一种装配式有压流冲刷装置的研制

基于床面切应力对植被的曳引作用是造成草皮护坡破坏的直接原因的原理,研制了一套水流流速范围在1.5~6 m/s的装配式恒定有压流冲刷装置。试验测得有机玻璃水槽的糙率及人工培育早熟禾草皮的曼宁糙率在合理的范围内。采用此试验装置,得出了紫羊茅草皮护坡发生水流冲刷破坏时的关键水力学参数,床面切应力、摩阻流速,及冲刷历时等。     

无芒雀麦草皮护坡抗水流侵蚀试验研究

为了分析无芒雀麦草皮护坡的抗水流侵蚀特性,基于床面切应力对植被曳引作用是造成草皮护坡破坏的直接原因的原理,设计了一套流速范围在1.5～6.0m/s的装配式恒定有压流冲刷装置。采用此试验装置,得出了无芒雀麦草皮护坡在连续稳定水流冲刷作用下发生侵蚀破坏的关键水力学参数,无芒雀麦草皮的曼宁糙率系数为0.019,最大抗冲流速可达5.0m/s,其破坏等级为Ⅱ级。     

植草型生态护岸水力特性试验研究

为研究不同水流条件下植草型生态护岸上的植被表面曼宁糙率系数和Darcy-Weisbach阻力系数的变化规律,在室内大流速水槽内模拟河道径流对草皮护坡进行了冲刷模型试验。试验结果显示:(1)试验所选用的狗芽根(Cynodon dactylon)及高羊茅(Festuca arundinacea)的曼宁糙率值在0.025～0.090范围内;(2)植被表面曼宁糙率系数随流速的增大而减小,当流速超过4 m/s时,糙率值稳定在0.025～0.035之间,在某一稳定流量下,植被表面曼宁糙率值首先随冲刷历时的增加而递减,而后逐渐趋于稳定,并在护坡破坏时发生突增;(3)Darcy-Weisbach阻力系数不仅与植被的种类及生长状况有关,而且和植被的平均瞬时弯曲高度与水力半径的比值有关,随着水流流速及历时的增加阻力系数也随之减小。     

HDPE排水管道抗冲刷能力与设计流速研究

选取不同流速水流对HDPE管道进行冲刷磨损试验,单独研究了管道的冲刷磨损量与冲刷时间和冲刷流速的关系。结果表明经1 000h冲刷后,9m/s、6.4m/s、4.5m/s水流对HDPE管道冲刷磨损量分别为0.239mm、0.116mm、0.090mm。根据重庆地区近10年降雨资料,不考虑管道自然老化等因素时,设计流速为9 m/s、7 m/s、5 m/s条件下拟合计算得到20年时间里雨水对HDPE管道的冲刷磨损量分别为3.634 mm、3.118 mm、2.976 mm。为充分发挥抗冲刷能力可将HDPE管道的设计流速定为9m/s。     

河道抗冲刷土工加筋草皮生态护坡技术应用研究

项目开展了加筋草皮护坡抗冲刷性能研究,探讨了不同条件下土工加筋草皮破坏机制及破坏过程,分析了土工材料与加筋技术对抗冲刷性能的影响;通过数值模拟与典型区域现场试验,揭示了不同流速条件下两种典型土工加筋草皮的侵蚀程度和侵蚀速率的变化规律,验证了其对边坡稳定性的提升效果.     

高速明渠流条件下高性能加筋草皮抗侵蚀特性研究

现有针对高性能加筋草皮的抗侵蚀性能研究,大多建立在大规模试验基础上,重点研究允许冲刷流速和表面切应力。为了研究高速明渠水流条件下高性能加筋草皮侵蚀过程,对天然草皮和3种高性能加筋草皮共48个样品进行培植,并布置在高速明渠流的倾斜水槽中,通过不同坡度和流量分别进行间断和不间断冲刷试验,分析流速、流量和侵蚀量的关系。结果表明,间断和不间断冲刷的侵蚀速率有明显差异,说明初始冲刷引起了高性能加筋草皮的大部分侵蚀。样本侵蚀过程显示侵蚀速率随侵蚀量的增加而降低,证明明渠高速水流作用下加筋草皮存在“侵蚀上限”特征。此外,还讨论了流量和生态加筋网结构对侵蚀过程的影响,并尝试拟合了平均侵蚀速率与水流表面流速的关系。     

管袋坝袋间接缝侧壁损漏冲刷模型试验

针对管袋内充填砂从管袋侧壁缺损处外漏流失问题,采用自行研制的管袋坝袋间接缝侧壁损漏冲刷稳定性试验研究装置,进行了单向流和波浪作用下管袋坝袋间接缝侧壁损漏冲刷试验,总结了冲刷过程及接缝管路内砂颗粒的运移规律,并分析了单向流工况下破损口大小对冲刷稳定性的影响。结果表明:单向流工况管袋坝袋间接缝侧壁损漏冲刷稳定性与最粗砂颗粒的起动流速、接缝内水流流速及破损口大小有关,破损口越大、水流流速越大、最粗砂颗粒起动流速越小,越容易发生冲刷破坏;波浪工况下,选择临界峰值水压力作为管袋坝袋间接缝侧壁损漏冲刷稳定性的判定指标,通过比较实际工程中管袋坝接缝所受峰值水压力与临界峰值水压力可以判断波浪工况下的冲刷稳定性。     

某水库溢洪道出口挑流鼻坎优化试验研究

针对某水库溢洪道原设计方案中挑流水舌落在海漫平台上造成严重冲刷破坏的问题,对溢洪道末端的挑流鼻坎进行了优化。通过水工模型试验,观测了溢洪道的水流流态、溢洪道的水面线与深度、溢洪道的流速、溢洪道沿程的动水压强、溢洪道出口的水舌挑距等。结果表明:优化方案下,水流避开了海漫平台而落入海漫前端左侧河道中;优化方案下计算空化数都在0.3以上,较原设计方案更安全;优化后,试验测得挑流冲刷坑内靠近坝脚侧的旋流淘刷最大流速约为1.7 m/s,比原设计冲刷坑内淘刷流速小,对右岸边坡产生较小冲刷,使挑射水流不影响后坡脚;优化方案合理,能较好地解决挑射水流直接冲刷海漫平台的问题。     

某隧洞出口段水工模型试验研究

通过水工模型试验,验证了各种工况下某隧洞出口段的水流流态和消力池的消能效果及水流对下游渠道可能产生的冲刷影响。试验测得隧洞糙率为0.011 6和输水渠道糙率为0.012 5时,水流流态和水力学参数与实际运行工况吻合较好;当工程流量大于61.23 m3/s时,消力池消能不太充分,对下游渠道产生较大冲刷破坏。     

下荆江急弯段河床形态调整对水流特性的影响

三峡水库运用后下荆江急弯段出现“凸冲凹淤”现象,研究急弯段河床形态调整对水流特性的影响十分必要。基于2002年、2011年和2016年实测地形,采用Delft 3D水动力学模型计算上游来流为5 000 m³/s、10 000 m³/s和20 000 m³/s流量的七弓岭急弯段水流特性,探讨河床形态调整对弯道段流速分布与二次流结构和强度的影响。结果显示：七弓岭急弯段2002年至2016年的水流动力轴线大幅左摆,三种流量级条件下分别左摆1 160 m、1 130 m和900 m;水流冲刷动力在凸岸增强,凹岸减弱。这三年的凸岸侧垂线平均流速最大值依次为1.24 m/s、1.91 m/s和1.66 m/s。凹岸侧最大流速依次为2.55 m/s、0.97 m/s和0.80 m/s。七弓岭弯顶上游的断面平均环流强度递减,凹岸沙洲的二次流已非常微弱,导致泥沙淤积。     

现浇型生态混凝土护岸抗水力冲刷性能试验研究

目前,现浇型生态混凝土等新型的生态型护坡逐渐取代传统混凝土护坡,得到了越来越广泛的应用。但作为一种新兴的护坡方式,现浇型生态混凝土抗水力冲刷性能缺少实验数据的支撑。根据实际工程中的应用情况,制作了三种不同厚度的现浇生态混凝土样本,采用专用的实验仪器研究其在高速明渠流作用下的抗水力冲刷性能。结果表明:边界效应对生态混凝土的抗冲刷性能影响很大。在处理好边界效应的情况下,现浇型生态混凝土护岸在高速明渠流的作用下,水力淘刷现象不明显,下覆土体表面基本保存平整,土体高程下降微小(0.1 mm)。因此,现浇型生态混凝土护岸有着很好的抵抗高速水流(本研究最大流速达到6.11 m/s)冲刷的能力,在水利护岸工程中可以代替传统护岸和预制生态混凝土护岸进行应用。     

荆江河段生态护坡结构对近岸水流影响试验研究

为了选择固土能力强、结构稳定、生态影响小的护坡结构,以长江荆江段为例,通过护坡概化模型水槽试验,分析了不同生态护坡结构对近岸水流结构的影响。研究表明:钢丝网石笼和护坡砖本身对近岸水流流速影响较小,对结构下层的土体有较好的守护作用,但在没有辅助措施或植被覆盖的情况下,对表层土体缺乏有效的守护;植被护坡植物能减缓近岸流速、减弱水流对表层土壤的直接冲刷,但守护岸坡稳定性较差,下层土体易被掏刷。将硬质结构护岸与植被护岸相结合,可减弱表层土壤的流失并对岸坡下层土体进行有效守护。将生态型护坡结构运用到长江中游荆江河段航道整治工程中,现场应用效果较好。     

人工降雨和放水冲刷条件下紫色土坡面产流产沙特征分析

采用可变坡的3 m×1 m土槽进行人工降雨和放水冲刷试验,在不同坡度(5°~20°)、不同雨强(0.6~2.5mm/min)和放水流量(1.6~7 m3/s)情况下,对紫色土坡面的产流产沙特征进行了研究。结果表明:放水冲刷试验中径流流速从坡上到坡脚表现出先增加后减小、逐渐增大和逐渐减小3种趋势,而人工降雨试验则恰恰相反,径流流速从坡上到坡脚表现出逐渐增大的趋势;15 min是2种试验方法产流过程稳定的临界时间;人工降雨试验径流含沙量稳定的时间介于5~50 min之间,放水冲刷试验含沙量稳定的临界时间为20 min。试验成果可为后续紫色土侵蚀相关研究提供数据支持。     

土石坝溃坝离心模型试验系统研制及应用

研制成功了一套土石坝离心模型溃坝试验系统，采用旋转接水环，确保了高加速度条件下溃坝试验过程中能持续提供足够的对坝体进行冲蚀的水量；先进的数据量测方法和图像采集系统能多角度捕捉和摄取土石坝的溃坝全过程，且该系统在高加速度和泥石流条件下能正常工作，利用该试验系统对最大坝高达32m的三种不同坝高均质土石坝开展了漫顶溃坝离心模型试验，清楚揭示了其溃决机理，研究了坝高对均质坝溃口发展规律和溃坝洪水流量过程的影响，结果发现：随着坝高的增加，溃口的纵向下切与溃口边坡的失稳坍塌速度明显加快，溃口流量过程线更为陡峭，峰值流量增大，且峰值流量出现时间更早，溃坝历时更短，因此，溃坝致灾后果将更为严重。     

鱼道进口水流对草鱼幼鱼上溯行为的影响研究

为使鱼类能够快速发现和顺利进入鱼道进口并成功过坝,设计了鱼道进口概化模型。以草鱼幼鱼为研究对象,在18±1℃的条件下研究了鱼道进口流速对鱼类上溯行为的影响。研究发现:鱼道进口水流存在一个最佳流速,在该流速下,鱼类进入鱼道进口的效率最高。利用诱鱼流道补水有助于进一步提高鱼道进鱼效率,诱鱼流道水流与鱼道进口水流之间存在一个最优流速比。针对草鱼幼鱼的鱼道进口最佳流速约为0.3 m/s,诱鱼流道水流与鱼道进口水流的最佳流速比约为2.3。通过对洄游区鱼类游泳轨迹以及流场耦合,可知草鱼幼鱼上溯的喜好流速范围是0.20~0.30 m/s。研究成果对于鱼道进口水力设计具有重要意义。     

新水沙条件下长江中游芦家河水道“坡陡流急”段演变机理分析

芦家河水道沙泓中段在枯水期存在著名的"坡陡流急"现象,是长江中游航道的瓶颈段。本文基于实测资料分析,系统研究了近十几年来芦家河水道沙泓的演变机理与发展趋势,结果表明,2003年三峡水库蓄水运用以来,受芦家河水道下游枯水位持续下降的影响,芦家河水道进出口落差加大,枯水比降在沙泓中段进一步集中;长达1.7 km的沙泓中段表流加速段是水位控制核心区段,比降增加最为明显,并导致急流段流速持续增加,估计三峡水库蓄水运用以来7000～8000 m~3/s流量区间的最大表面流速增加了约1 m/s;河床的强抗冲性是维持沙泓中段"坡陡流急"现象的前提条件,急流区河床组成以宽级配卵石为主,近年来急流区河床在持续冲刷下切过程中,存在卵石短程输移搬运的现象;主要冲刷区河床抗冲性有所减弱,可能存在抗冲粗化层破坏的情况,若芦家河水道出口枯水位进一步下降,急流区存在进一步冲刷下切的趋势。本研究试图为芦家河水道乃至整个砂卵石河段的航道维护与治理提供技术支撑。     

箱形涵洞对河床水沙特性影响的试验研究

以漳河的穿河涵洞为对象,采用物理模型的方法,就3年一遇和50年一遇洪水工况时箱形涵洞所在河道的沿程水位、上下游各断面流速及其下游河床局部冲淤变形等问题进行了试验观测,探讨了箱形涵洞对河床水沙特性的影响。试验表明:在3年一遇和50年一遇洪水工况下,箱形涵洞对上游河床的壅水较少,最大壅水高度分别为0.57m和0.3m;涵洞上游各断面的平均流速较无涵洞时有所减小,且断面横向流速分布曲线更平坦。在迎水面出现了河中心流速较左右岸流速大的现象;在涵洞下游较远的CS8断面的平均流速分别为1.8m/s和3.7m/s,与无涵洞时相差不大;在3年一遇洪水工况下,箱形涵洞洞后能形成Fr=4.52的稳定水跃,使得箱形涵洞下游CS6断面的河床局部冲刷较少,其平均冲刷深度约为0.5m。由此可见,箱形涵洞具有较优的水力条件。     

湄江河湄潭县政府新区河段防洪堤设计

湄江河湄潭县政府新区河段,基本没有防洪排涝设施,每遇暴雨就产生峰高、量相对较小的洪水汇流,造成县城、大片农田及村寨发生洪涝灾害。结合工程区的地形地质、河段治理范围等条件,对防洪堤布置、防洪堤轴线选择、堤型等内容进行了详细的设计分析,尤其对堤防结构、岸坡稳定性、护坡稳定性、河道清淤进行了详细的论证研究。推荐采用技术上可行、经济上优越的浆砌石护脚、护坡结合卵石护坡+草皮护坡的防洪堤设计方案。     

土石坝溃坝离心模型试验系统研制及应用

研制成功了一套土石坝离心模型溃坝试验系统,采用旋转接水环,确保了高加速度条件下溃坝试验过程中能持续提供足够的对坝体进行冲蚀的水量;采用先进的数据量测方法和图像采集系统能多角度捕捉和摄取土石坝的溃坝全过程,且该系统在高加速度和泥石流条件下能正常工作。利用该离心试验系统以32cm坝高的模型对最大坝高达32m 的3 种不同坝高均质土石坝进行了漫顶溃坝模型试验,研究了坝高对均质坝溃口发展规律和溃坝洪水流量过程的影响。结果发现：随着坝高的增加,溃口的纵向下切与溃口边坡的失稳坍塌速度明显加快,溃口流量过程线更为陡峭,峰值流量增大,且峰值流量出现时间更早,溃坝历时更短,因此,溃坝致灾后果将更为严重。