射流冲沙研究

作者通过实验和分析，研究了横流中加入平面冲击射流对防止局部泥沙淤积的影响。水槽实验中观测了水射流局部紊动强度变化、射流冲沙范围内局部紊动剪应力分布、泥沙不淤积临界断面的底部垂向紊动强度和射流强度与泥沙防淤尺度的关系。得出了射流影响区水流紊动能随距离的衰减规律和保持泥沙不淤积所需的水流临界紊动强度。统计分析了射流强度与紊动能的变化关系。根据泥沙悬浮理论和射流紊动输沙机理，建立了水射流局部无泥沙淤积长度经验计算式，并以不同特性泥沙的射流输沙实验资料对所建立的计算公式进行了验证，二者吻合良好。     

淤积条件下污水排放口工程上升管喷口高度的确定

结合上海市污水治理二期工程实例，利用泥沙运动相似理论，通过水力模型试验，从环境泥沙淤埋在上升管喷口上的最不利条件出发，分析喷口射流对泥沙的冲淤规律，提出喷口射流冲淤临界流速的概念；对试验数据进行相关分析，得出喷口射流冲淤的经验关系式，提出浅水域淤积条件下污水排放口工程上升管喷口高度确定方法.     

圆形射流冲刷疏松淤沙的研究

结合城市污水海洋处置工程的研究，通过模型试验，研究和探讨了水平圆形射流冲刷淤埋喷口的疏松淤沙的规律，根据试验现象，可将圆形射流对淤沙的冲刷过程分为三个阶段，即泥沙初始流化阶段，泥沙完全流化阶段和形成稳定、清晰的冲刷坑阶段。通过量纲分析和对试验数据进行回归分析，分别提出了圆形水平射流在静水环境下对淤埋喷口的疏松沙冲刷的临界射流冲淤流速、冲刷坑尺寸计算的经验公式。     

基于Flow-3D的水平射流冲刷泥沙数值模拟

为了模拟分析闸口水平射流对下游泥沙冲刷的全过程,基于水工模型试验,采用Flow-3D软件中的泥沙冲刷模型结合RNG模型和FAVOR方法,进行了水平射流冲刷固定底板下游泥沙的模拟试验。根据原水工模型条件,结合模型试验结果,对冲刷过程中的水面线、流速分布、冲坑深度和堆丘高度进行了对比分析。结果显示,数值模拟与原试验结果中水面线和流速分布吻合度很高,冲刷过程中的冲坑深度与堆丘的高度也很接近。分析了冲刷过程中的泥沙运动,模拟了不同粒径泥沙的冲刷过程并将结果进行对比,发现达到冲刷平衡阶段时冲坑深度与堆丘高度随泥沙粒径的增大而减小,该结论符合理论分析,证明该软件中泥沙模型可用于物理试验中的有关变量分析。     

射流坡度控制结构的下游冲刷

建立在二维射流扩散和泥沙颗粒稳定基础上的坡度控制结构下游局部冲刷的理论研究已由试验得到验证。紊动射流的扩散将会降低接近河床泥沙颗粒的水流流速。当冲坑中的无粘性泥沙颗粒不能被冲走时,便达到了冲刷平衡状态。平衡冲刷深度可认为是流速、水深及泥沙粒径的函数。从理论上推导出来的公式与文献中所报道的回归方程极其吻合。试验采用了大型物理模型,其单宽流量达2.5平方米每秒。冲刷深度超过1.4米。结合以前小型试验组的数据,得到了包括从附壁射流到垂直射流,从小淹没射流到大淹没射流,以及各种控制射流坡度情况下的总计231个试验冲深数据。考虑了所研究的种种射流型式,冲深的理论计算结果与试验测定结果的吻合程度是令人满意的。     

射流坡度控制结构的下游冲刷

建立在二维射流扩散和泥沙颗粒稳定基础上的坡度控制结构下游局部冲刷的理论研究已由试验得到验证。紊动射流的扩散将会降低接近河床泥沙颗粒的水流流速。当冲坑中的无粘性泥沙颗粒不能被冲走时,便达到了冲刷平衡状态。平衡冲刷深度可认为是流速、水深及泥沙粒径的函数。从理论上推导出来的公式与文献中所报道的回归方程极其吻合。试验采用了大型物理模型,其单宽流量达2.5平方米每秒。冲刷深度超过1.4米。结合以前小型试验组的数据,得到了包括从附壁射流到垂直射流,从小淹没射流到大淹没射流,以及各种控制射流坡度情况下的总计231个试验冲深数据。考虑了所研究的种种射流型式,冲深的理论计算结果与试验测定结果的吻合程度是令人满意...     

平面淹没射流垂直冲刷泥沙试验研究

射流在水利工程中作为冲沙手段已有较广泛的应用,冲刷过程的射流冲坑特性与泥沙悬浮特性均是衡量冲刷效果的重要指标。通过改变射流速度、喷射靶距、泥沙粒径,进行了平面射流冲刷沙床的系列试验。结果表明:冲坑与泥沙的悬浮尺寸随时间均呈现快速增长期、缓慢发展期和动态稳定期3个发展阶段,在此过程中,泥沙悬浮尺寸会出现峰值,最终在某一数值上下波动;总体上冲坑深度与泥沙悬浮尺寸随射流速度和喷射靶距的增大而基本呈线性增大,短时间(1 s)内靶距的增加对冲坑深度的影响较小;冲坑深度与泥沙悬浮尺寸随粒径的增大有所减小;冲刷参数可以用来综合衡量射流的冲刷能力,随着射流冲刷参数的增大,无量纲化的冲坑深度、悬沙高度和悬沙宽度均呈线性增长趋势。     

引黄工程输水系统有压隧洞泥沙冲淤计算分析

应用有压管道水力计算理论和一维非均匀不平衡输沙计算公式建立管道泥沙冲淤计算模型，并采用克诺罗兹临界流速公式对管道中是否产生淤积进行判断，将模型应用于引黄有压管道3^#、4^#隧洞的计算，其结果与用临界流速进行的淤积判断结果比较，定性是上合理的，但因缺乏管道泥沙的实测资料，定量上的准确程序有待于实施引水后检验。     

三峡库区细沙输移运动状态的水槽试验研究

三峡库区内淤积泥沙均属细颗粒泥沙范畴,运动规律较为复杂。依靠传统泥沙理论即以挟沙力为判断标准,所得冲淤情况与实际观测情况有所出入,需进行进一步研究。在三峡库区典型淤沙河段——皇华城河段现场观测的基础上,通过水槽试验研究库区细颗粒泥沙的运动特点,对不同水深流速下细颗粒泥沙的运动状态进行归类整理,发现其淤积过程可根据水深与流速的不同划分为3个区域,即冲刷区、相对平衡输送区及淤积区,并指出用流速作为判断细沙输移状态的标准更符合库区实际冲淤情况。     

射流作用下不同沙床动态冲坑变化规律的试验研究

基于泥沙动力学和射流冲刷理论,对粗沙沙床和中沙沙床在某一流速下进行不同靶距的淹没射流实验,通过高速摄像机捕捉动态冲坑在短时间内的发展变化,分析了在前10s和前1s内的坑深发展规律。并将前1s等分成24个时间段分析其细微变化。结果表明:冲坑深度在前10s内基本呈对数规律发展;射流冲刷刚开始时中沙沙床冲坑深度的发展趋势有时滞后于粗沙沙床;冲坑深度随时间有先增加后减小的趋势,在此流速下存在一个最优靶距。此实验的研究成果在疏浚工程施工作业时具有一定的参考价值。     

Simulation of the flow field and scour evolution by turbulent wall jets under a sluice gate

This numerical study of scour process tested the skills of computational fluid dynamics in modeling the unsteady flow field during the scour development stage by two-dimensional turbulent wall jets under a sluice gate. The modeling was found to well describe the experimentally observed flow patterns, that is, the main jet diverged to a returning jet and a tail jet. The model also correctly predicts the evolution of the scour depth and length. We examined the self-similarity of the profiles of scour bed and overlying velocities throughout the entire scour development and equilibrium stages. We found self-preserved profiles of velocities and scour beds using local jet parameters. Four growth curves were compared in describing the temporal evolution of scour depth. Finally, non-dimensional scaling of the equilibrium maximal scour depth was investigated. We used the theory of wall jet, and suggested that a modified jet Froude number can be used to predict the equilibrium scour depth, which accounts for the attenuation of the jet velocities along the apron.     

垂直射流冲刷砂床的喷嘴间距试验研究

疏浚工程中常利用射流进行河道清淤和冲砂施工。为探究喷嘴间距对射流冲刷的影响,开展了一系列不同靶距、速度和间距的双喷嘴冲刷粗砂、中砂砂床试验,分析了冲刷坑形、冲坑深度和冲坑截面积的变化特性,得到了各工况下的最优喷嘴间距L_B和不利喷嘴间距L_N。结果表明,对于同一粒径砂床,改变靶距和速度冲刷时的L_B和L_N值变化较小,而与粗砂砂床相比,冲刷中砂砂床时的L_B和L_N值均有所增加。研究成果可供疏浚工程中射流系统设计作为参考。     

冰盖下桥墩局部冲刷随时间变化的试验研究

在寒冷地区,河道中冰盖的存在会改变河道流速分布。与明流条件相比,冰盖条件下水流最大流速点会向河床移动,加剧桥墩周围的局部冲刷。过度的局部冲刷会导致桥梁倒塌。基于水槽清水冲刷试验,对冰盖与明流条件下圆柱型桥墩局部冲刷随时间的变化进行了研究,试验结果表明：冰盖下桥墩局部冲刷速率大于明流。平衡冲刷深度比明流条件下的约大12%,且冲刷平衡所需时间比明流条件下的要约大10%。分析了水流强度与无量纲冲刷深度的关系以及冰盖与明流条件下冲刷深度变化速率的差异,给出了冰盖下局部冲刷深度随时间变化的经验方程,研究成果可供实际工程参考。     

Engineering application of submerged water jets for sediment removal in a tidal riverbed

Sediment deposition problems have attracted the interest of engineers and researchers. Several experimental studies have been conducted on scour depth using turbulent jets. However, field observation and monitoring have rarely been reported. This study aimed to eliminate sediments on a tidal riverbed using a prototype device, which consisted of a set of submerged vertical water nozzles and submerged horizontal air nozzles. The effectiveness of the water jet in sediment removal during spring and neap tides was evaluated. The quantitative relationships of dimensionless parameters, such as (1) the relative sediment scour volume versus the number of flows from the jet exit, (2) the relative sediment scour volume versus the relative scour depth, and (3) the relative scour size versus the relative jet intensity, were analyzed. The results showed that the freshwater flowing to the sea affected the sediment scour volume during the falling cycle of spring tides. In contrast, the rising cycle of spring tides retarded the freshwater flow, resulting in a decrease in the sediment scour volume. A steep water surface slope accelerated the river flow and further influenced the cross-flow current around the study area. As a result, a highly diffusive turbulent flow was produced, causing suspended sediments to be rapidly removed from the scour hole center. An increase in the number of flows from the jets led to intensified diffusion of turbulent energy into the flow. The rapidly varying water depth caused jet energy to be dissipated before approaching the riverbed, and it significantly affected the scour process during the spring-tide period. The proposed equations can be used to estimate the scour volume, scour size, and re-suspended sediments in tidal rivers within defined ranges of parameters.     

冰盖下桥墩局部最大冲刷深度试验研究

冬季寒冷的北方河流易形成冰盖或冰塞,冰盖的存在对桥墩附近局部冲刷产生影响。在清水冲刷条件下,试验研究了有无冰盖条件下,不同流速和水深对桥墩附近局部冲刷的影响。研究结果表明：对比明流条件,冰盖的存在导致更大的近底流速和近底流速梯度,从而桥墩局部最大冲刷深度更大;其它条件相同的情况下,随流速的增大,桥墩局部最大冲刷深度增大;随着桥墩墩径增大,桥墩局部最大冲刷深度增加;水深增加时桥墩局部最大冲刷深度相对减小。根据试验数据,给出了有冰盖条件下桥墩局部最大冲刷深度的计算公式,与国内外相关试验数据吻合较好。     

Effect of vegetated-banks on local scour around a wing-wall abutment with circular edges

Failure of bridges due to local scour in the vicinity of bridge abutments is a common occurrence. In this study, experiments under two different channel conditions were conducted to assess the impacts of vegetation on channel banks on local scour around a wing-wall abutment with circular edges. Some experiments were conducted in channel with vegetation on channel banks, and other experiments in channel without vegetation on channel bank. The flow velocity and Reynolds stress distributions in scour holes around a wing-wall abutment with circular edges were compared under these 2 different channel conditions. Results reveal that the vegetated-banks can reduce the time for achieving the equilibrium condition from 17 h to 9 h. Also, vegetated-bank channels can result in a significant decrease in the maximum scour depth from 0.084 m（for bare channel bank） to 0.00032 m. Additionally, around the abutment, vegetated-banks play a significant role in diminishing the Reynolds stress（RS） near the bed and removing negative values in RS distribution by weakening unfavorable pressure gradient and down-flow in the upstream of abutment.     

岸边并联泄洪洞下游河道冲坑预测

挑流水舌对下游河道的冲刷关系到工程安全。根据动量方程推导了射流在下游水垫中的扩散规律,分析了下游水垫流速对射流扩散的影响,提出了动水垫下射流的临底流速计算方法。研究结果表明:动水流速增加了射流在水中的扩散距离,促进了射流扩散及射流流速衰减,降低了射流临底流速。将研究结果应用于白鹤滩岸边泄洪洞下游河道的冲坑深度预测。模型试验结果表明:在鼻坎水流参数相同的情况下,河道中水流为动水时的冲坑深度较静水时冲坑深度减小约10%,且位于河道下游侧的挑流水舌形成的冲坑深度小于上游侧挑流水舌形成的冲坑深度。与常规预测公式相比,该方法能准确预测不同位置挑流水舌的冲坑深度,研究结果可为泄洪设施下游河道消能防冲设计提供依据。     

黏土海床管道局部冲刷的模拟研究

基于黏土的流变特性,将黏土视为一种流体,用Herschel-Bulkley模型模拟,采用计算流体力学(CFD)软件Fluent建立二维管道冲刷模型,结合SST k-ω湍流模型以及VOF两相流模型对黏土海床上管道局部冲刷进行数值模拟研究。研究分析表明:海底管道的存在增加了海流对海床的剪切应力,随悬空高度增大,海床剪应力逐渐减小。管道冲刷深度主要受黏土的不排水抗剪强度和流场流速的影响,管道的局部冲刷深度随土体强度的增大而减小,屈服应力为150 Pa时其冲刷深度为0.63D,约为屈服应力为600 Pa时的2倍。管道的局部冲刷深度随流速的增大而增大,流速每增加0.2 m/s其管道下方的冲刷深度平均会增加0.16D。受管道对流场的扰动,管道下游的尾流冲刷深度对流场流速大小更为敏感。     

桥墩基础施工河床局部冲刷研究

天然河流中水流受到建筑物的阻碍时，产生紊动涡旋，局部河床泥沙在水流紊动剪应力作用下起动，并被涡旋流带向下游，建筑物局部河床因此受到侵蚀而下降，形成局部冲刷坑。跨河大桥桥墩的局部冲刷就是如此。桥墩及其基础与水深或河床的相对位置影响着局部冲刷深度的发展。本文通过室内试验研究了桥墩下部钢围堰基础施工的相对高程对河床局部冲刷最大深度的影响，探讨了工后钢围堰顶部处于相对水深的不同高度时局部冲刷发展的规律，并将这些影响因素用墩形系数法计入局部冲刷深度计算中，给出了计算公式。本文的研究对目前跨江及跨海大尺度桥墩基础工程施工具有指导意义。