弯道溃坝水流的三维数值模拟

基于Flow-3D软件,采用RNG k-ε模型和VOF法,建立了分析溃坝洪水的水流三维数学模型,计算了溃坝洪水通过90°直角弯道模型试验并进行验证,计算结果表明物理试验与数值模拟结果中渠道内洪水水面线与试验实测值吻合度很高,说明所建模型的正确性。随后采用所建数学模型模拟计算了某实际弯曲河流的溃坝洪水传播过程,计算结果表明河流对溃坝波传播的影响随着河道弯曲率的增大而减小,溃坝波在通过弯道时在凹岸处水位高于凸岸,在实际工程中应注意对河道凹岸的加高,并且随着河道曲率的减小两岸的水位高差逐渐增大,凹岸所需加高的高度也越大。更多还原     

山区河流浅水河床漂石对局部水流结构影响试验研究

西南山区河道普遍分布着大量的卵砾石、漂石等大粒径床沙,漂石颗粒急剧调整局部水流结构与泥沙输移,从而制约着河床响应过程。以漂石河床水流结构为研究对象,结合野外典型河段调查和概化试验,利用3维多普勒流速仪（ADV）详细测量漂石区域的3维流速,探讨浅水条件下漂石颗粒对局部水流运动的影响。分析表明：漂石对水流结构的影响集中在其下游中心区域,尤其是远部尾流区内,其纵向范围主要集中在约–1<Δx/D<2区域,其中漂石附近的近底流速变化明显,远部尾流区边界高度也从受漂石影响较小的上游0.3～0.4倍水深发展到受漂石影响较大的下游0.5～0.7倍水深处;中心纵剖面紊动能和雷诺应力数值显著大于左右两侧,且其数值在漂石下游激增至1～10倍和1～16倍,两者出现峰值的位置都集中在漂石远部尾流区末端。研究还发现,漂石相对淹没度（H/D,平均水深与漂石有效直径之比）对漂石附近的水流结构有较大影响,随着相对淹没深度（H/D）的增加,其对流速、紊动能和雷诺应力的影响逐渐增强,在处于临界淹没度H/D = 1.2时最为强烈,之后强度递减。不同相对淹没度（H/D）下,流速、紊动能和雷诺应力恢复区长度相近,且与远部尾流区尺度变化基本一致。总体而言,漂石通过改变局部沿程流速、紊动参数和远部尾流区分布,从而显著影响浅水河床局部水流结构,其具体影响因子和响应规律有待进一步深入研究。     

上下游初始水深比对溃坝水流传播的影响

溃坝水流的传播很大程度上受着上下游初始水深比的影响,过去对溃坝洪水的试验研究很少涉及到上下游初始水深比大于0.5时的情形,大部分研究的系列性不足且较少关注洪水波在上游库区中的运动。作者在一个大尺度水槽（长18 m、宽1 m、高1.09 m）中,通过波高仪的测量手段对上下游初始水深比0～0.9范围内的大坝瞬溃洪水进行了大量实验,获取了许多新发现。研究结果表明：当下游无水时,溃坝水流波前区域的水深会出现明显的雍高,波前运动速度也明显低于Ritter解;当上下游初始水深比大于等于0.3时,溃坝水流演进一段时间后,在靠近闸门处会出现以波浪形式向库区演进的额外负波,该负波不同于以往研究中定义的与上游静水区衔接的负波;当上下游初始水深比大于等于0.5时,溃坝水流运动的稳态区会出现明显的波动,水流以波浪形式向下游演进,其中第1个出现的波浪波峰高度最高且在演进的过程中基本维持高度不变,但产生的这些波浪数量有限,波浪演进过后的断面水深会逐渐恢复稳定,且稳定后的水深与Stoker解符合较好。在试验观测到的范围内,同一水深比时,与上游静水区衔接的负波波速在演进的过程中不断降低至稳定值,而第1个出现的额外负波波速不断增加;下游波前的演进速度基本维持不变,而下游第1个出现的波浪波速会增加;另外,随着水深比的增加,第1个出现的额外负波波速变大,而下游第1个出现的波浪波速变小。从两组不同上游水深在同一水深比时各水力要素的对比情况中发现瞬时溃坝水流的运动在湿底情况下依然具有很好的相似性。     

溃坝洪水演进数值模拟研究

采用基于MacCormack预测——校正技术的隐式数值格式求解控制水流运动的二维浅水方程,建立了模拟大坝瞬间全溃或局部溃倒所致的洪水演进过程的数学模型。应用该模型对单宽一维瞬间溃坝的水位、流速进行了数值计算,并与理论解进行了比较;最后用该模型预测了矩形河道中大坝瞬间局部溃倒时的洪水演进过程,并对模拟结果进行了定性分析。算例说明该数学模型对模拟溃坝洪水波很有效。     

佛子岭水库溃坝洪水数值模拟

文章采用经验公式法,在最危险,最可能的原则下模拟了佛子岭水库发生溃坝时的流量变化过程,以及下游重要节点的相关水力要素,并评估了灾害发生后的损失情况.     

河流平面二维水流数学模型的特性

本文对我们建立的河道平面二维水流数学模型进行了简介。对所提出的数值方法的连续性、精度及迭代过程的收敛性进行分析论证,研究表明所提出的数值方法具有较好的数学特性。     

二维溃坝水波MAC方法数值模拟

采用ＭＡＣ方法求解原始变量不可压缩非定常带自由面问题的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，对二维水坝瞬间溃决所产生的溃坝水波进行了数值模拟，计算结果表明，在坝溃决的很短时期范围内，液体运动的任一船直断面上，均不符合静压分布，自由表面的形状类似一抛物线。     

溃坝水流三维湍流的试验与数值分析

采用假定溃口形状,选取临界漫顶及坝体完全淹没2组不同流量,进行定床物理模型试验,测量了溃口内部水流的垂线流速分布.采用CFD软件FLUENT对2组三维溃坝水流进行全流场湍流数值模拟,其结果与试验值吻合较好,同时较为精细地捕捉到了坝前水位稳定后溃坝水流三维流场、湍动能和壁面剪切应力.结果表明:高强度壁面剪切应力可能为坝体侵蚀主要因素,在坝顶及溃口与坝面的连接处壁面剪切应力及湍动能出现极大值,强湍动能将使得侵蚀的泥沙迅速扩散到水体当中,随着水流的运动向下游输移.三维流动的存在,使得泥沙向下游输运的过程中先向溃口内部集中,到达下游河道后再逐渐扩散到整个河道中.小流量情况下,这一趋势不太明显,随着漫顶流量的增大这一趋势明显增强.以上水力条件可能为溃口迅速展宽、降低的主要因素.     

不同来水来沙条件下山区河流的河床响应试验研究

山区河流受季节性水文条件及产沙过程的影响,水沙条件变化频繁。尤其是暴雨山洪频繁挟带大量泥沙进入河道,从而引起河床急剧调整。本文以龙溪河典型河段为研究对象,通过调查天然河道的地形、床沙组成及来水来沙特性,开展了系列水沙模型试验,突出分析了来水来沙条件变化的河床响应。试验包括不同流量下清水冲刷和恒定流量下改变泥沙补给条件两种对比方案。以泥沙起动条件的沙莫夫公式判定方法,分析比较了不同工况条件下的断面泥沙起动流速和水流运动平均流速的关系,揭示了不同断面间泥沙冲淤特性及河床变形特点。在此基础上,探讨了河道沿程水位变化及致灾范围,对比分析表明,龙溪河在清水来流条件下,即使通过最大流量300m3/s,洪水位也未超过龙池镇堤防高程,即清水来流条件一般不会影响龙池镇的防洪安全。若大量泥沙下泄至主河道,龙池镇段由于河床比降变缓与河道展宽等床面形态的变化,水流平均流速显著降低,携沙能力减小,引起大量泥沙淤积,致使水位陡增,甚至出现漫滩现象,存在显著的防洪安全隐患。随着泥沙补给量的不断增加,河床不同区域输沙动力的调整制约了泥沙的输移距离,从而引起局部区域河床的淤堵,并导致洪水位的增加,甚至产生漫滩洪水并诱发洪水灾害。研究表明,山区河流泥沙补给对河床响应及水沙灾害具有重大的影响,来水来沙变化下的水沙运动致灾机理急需深入研究。     

金沙江白格滑坡堰塞坝溃决洪水灾害调查与致灾浅析

2018年10月10日和11月3日,西藏自治区江达县波罗乡白格村金沙江右岸同一位置先后两次发生滑坡堵江事件并形成了巨大的堰塞湖,其堰塞坝在自然泄流和人工开挖泄流槽两种处置方式后溃决。其中,第二次滑坡堰塞坝的溃决洪水给下游西藏、四川和云南3省（自治区）受灾范围内的道路、桥梁、耕地和房屋造成了巨大破坏。为了应对类似的极端、超常规、特大堰塞坝溃决洪水威胁以及相关的基础性研究需要,课题组于2018年12月21日至29日对这次金沙江白格堰塞湖溃坝洪水对下游的受灾情况进行了考察调研。考察以受灾最为严重的巴塘县巴楚河（又称巴曲河）与金沙江的交汇口为起点,直至洪水威胁基本消除的梨园水库库区为终点沿江共计488.6km的受灾河段为主。考察重点为沿岸房屋、道路、桥梁和水利基础设施等受损情况,并对溃坝洪水的最大淹没水位（洪痕）、考察时的河道水位,河道两岸堆积的泥沙及其颗粒级配,桥梁致灾水位等进行了分析,得到了一些有价值的灾情数据与成果,这些成果可为进一步的基础性研究提供一定的数据支撑。     

山区河流漂石阶梯阵列对水流结构影响的试验研究

漂石阶梯阵列是山区流域暴雨山洪过程常见河床形式,能显著影响水流结构,增大水流阻力和河床抗冲刷力,同时也制约着漂石河床演变过程。基于野外典型漂石河段调查,通过水槽试验,探讨了山区河流漂石阶梯阵列内的水动力特征。试验结果研究表明：不同的漂石阶梯行距对于水流流速及紊动强度影响明显,三向紊动强度大体呈现先增大后减小趋势,v及w方向紊动强度峰值点位置都位于0＜y/h≤0.2水深处,近底逆流在垂向及主流方向的作用范围分别为1D与2D（D为漂石粒径）,漂石下游的近底逆流作用范围与漂石粒径呈正相关。漂石阵列对近床湍流具有“均匀化”作用,试验资料表明随着漂石排列密度的增加从而显着降低了近底的湍流强度。     

贡嘎山东坡雅家埂河特大型泥石流动力学特征

对2005年8月11日贡嘎山东坡雅家埂河特大型泥石流运动过程进行了描述,并采用现场实地勘查等手段,定量计算泥石流流速和流量等动力学特征,还运用得到的流量反演泥石流运动过程,从而得到雅家埂河特大型泥石流的形成机理。结果表明:雅家埂河特大型泥石流的形成与降雨有直接关系;雅家埂河支沟泥石流的群发性造成主河泥石流规模巨大;经对雅家埂河流域泥石流形成、发生的历史分析,推断出该流域泥石流存在18～21年的暴发周期;雅家埂河松散物源充足,降雨与水源丰富,地形地貌陡峭,极易再次发生规模较大的泥石流。     

新疆克孜河泥石流天然坝体溃决模拟分析

分别采用瞬时溃决模型和逐步溃决模型对新疆克孜河泥石流天然坝的溃决洪峰流量及其向下游的演进情况进行了模拟分析,结果表明：瞬时渍决模型的计算结果与实测溃坝洪峰流量偏差较大,而逐步溃决模型的计算结果则接近实测值;采用逐步溃决模型计算时,计算时段的取值及溃口流量系数的取值对计算结果有一定的影响．     

河网水体流动控导措施二维数值计算分析

引水入城是改善城市河网水环境的重要途径,但由于各种条件的约束,可能仍然存在流动性很小的河流.利用什么措施来增加这些流动性小的河流的流动性,再进一步又如何论证工程措施对增加水体流动的效果是重要的研究课题.本论文利用建立和验证了的河网平面二维数学模型,计算了设置并关闭和现状鸣山路江没有水闸条件下的水体流动状况,由两种情况的计算结果得到的水力要素增值及其分布图可以看出,设置并关闭水闸,当水闸关闭其他条件不变的情况下使得附近河流庙山江、西五灶江和西四灶江流速增加,水体的流动性增加明显;壅水河段仅在局部河段,且壅水很小.计算结果为工程提供了定量依据.     

时空守恒元和解元法在山区河流模拟中的应用

针对山区河流边界和地形复杂,水位和流速变化剧烈,主流和副流明显的特点,建立了一种新的平面二维水动力数学模型:采用一种新的数值方法——时空守恒元和解元方法(简称:CE/SE方法)并用任意四边形网格来离散区域,进行了水位和流速的数值模拟。模型利用嘉陵江草街-嘉陵江河口全长约69km的地形和实测资料进行了验证。模拟结果表明,该数学模型能够较好地模拟复杂条件下山区河流的流场特征。     

电站下游河道的纵向1维冰情模拟

电站下游河冰演变过程涉及水库调度、热力、水力、风力、地形以及冰水物理性质等众多因素,且彼此相互联系、相互制约。为模拟电站下游河道冰清,本文通过分析电站下游河冰生消演变的物理过程,建立了适用于电站下游河道水温冰情预测的纵向一维水动力学、水温与冰情耦合的数学模型,采用丰满水库下游河道水温冰情原型观测成果对模型进行了参数率定与验证,结果显示该模型能较好地模拟出电站下游零温断面和封冻断面受流量、水温及气象影响下的变化过程,同时模拟出河道的封冻过程及冰厚的增长过程,并与实测成果符合较好。     

山区河流浅水条件下漂石对河床响应与泥沙补给影响的试验研究

受暴雨洪水与滑坡、泥石流灾害的影响,山区河流床沙多为宽级配卵砾石泥沙,甚至出现较多的漂石,从而影响近底水流结构与推移质输移特性。基于野外漂石河流的调查,通过概化试验,探讨了漂石颗粒对河床冲淤的影响;对比分析了不同水沙条件下漂石对推移质输沙率过程的影响;根据床面粗化程度与漂石状态相异的两种类型对比试验,探讨了漂石对不同水沙条件下推移质输沙率的影响程度。初步表明：随着漂石颗粒相对暴露度（D/h,漂石等效粒径与平均水深之比）的减少,漂石对其尾部区域水流的混掺越加突出,从而对河床的冲刷能力变大;根据本试验采用的水沙参数,漂石对推移质输沙率的扩大效应为几倍至十几倍。     

强夯法在防浪墙地基基础加固中的应用

结合强夯法地基处理实例，介绍了强夯法的施工工艺及施工中应注意的问题。