南水北调中线工程总干渠非正常工况下的水力响应分析

非正常工况下的渠道水力响应对大型调水工程输水渠道的安全有着深刻的影响。以南水北调中线工程总干渠典型渠段作为研究对象，模拟分析了非正常工况下渠段的水力响应特征及退水闸的退水作用。计算结果表明，事故渠段上、下游端节制闸紧急关闭时，节制闸前（或后）水位壅高（或降落）的幅度很大，渠段内水位波动剧烈；节制闸关闭时间的延长虽能在一定程度上减小水位壅高和降落幅度，但效果并不明显；退水闸的启用能够较好减小水位的壅高幅度，有效降低水流的漫溢危险。     

大型输水渠道事故工况的水力响应及应急调度

事故工况下的渠道水力响应及应急措施对大型输水渠道安全有着深刻的影响。以南水北调中线工程总干渠为研究对象,建立了事故工况的一维非恒定流数学模型,提出应急调度闸门控制规则,模拟分析了事故工况下渠道的水力响应过程。计算结果表明,事故渠段节制闸紧急关闭时间越短越有利于灾害控制,但是渠道水位壅高及退水量较大;节制闸闸前控制水位越高,则渠道水位壅高也越大,但弃水较少。     

长距离渠系融冰期自动化控制模式研究

开河前,冰盖糙率增加造成渠道水位上涨,有武开河的可能,易形成冰坝;开河时的水力半径和综合糙率突变造成渠道水位陡降,存在渠道衬砌破坏的危险。本文通过分析渠系融冰期的水力响应特性,从渠系运行安全(水位波动幅度和波动速率较小)角度提出渠系融冰期安全输水模式——适时适量的调节各分水口取水量,基于冰情预报建立了渠系融冰期自动化控制管理模型。该模型在渠系安全高效运行的基础上可加快渠系由冰期输水转为正常输水的过程,增大了渠系的输水效益。融冰期的冰盖糙率变化过程是影响渠系水位波动和流量调节量的重要因素,需要通过不同气象条件和流量下的详细原型观测进行分析。     

南水北调中线干渠闸前变水位运行方式探讨

针对天津分水口流量变化,应用两种闸门调度方式且将闸前水位控制在不同变化幅度内时,采用建立的南水北调中线电子渠道模型模拟计算了干渠中的水流过渡过程。结果显示,闸前水位自由波动时,由于动用了较多的调蓄库容,会导致水位波动幅度过大而影响干渠的安全平稳运行。对闸前水位变幅限制太小或阻止闸前水位变化时,会导致干渠水位长时间波动并影响到进入惠南庄前池的流量。考虑到渠道安全、缩减渠道水力过渡时间和尽量减小对末端前池水位的影响,初步推荐闸前水位变化幅度在±0.15 m范围内波动较为适宜。     

南水北调中线总干渠冬季输水过渡期运行控制方式探讨

以南水北调中线总干渠为对象，研究了冬季输水过渡期，局部渠段的闸前变水位运行方式及整个干渠的闸门控制算法。将闸前变水位运行方式的实现过程分解为闸前常水位运行和变水位蓄量补偿两个同步进行的过程，分别完成流量变化目标和蓄量变化目标。设计了整个干渠结构统一的闸门控制算法，不仅能够实现闸前变水位与闸前常水位运行方式间的切换，还能实现二者的联合运行。闸门控制算法由前馈控制、反馈控制和解耦三个部分组成。在总干渠全线上数值模拟了冬季输水前，安阳河闸以北抬升控制水位而以南维持不变的过程。结果表明，在2d时间内，安阳河闸以北的控制水位可由设计水位抬升至加大水位，整个渠道的水力过渡过程平稳，水位波动符合安全限幅要求。     

北疆供水工程应急闸控下的水力响应分析

为了研究北疆长距离供水渠道应急闸控措施的选取,通过构建一维非恒定流数学模型,对应急闸控下的水力响应进行分析,针对不同应急情景提出闸控方案。结果表明:事故渠段上下游节制闸紧急关闭时,上游闸后及下游闸前水位变幅很大,渠段内水位波动剧烈;适当减小闸前控制水位以引导渠段退水闸的开启,可有效削减闸前水位壅高值,但闸后水位降幅增大;渠首引水闸快速关闭可以有效减小事故段退水和削减闸前水位壅高的压力,非紧急工况下,渠首引水闸保持小流量供水可以维持分水口用水且利于全线恢复供水;事故段上、下游节制闸关闭速率越大,事故段水体控制效率越高,但闸前壅高、水体稳定时间都会相应增大。     

南水北调中线总干渠冬季输水过渡期运行控制方式探讨

以南水北调中线总干渠为对象,研究了冬季输水过渡期局部渠段的闸前变水位运行方式及整个干渠的闸门控制算法。将闸前变水位运行方式的实现过程分解为闸前常水位运行和变水位蓄量补偿两个同步进行的过程,分别完成流量变化目标和蓄量变化目标。设计了整个干渠结构统一的闸门控制算法,不仅能够实现闸前变水位与闸前常水位运行方式间的切换,还能实现二者的联合运行。闸门控制算法由前馈控制、反馈控制和解耦三个部分组成。在总干渠全线上数值模拟了冬季输水前安阳河闸以北抬升控制水位而以南维持不变的过程。结果表明,在2d时间内,安阳河闸以北的控制水位可由设计水位抬升至加大水位,整个渠道的水力过渡过程平稳,水位波动符合安全限幅要求。     

南水北调中线输水渠道的漫溢现象分析

针对南水北调中线输水渠道缺少调节水库的现实情况,采用一维非恒定流数学模型,模拟了渠道中某一节制闸出流量以不同速率关闭而导致上游渠道中出现的水流漫溢现象。结果显示,水流漫溢现象最先发生在被关闭节制闸前。闸下出流量的变化速率越快,出现漫溢的时间也越短,闸门关闭期间的闸前水位上涨速度与闸下出流量的变化速率呈线性变化关系。实际条件下,为尽量避免出现漫溢事故,应尽量缓慢关闭闸门,延长渠道出现漫溢的时间,以留出更多的时间去启动退水闸或其他分流设施。     

大型串联渠系冰塞-水力响应特性分析

为了定性定量描述南水北调中线工程冰塞特征与水力响应特性之间的耦合关系,采用数值模拟方法,建立了串联渠系冰塞事件-水力响应-闸门操作耦合响应模型,通过多工况对比揭示冰塞体范围、厚度和输水流量及闸门群应对方式等造成的渠系水力响应规律。研究结果表明：闸门群耦合响应下,发生冰塞事件的渠池仅影响其上游渠池的水力过程,对于发生冰塞事件的渠池,其冰塞体上游段水位壅高,下游段水位降低,而该渠池上游所有渠池水位整体降低;闸门群无响应时,冰塞可造成渠系放空风险,而PI控制器作用下的闸门群调度可明显改善渠系应对冰塞事件的水力响应,水位波动幅度随冰塞体和输水流量的增大而不断增大,在模拟工况下,闸前最大水位偏差达0.5 m,输水目标恢复时间约20 h,在冰塞体足够大时,渠系面临漫堤风险。做好渠池风险评估和优化冰塞事件应对控制器是下一步研究的重点。     

长距离渠道闸门故障扰动及小影响应急调度研究

闸门控制故障是威胁长距离输水渠道正常调度运行的常见风险之一,研究闸门故障工况下渠道水力响应及快速应急调度响应措施对长距离输水渠段安全运行具有重要意义。以南水北调中线一期工程为研究对象,基于通水3 a以来的实际调度运行状况,构建闸门故障扰动一维非恒定流水力学模型,分析渠段的水力响应,并研究应对闸门故障扰动的小影响应急调度措施。计算结果表明:闸门故障扰动下的水力响应与渠道流量、渠段长度密切相关;通过调节旁侧闸门的小影响应急调度措施能尽可能减小事故闸门的影响,维持上下游渠道水位的相对稳定,且响应时间越早越有利于闸门事故控制;事故闸门开度长时间大幅度异常时,需联合临近节制闸、分水闸、退水闸共同调度才能维持渠道正常输水及安全运行。研究成果可为南水北调中线一期工程调度运行应急预案及风险管理提供参考。     

基于遗传程序的南水北调中线水面线计算

目前南水北调中线水面线的推算采用传统恒定非均匀流公式,糙率等水力参数需根据实际情况,定期复核并进行修正,缺乏灵活性。结合中线调度实际,建立了基于遗传程序设计的渠道水面线计算模型,利用遗传程序自动拟合渠段上游节制闸闸后水位与下游节制闸闸前水位、输水流量的非线性关系,从而实现在闸前常水位控制模式下不同输水流量的水面线推算。经在南水北调中线干线工程典型渠段的试用表明,建立的基于遗传程序水面线计算模型灵活性强、拟合精度高、操作方便,具有较高的实际应用价值。     

深孔有压隧洞平板闸门小开度闸后水力特性试验研究

闸门小开度运行时，在闸前水头、闸门槽的影响作用下，闸后水流流态较全开时不同，流态较为复杂。通过物理模型试验与理论分析相结合的方法对深孔有压隧洞平板闸门小开度闸后水力特性进行了研究，结果表明：小开度平板闸门后水流容易出现水流射顶等不良流态现象，流态沿程变化可划分为“收缩段、扩散段及破碎段”3个阶段；闸后水流水舌高度与水舌长度均随闸门开度的增加而减小，随流量的增加而增加；时均压强压力峰值与流量同步增减且压力峰值靠后，闸后底板有负压出现，容易产生空化空蚀破坏。因此在实际工程中，需要采取一定的工程措施来改善小开度平板闸门后水流流态，避免闸后出现水流射顶等不良流态现象。研究成果可为深孔平板闸门小开度的运行与防护提供借鉴。     

提高渠道糙率率定精度的方法

渠道糙率的现场率定是水力学研究的重要课题.由于水力量测时流量和水深测量值不可避免的会存在随机误差,如何减少测量误差对糙率率定的影响是必须解决的关键问题.在系统研究了测量误差、渠长及雍水对糙率率定误差影响的基础上,给出了计算渠道糙率率定误差的简化公式,提出了减小糙率率定误差的方法:1)使渠道进出口目测水深(水位)具有相同方向误差;2)合理的布设渠道测点;3)控制闸门开度减少渠道雍水坡度,另外,尽可能在设计等大流量工况率定糙率,因为这些工况雍水坡度较小.     

输水渠道中分水口和节制闸的水力敏感性分析

通过建立渠道输水系统的非恒定流数学模型,以京石段应急供水渠道为研究对象,分析了影响渠道建筑物水力学特性的主要因素,模拟计算了分水口和节制闸敏感性指标。结果表明:分水口分水流量变化幅度和节制闸开度变幅是影响渠道水位的关键因素;分水口敏感性指标沿流向递增,节制闸敏感性指标随流量的增大而减小。     

桥墩壅水的计算方法比较

桥墩壅水的确定在输水渠道的桥梁设计中至关重要。渠道几何尺寸和糙率、桥墩阻水比、水流Froude数、桥墩形状及布置形式等都会对最大水位壅高和桥墩阻力产乍影响。结合水工模型试验资料，对比检验了不同桥墩壅水高度计算公式。在大流量、缓流情况下，对于阻水比较小的桥墩，Yamell公式比较符合试验资料，可以用于计算壅水高度。     

南水北调中线干线节制闸过流公式率定及曲线绘制

南水北调中线线路长、分水口门多、无在线调蓄水库,且正处于初期运行阶段,需逐步建立健全各类闸门技术档案,尤其是率定各类闸门过流公式和绘制闸门控制运用图表,这对于精确实施渠道控制、指导闸门日常控制操作、保障输水调度安全具有重要意义。以刁河节制闸为例,基于量纲分析法,在孔流条件下利用南水北调中线干线通水运行观测数据开展了节制闸过流公式率定,并在此基础上绘制出节制闸不同闸前、闸后水位差下的过闸流量与闸门开度关系曲线。结果显示：量纲分析法物理概念比较清晰,公式形式较为简单,率定工作量大大降低,实测流量与计算流量误差基本在±6%之间,而平均误差约为3%,率定精度较高,具有较强的实际应用和推广价值;同时节制闸过闸流量曲线的绘制,为日常调度人员掌握过闸流量变化、适时开展闸门调度提供了决策依据。     

下游常水位水力自动控制渠道运行动态过程及数学模型的研究

本文通过分析灌溉渠道中ＡＶＩＯ和ＡＶＩＳ下游常水位闸门的工作原理和运行过程，动用自动控制理论求出这两类闸门门后水位偏差和过闸流量之间的传递函数，并将之作离散化处理，再结合渠道的明渠非恒定流方程求解，最后可向设置ＡＶＩＯ，ＡＶＩＳ下游常水位闸门渠道的运行动态过程，数学模型由计算机求解，可为水力自动控制系统的渠道和闸门设计提供依据，并可预测系统的运行过程与稳定性。     

基于原型观测的输水渠道糙率取值及变化分析

为了研究长距离渠道糙率的合理取值,依据北疆输水工程总干渠2011—2016年逐日水位、流量数据,采用曼宁公式反算典型断面糙率,并构建一维非恒定流水动力模型对渠段糙率进行校核,分析长距离渠道糙率在渠段间的差异及边壁粗糙度随运行时间的变化情况。结果表明:断面的实测糙率与顺直渠段糙率相符,总干渠顺直段糙率在0.015～0.016,弯道明显的渠段,弯度校正因子在1.15～1.50,大小与弯道复杂程度相关;渠道糙率随运行时间呈增长趋势,总干渠等效粗糙度中期运行的年增幅约为18.54%。     

长距离大流量输水管道若干水力学问题研究

大型管道输水工程的特点是距离长，流量大，管径大，存在一些特殊的水力学问题，本文提出这些问题并进行了初步研究，研究谇为，对于管道糙率的造取问题，不宜采用某一定值，而应综合分析各种因素，采用一定糙率范围设计管道长管路分段设减压池和延长闸，阀关闭时间是降低管道压力的有效措施；事故检修期供水问题可通过管道本身调整运行方式解决。     

沙河漯河节制闸调度运行方式研究

沙河漯河节制闸以抬高河道水位、改善河道景观为建设任务，系采用下卧式闸门的大型水闸。从发挥工程效益、保证防洪安全、防止泥沙淤积等方面出发，通过对洪水起涨段闸门开启的控制流量、库容排泄时间和流量、洪水消退段闸门关闭的控制流量等方面的研究，确定水闸调度运行方式。