偏向右岸流动,上下层水流出现了反向流动,同时垂向流速在堆积体段也出现了正负值交替,表明在试验段水流呈类螺旋流流态。受堆积体作用,水流从表层到床面不等宽收缩,在堆积体段水流呈逆时针螺旋流与纵向水跃交互作用,水流呈复杂的三维状态。     

陡坡沟道强输沙汇口堆积形态演变试验研究

基于系列模拟试验,研究了在强降雨条件下陡坡沟道强输沙过程在河道交汇区形成的堆积体演变特性。结果表明：堆积体的发育过程同沟谷主流位置变化同步,主流变化的次数与雨量呈正相关,与雨强呈负相关。堆积体的长度和厚度与降雨量呈正相关,各纵断面比降变化规律受堆积体附近水流结构（壅水区、回流区及高流速区）的影响,即沿沟口轴向断面的比降最低,左右两侧的断面比降最大。受试验中堆积体为多次发育的影响,沟口纵断面易形成多元堆积体结构;最后,堆积体的特征纵剖面呈锲形,而横剖面多呈现多峰状态。     

建桥对长江中下游不同特性河段的水流运动影响

基于边界拟合良好的曲线网格上建立的平面二维水流运动数学模型,以长江中下游不同河段为例,针对不同特性河段,系统地分析了桥梁建筑物对于河道洪水位、流速等要素的影响程度及其变化规律.研究结果表明,河道流量越大、洪水位越高、不同桥型桥墩阻水率越大,建桥后河道壅水值、壅水范围以及流速变化值、变化范围也越大;相同流量及相同桥墩阻水率情况下,河道水面纵比降越大,建桥后桥墩附近壅水及流速变化最大值越大,但壅水及流速变化影响范围却相对较小.研究成果可为工程初步选址以及设计提供技术参考.     

山区变比降河道卵砾石溯源淤积的数值模拟

山区河床组成多为宽级配卵砾石颗粒、沿程河床比降陡缓相接,受泥沙补给及水流过程影响,不同河段冲淤变化复杂多变,溯源淤积引发山洪现象频繁发生。为探究泥沙补给条件的变化对于山区河流河床冲淤变形以及水位变化的影响,作者以变坡陡比降河道为研究对象,通过计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元(discrete element method,DEM)耦合的方法对不同来水来沙条件下典型山区河道中卵砾石的溯源淤积过程进行了数值模拟,并将计算结果与室内水槽试验结果进行了比对。计算结果表明:强输沙水流由陡比降河道进入缓比降河道后,泥沙一旦在下游发生淤积,便会迅速向上游传播,进而导致河床大范围淤积抬高。溯源淤积的起始位置,发展速度以及淤积床面的厚度与上游泥沙补给强度、水流速度、颗粒粒径等因素有关,来流流量越小、泥沙补给强度越大,溯源淤积的起始位置越靠近河道上游,淤积发展速度越快,淤积床面厚度越小。泥沙淤积会导致淤积段沿程水位显著升高,在淤积锋面处,水位变动最为剧烈,水位增加明显,随着溯源淤积的继续发展,该位置处的水位会稍加回落并且趋于稳定。由此可见,山区河流泥沙补给条件的改变对于河床变形以及水沙灾害具有重大的影响,为揭示山洪泥沙灾害的致灾机理提供了理论基础。     

单株植被河道水力特性影响研究

为研究单株植被对河道水力特性的影响,在分析河道水力特性研究方法有关文献资料的基础上,设计并进行了相关的水槽试验.研究表明,水流流量越大,同一株植被所受的水流阻力越大;流量相同时,阻力随着植被刚度的增大先增大后保持平稳;单株植被在同一流量下,作为挺水植被时比作为淹没植被时对水力特性的影响大.但总体说来,单株植被对水流产生的水力特性改变较小,经验公式的建立还需要进一步的试验才能得出.     

降雨条件下土体坡度及含水率对边坡稳定性影响的试验研究

通过对坡度分别为30°、38°、45°的3种土坡进行人工降雨试验,对沿坡面的5个等分观测点进行土坡滑动位移及含水率的观测,并在各土坡靠近坡面的相同位置选取土样进行UU三轴试验,测算出相应的粘聚强度,并对试验过程中采集到的数据进行分析处理,探究土坡滑动的影响因素之间的内在机理。试验结果表明,在试验研究的坡度及含水率范围内,土坡稳定性的影响因素间存在以下规律:坡度较小的土坡沿坡面各分观测点竖向位移变化较小,而坡度较大的土坡竖向位移变化较大,且在上中部位置下滑更为明显;坡体的泥流率与坡度之间存在线性关系,坡度越大,泥流率越大;坡面各分观测点的含水率整体水平与坡度有关,坡度越小,则降雨后含水率越大,且在坡面中下部位置处的含水率变化更大;同等含水率的情况下,随着坡度的增加,土体粘聚强度有增长的趋势。而对于同坡度的土坡而言,含水率越小,则粘聚强度越大。针对试验中发现的规律,通过数值模拟提出了试验降雨条件下“坡度-泥流率”、“坡面位置-含水率”和“含水率-粘聚强度”的关系式。     

基于非饱和大孔隙流双重介质模型的浸水边坡水力响应数值模拟

受地形限制,大量公路、铁路等常出现沿库与沿河线,水位变化是引起库岸滑坡的重要因素。目前边坡渗流研究多集中在非饱和均匀流,对大孔隙边坡非平衡流方面研究仍显滞后。为此,以福建省某一典型库区边坡为例,对比了水位上升时考虑非饱和渗流和非饱和大孔隙流时边坡水分场和稳定系数随时间的变化规律,并分析了水位上升速率（v）、大孔隙域水力传导系数（Ksf）、两域交界处水力传导系数（Ksa）、土粒中心至大孔隙边界距离（a）、大孔隙体积占比（wf）等对大孔隙边坡稳定系数的影响规律及权重。研究结果表明：水位上升中,非饱和渗流下边坡内部基质域含水率明显小于非饱和大孔隙渗流下边坡内部基质域含水率。非饱和渗流条件下边坡浅层向内的水力坡度明显大于非饱和大孔隙流边坡且大孔隙边坡中相同位置基质域含水率远大于大孔隙域（最大达18.9倍）。两种渗流工况下,边坡稳定系数随水位上升均呈现先减小后增大的趋势,并于同一水位（在最高蓄水位高程的一半附近）同时达到最小值。相同渗流工况下,且考虑非饱和大孔隙渗流边坡比考虑非饱和渗流边坡稳定系数更小。增加v、Ksf、a、wf或减少Ksa,坡内两域间水分交换减弱,水分将快速运移至坡体深处,引起地下水位上升,促使边坡稳定性最大降幅达17.7％。v、Ksf和wf对边坡稳定影响占权重较大且相当,Ksa和a所占权重较小且约为前者一半。     

明渠扩散段急流运动特性及调控方法研究综述

依据文献分析了有限宽度水槽突然扩散、固定扩散角渐变扩散、无边界平板扩散和急流扩散4种典型明渠扩散段水流的共同流动特征.给出了有限宽度水槽突然扩散段水流宽度的沿程发展规律,以及在平底明渠急流扩散段设计时,为防止水流脱离的扩散角计算方法和突然扩展区急流扩散的边界方程;通过不同底坡比降的试验和原型资料分析,论述了陡坡扩散区水深沿程变化特点、沿程各断面横向分布规律,介绍了陡坡上水平扩散角的计算方法与扩散角最大值的存在.通过大扩散角水槽试验,发现在扩散段不同流态的过渡水流现象及稳定性不一样.上游来流为急流时,下游水跃进入扩散段就是水流失稳、主流偏转的开始;采用潜没式三角翼可以防止扩散段回流发生,提高过流均衡性.     

基于阻力原理的稳定河流几何形态判定方法研究

受上游来水来沙条件影响,自然河道通过自我冲淤调整,常形成稳定的几何形态。稳定河流几何形态设计在工程应用中十分重要,稳定断面有利于水沙输移,且避免河道冲淤平衡破坏发生。本文系统分析了达西水流阻力梯度沿程变化,表明阻力梯度主要作用于三方面：河道深度调整,河道宽度调整,河道坡降调整。若调整宽度与深度的概率为线性关系,可推导出稳定河流几何形态关系式。在泥沙输移作用下,总能坡可分解为两部分,清水对应能坡和泥沙运动产生的附加能坡,其中,清水对应能坡可采用清水河道达西阻力表达式计算,泥沙输移附加能坡,可利用实测资料推求。通过分析含有总坡降的河道几何形态表达式,指出未知函数与坡降的0.3次方呈线性关系,而指数则与参数关系明显,随着参数的增大而呈现减小的趋势。利用收集的野外实测数据确定了这些未知变量,并给出了相应的求解表达式,该表达式不仅适用于沙质河道,还适用于砾卵石河道。以大量野外实测数据与室内试验数据对比分析,本文提出的稳定河道几何关系计算方法具有很高的精度。     

局部水头损失对明渠非均匀流水面曲线的影响

对于有局部阻碍的明渠恒定非均匀流，考虑局部水头损失后的水面曲线变化的研究目前比较少，局部水头损失的表达式也不统一。这不仅不便于统一确定局部水头损失系数，也不便进行考虑局部水头损失后的明渠恒定非均匀流水面曲线变化规律的定性分析。通过对缓坡明渠上的水面曲线进行试验和数值计算研究发现，当水流通过局部障碍物时，缓坡明渠水面曲线为有局部下降的a1型壅水曲线。     

核电站重要厂用水泵叶片磨损对其性能的影响

为研究叶片磨损对重要厂用水泵水力性能、内流特性等的影响,应用CFD 软件基于标准k?ε 湍流模型,通过数值计算方法对重要厂用水泵进行定常与非定常计算,分析叶片不同程度磨损下蜗壳流道内水力性能、内流特性、压力脉动的情况。结果表明:叶片磨损会使叶轮流道内湍动能增加,局部产生低压区;随着磨损程度的增加,低压区逐渐向叶轮流道内扩散并最终至全部流道,使重要厂用水泵流场运行不稳定,扬程、效率降低,磨损5/20 时扬程和效率与未磨损时相比均降低1.2%;随着磨损程度的增加,压力脉动的波形变得紊乱,轴频幅值仅次于主频,且越来越高,开始占据主导地位;频域图中,峰值随着磨损程度的增加逐渐上升,说明叶片磨损使泵内流动变得不稳定,波动加剧。     

雪卡水电站长引水渠道的水力瞬变计算

在雪卡水电站长引水渠道的水力瞬变计算中,应用一维明渠非恒定流方程及其相应的初边界条件,通过数值求解进行电站长引水渠道各种工况运行下的水力设计,并进行了复核计算.重点研究了在机组增、甩负荷时,瞬变运行状况下的非恒定流运动,对工程是否采用溢流侧堰进行了对比计算,得到了电站各种运行工况下渠道瞬态水面线、流速、前池侧堰的溢流过程线等,为合理确定渠道断面尺寸、比降、前池大小、侧堰宽度、堰顶高程及压力钢管进口高程等提供了依据.比设计《规范》提供了更全面、更合理的水力信息,又弥补了水工模型试验模拟长距离输水的缺陷,建议在同类工程中推广使用.     

非均匀流与颗粒组成对管涌影响的试验研究

管涌的发展是个复杂的过程,受多种因素的影响,本文针对水流条件和试样颗粒组成两个因素进行了管涌发展的砂槽模型试验研究,观察并分析了两种典型的非均匀水流条件和三种试样颗粒组成下管涌发生发展的过程。试验结果表明,水流发散时,管涌口流量较小,管涌破坏的临界水力梯度大,侵蚀速度慢,侵蚀发生前试样内的水力梯度沿着水流发散方向逐渐减小;反之,水流汇聚时,管涌口流量大,管涌破坏的临界水力梯度小,侵蚀速度快,侵蚀发生前试样内的水力梯度沿着水流汇聚方向逐渐增大。此外,在相同的水流条件下,当试样中的细颗粒越粗时,管涌发生的临界水力梯度越大,管涌通道发展的速度也就越慢。     

长江中游四大家鱼产卵场河段形态与水流特性研究

为了研究长江中游四大家鱼产卵所需的水流环境,采用数值模拟的方法对产卵河段的形态特征和水流特性进行了量化分析.通过统计和对比研究了4类产卵河段的能量坡降、水流流态、动能梯度、能量损失和弗劳德数等水力特性,分析了水力要素在典型断面上的分布特点.研究结果表明:四大家鱼产卵的河床形态比较特殊,能量坡降具有明显的2维特性;水流流态复杂多样;水流流经产卵河段后能量损失较大;河段横断面上的动能梯度和弗劳德数数值较小.以期为四大家鱼产卵场水流环境的保护提供理论基础和技术参考.