缓变弯道河道冲刷试验研究

有关弯道水流及其河道演变特性的研究一直为人们所关注。本文引入了在直线段和单一曲率圆弯道间插入曲率渐变的过渡段这一新的弯道型式，舒缓水流冲击力和离心力作用，以减轻水流对河床及堤身、堤脚的冲蚀破坏。作者首先对这一弯道和圆弯道的水流流速、副流强度进行了数值模拟的计算和比较；又通过变换床沙、流量及放水时间，进行了24组合的动床试验；最后，通过整理分析所有实验数据，对插有缓变曲线的弯道的减蚀作用进行了探讨。结果表明：插有缓变曲线的弯道可以减轻水流对两岸堤身和堤脚的冲蚀破坏；在弯道同一横断上的最大冲深与沙洲波高的比值最终稳定在0．58。     

弯道推移质同异岸输移的时空演变模拟

野外及室内实验观测均表明,弯道内的推移质泥沙运动同时存在着沿河道同岸和异岸的输移,然而对于同异岸输移的比例以往文献中还存在着很大的分歧。本文采用平面二维水沙数学模型CCHE2D模拟固定河岸大曲率弯道(中心线为110°正弦派生曲线)内的水沙运动,定量地描述了床面变化过程中泥沙同异岸输移的时空演变规律。计算结果表明,大曲率弯道在平床到冲淤平衡的发展过程中存在两个高强度冲刷区,即凸岸边滩上游区和凹岸区。凸岸边滩上游冲起的泥沙绝大部分都沿河道同岸输移到同一边滩下游;凹岸冲起的泥沙则先以同岸输移为主,待河床变形稳定后,受主流贴近凹岸的影响,异岸输移逐渐占优,绝大部分推移质颗粒都集中在"凹岸—过渡段浅滩—凹岸"这条输沙带内运动。     

非黏性岸坡崩塌与河床冲淤的交互影响初步试验研究

本文在弯道水槽中展开系列试验,研究非黏性泥沙颗粒组成的岸坡坍塌模式及其与河床冲淤的交互影响过程.试验结果表明,水流冲刷过程中河岸破坏是水流淘刷河岸坡脚、岸坡崩塌及崩塌体淤积坡脚并在河床上输移的交互作用反复循环过程.河岸崩退模式、速度以及稳定后的形态与近岸流速分布及河床边界条件等关系密切.近岸流速越大,稳定后的岸坡越趋平缓,崩塌体在河床上的淤积率越小;河床的可动性加剧了岸坡的崩退速度以及崩塌体在河床上的淤积率.     

曲线坐标系下的三维k-ε-A_p固液两相湍流总沙输运模型

本文建立非正交曲线坐标系下的三维k-ε-A,固液两相湍流模型研究弯道内的水流泥沙运动和河床冲淤变形.河床变形计算采用推移质模型和总沙模型两种处理方法.两相湍流模型在计算推移质输运时采用泥沙的横纵向速度处理推移质的强度和方向,利用泥沙垂向速度计算悬沙与床沙之间的交换通量.计算发现两相湍流模型的河床冲淤变化分布结果比单相湍流模型的结果更接近试验结果,两相湍流总沙模型计算结果中局部区域的水深比两相湍流床沙模型计算得到的水深小.床面变形以及固液两相横纵向流速分布分析比较表明,泥沙运动的横向和纵向分布对床面变形的影响起重要作用,单相湍流模型在计算弯道内的推移质运动时夸大了二次流对泥沙横向输运的作用.     

考虑弯道环流影响的平面二维水沙数学模型(Ⅰ)——模型的建立

弯道环流是影响河道断面流速、含沙量分布及河床冲淤的重要影响因素.一般的二维水流数学模型没有考虑弯道环流对断面流速及横向输沙的影响,本文在深度平均的平面二维k-ε紊流数学模型中加入反映弯道引起的二次流及横向输沙附加项,对平面二维水流运动方程和悬移质不平衡输沙方程进行扩展,使之能更准确地模拟出弯道处流速及含沙量的断面分布情况.     

基于特征分析的多沙河流洪峰流量增值机理研究

黄河下游等多沙河流通过高含沙洪水时常出现洪峰流量增值这一异常现象.从描述多沙河流水沙运动的耦合数学模型出发,基于模型所构成的双曲系统的特征理论,分析了多沙河流洪峰流量沿程增值机理.从所获得的耦合模型的特征关系上看,当河床存在显著变形时会对浅水波的传播特性产生较大影响.河床冲刷时水流中扰动传播速度变慢,而河床淤积时水流中扰动传播变快.因此,多沙河流高含沙洪水过程中河床出现的"涨冲落淤"现象使得后期落水阶段河床变形对水流运动产生的扰动较前期涨峰时更快,是产生洪峰增值现象的原因之一.     

溢洪道弯道水流影响因素研究

弯道水流受惯性离心力作用产生水面倾斜和扭曲,导致水面超高、凹岸冲刷和凸岸淤积等问题。本文采用RNG k-ε-紊流模型封闭雷诺方程和VOF法追踪自由表面,对某水库溢洪道弯道水流进行三维数值模拟,研究弯道水流水面调整的影响因素。首先,利用物理模型试验结果对溢洪道弯道水流的数值模拟方法进行了验证;其次,基于已验证的数学模型,通过调整弯道段的首端坎横向坡比、底板横向坡比、底板纵向坡降,研究了弯道水面变化规律;最后,对弯道水流水面调整影响因素进行了总结。研究成果对于调整弯道水流具有指导意义。     

考虑弯道环流影响的平面二维水沙数学模型(Ⅱ)——模型的验证

运用Chang的S型弯道断面流速分布和中性物质浓度分布,及实际河道的河床冲淤对修正后平面二维水流运动方程和悬移质不平衡输沙方程进行验证,并与修正前的模型进行比较.模拟结果发现修正后模型计算结果较修正前模型计算结果与实测值符合更好.表明二次流项及横向输沙项的加人能更有效地模拟出弯道处的环流水力特性及横向输沙特性.     

大宽深比变曲率弯道水动力结构大涡模拟研究

弯曲型河流是自然界常见的河流形态，弯曲引起主流、二次流与湍流紊动相互作用，产生复杂的水动力结构，影响河流演变和物质输运。目前相关数值模拟及试验研究多针对小宽深、常曲率弯道，与天然河流大宽深、变曲率形态存在较大差异，为了揭示与天然河流相近的弯道水流运动特性，本文针对大宽深比正弦派生曲线弯道三维水流运动进行大涡数值（LES）模拟研究，结果表明：零曲率断面中心区域二次流沿河宽方向分布最为均匀，回流区范围最大，在大宽深比弯道中，回流区范围最大可达断面面积的15.5%。大宽深比弯道中部流动受到弯曲边界约束较弱，主流区内顺流向流速分布较小宽深比工况更接近于顺直矩形明渠，大宽深比情况下，主流核心区集中在弯道中线附近0.5 ~ 1倍水深范围，随着宽深比增大，弯顶附近涡量绝对值增大，对下游的影响范围增大。大宽深比弯道中水流紊动能整体水平较低，紊动能等值线分布和顺流向时均流速等值线一样，均受二次流影响，主流区中心紊动能最小，主流和局部回流区间的剪切层紊动能最大。     

三峡下游不同类型分汊河段冲刷调整特点分析

针对三峡工程坝下游不同类型分汊河段在三峡蓄水后的演变特点及规律,依据原观资料,对宜昌～虎牙滩河段、宜都河段、关洲河段及芦家河河段进行河床演变分析,并按照水流动力轴线年内交替与否将以上河段分为水流动力轴线年内交替型分汊河道和水流动力轴线年内不交替型分汉河道.研究表明:三峡蓄水后,各典型河段具有各自的演变特点,其主要冲淤规律的不同在于冲刷主要部位的不同,但均为洪水水流动力轴线的所经之地,对于水流动力轴线年内交替型分汊河道而言,表现为其洪水主汊冲刷幅度大于枯水主汉,这一变化显然不利于该类型分汉河段分流格局的稳定,应当引起防洪及航运部门的重视.     

三峡水库运行后荆江段河湾平面形态演变特征

目前对三峡水库运行后下游水文泥沙特性变化、河道冲刷与崩岸等问题已有认识,但对河湾平面形态演变还少见论述。本项研究基于研究区枯水期遥感影像,分析了三峡水库运行10余年来荆江段枯水河湾平面形态的演变特征。结果表明,枯水河湾的中心线长度、凸岸长度、凹岸长度、弯曲率和中心轴长度存在显著变异,以下荆江段的变异程度更大,凸、凹岸及上、下荆江段在演变过程上存在非同步性。上荆江段凹岸先于凸岸发生显著变异,且平面形态演变以凹岸冲刷延伸占主导作用,下荆江段凸岸先于凹岸显著变异,并以凸岸冲刷收缩占主导。大部分河湾尤其在下荆江,表现为面积、平均宽度明显增加,而中心线长度、弯曲率与中心轴长度减小,河湾发展具有河道冲刷展宽但弯曲退缩的特征。还讨论了平面形态演变与凸、凹岸冲淤变化的关系。     

多参数曲率缓变溢流面的水力特性

水利水电工程中溢流面体型的设计是很重要的,设计不良可能引起水流发生空化而导致空蚀。工程中的空蚀破坏事例并不少见。多年来国内外常用的溢流面曲线有圆弧、椭圆弧、抛物线弧等。由于这些曲线在端点处曲率不为零,和直线连接时将引起压强突变。本文中建议了两种多参数曲率缓变曲线,可以分别在两端或一端和直线相接,端点的位置和切线的坡度可以预先给定。曲线方程的形式简单,便于应用。在其他工程中也可应用曲率缓变曲线,或用曲率改变的方法来控制压强分布。     

考虑植被作用下的二维溃坝水沙耦合数学模型

基于有限体积法和非结构三角形网格,耦合二维浅水控制方程、泥沙输移方程、河床变形方程建立平面二维溃坝波数学模型。水动力和连续方程均采用浑水方程,考虑了植被对水流、泥沙输移及床面冲淤变化的影响。水动力模型应用二阶精度的Roe格式近似Riemann解计算网格界面的通量,能够精确模拟干湿界面的动边界问题,将静水压力项和植物拖曳力项作为源项反映在动量方程中。应用模型对4个算例进行模拟,并结合实测资料对数值模拟结果进行了验证分析。计算结果表明:本文建立的平面二维溃坝水动力、泥沙耦合数学模型能够准确模拟复杂计算域的溃坝水流演进及床面变形问题。通过对有植被算例的模拟分析发现,滩地种植植物能减少植被区的流速和溃坝波对下游河床的冲刷,但同时也会降低有植被区河道的泄洪能力,导致洪水在上游区水位提升。     

三峡水库建成后对长江中下游江湖水沙关系变化趋势初探Ⅱ.江湖关系及槽蓄影响初步研究

三峡工程建成后,改变了坝下游的来水来沙过程,中下游江、湖河床将发生冲淤变化.为研究三峡水库蓄水运用后长江中下游河势和江湖关系的变化,根据三峡工程分期蓄水进程,结合原型观测资料分析以及数学模型计算等多种技术手段进行了初步探讨研究.三峡水库运用初期(2003年6月-2032年12月31日)长江中下游干流将发生自上而下的冲刷,河床冲深,枝城以上河段较快完成冲刷,并向F游发展;受长江中下游十流河床冲刷影响,荆江南岸三口口门水位下降,荆江三口分流道河床冲淤相应发生改变,河床有冲有淤,以淤积为主;三峡水库运用后洞庭湖区淤积量减少,至三峡建库后30年末,湖区平均年淤积量为多年平均年淤积景的40%左右,三峡水库建库明显减缓了洞庭湖区泥沙的淤积:三峡水库运用后相应各河段槽蓄量也发生了变化,计算成果表明,与三峡水库建库前相比,同一水位条件下槽蓄景有不同程度的增加,枯水河槽槽蓄量增加较多,洪水河槽槽蓄量增加略小.由于泥沙运动的复杂性及其它原因,对于三峡水库建成运用后的江湖关系还需进行深入的探讨和研究,为今后研究江湖治理措施提供重要的科学依据.     

许家崖水库溢洪道消能防冲方案模型试验研究

许家崖水库溢洪道中的水流为低弗劳德数水流,消能不充分是这类工程布置中的普遍问题。此外,溢洪道进口后方的弯道一定程度上恶化了溢洪道中的流态。为了得出更为合理的布置及消能防冲方案,通过模型试验的方法,从底流消能和挑流消能两个方面,分别对原设计方案进行优化,在各种优化方案的基础上对比了单级消力池消能方式、两级消力池消能方式和挑流消能方式之间的水流流态和消能效果,最终推荐挑流消能方式为工程较为经济合理的消能形式。     

多沙河流水库下游河道水面线预测推求方法的探讨

多沙河流河床冲淤强度大、河势多变。在水面线预测计算时不但要考虑现状河床边界与水流条件,还要考虑未来的河床变化及水位的相应影响,特别是有水库调控的河流下游更是如此。本文阐述了多沙河流水库下游河床演变调整特点,分析了受水库运用影响的河床反馈调整四个阶段与时间节点;深泓点高程调整可以用反映来水来沙及时间等因素的多因子分段函数表征。基于河床反馈调整的边界响应模式,提出了预测年河床边界条件的分时段处理和推求预测年水位流量关系的方法。利用提出的响应模式,进行了黄河小浪底水库下游河段的水面线预测计算。水面线成果较好地反映了河床调整对洪水位的影响,验证比较合理可信。     

溪洛渡坝区岩石河床冲刷过程数值模拟

高坝下游岩石河床受高速水流冲击作用,天然裂隙不断扩展和交互并形成充分发展的裂隙网络。基于裂隙中水流脉动压力传播机理以及孤立块体的稳定特性,本文提出了高坝下游岩石河床逐层冲刷破坏的物理概念模型。并针对溪洛渡水电站坝区岩石河床的冲刷机理和过程展开数值模拟研究,得出基岩在各个冲刷阶段的冲坑几何特性以及平衡冲坑深度,模拟结果与前人经验结果吻合较好。在高坝下游冲刷过程中引入基岩裂隙网络,能够真实的反映冲坑的发展过程,是水利研究方法的突破,其结果是可信的。     

荆江段抛石护岸稳定性计算及其影响因素分析北大核心CSCD

针对长江中游荆江段已护岸段的工程水毁问题,本文考虑单个块石起动及整体滑移破坏两种水毁模式,提出了基于力学过程的抛石护岸工程稳定性计算模型。以荆江北门口河段的两个典型断面为例,采用该模型计算了2017年8月—2018年10月水下抛石护岸工程的水毁破坏过程,定量分析了近岸流速、床面冲淤幅度、块石粒径及水下岸坡坡度对抛石护岸坍塌比的影响。结果表明:计算时段内抛石护岸工程总体上处于较稳定的状态,坍塌比均值仅为5%;坍塌比随近岸流速的增加而增加,当平均流速超过一定临界值时,坍塌比急剧增加,且块石团休止角越大,该临界值越大;坍塌比也随河床冲刷深度的增大而增大,且同样在特定冲刷深度下会出现急剧增加的变化趋势;随着块石粒径的增加和水下自然坡度变缓,抛石的坍塌比逐渐减小,且水下坡度缓于1:2.0的抛石护岸工程稳定性较高。     

三河口水利枢纽表孔泄洪消能方式研究

三河口水利枢纽为碾压混凝土拱坝设计,主要泄水建筑物是三孔泄洪表孔和二孔泄洪底孔,均采用挑流方式消能。为减轻对坝脚及下游河床的冲刷,在坝下游设置水垫塘。原方案时,表孔的泄流集中,导致水垫塘内的冲击压力较大,对水垫塘的安全运行不利。经过试验研究,最后选定的方案能最大限度的使水流分散,水垫塘内的流态及压力分布明显改善。     

溢洪洞出口挑流鼻坎优化试验研究

针对长益庙水库泄洪时下游岸坡淘刷严重这一问题,在挑坎前段溢洪洞YD+152.076-YD+168.875断面加了一对同心圆弯道的基础上,对原方案挑流鼻坎形式做了4种舌形挑流鼻坎修改方案。通过分析比较其挑距、扩散、冲刷等水力特性,最终认为修改方案三各水力参数较优,满足下游消能防冲要求,且施工难度不大,将之定为最终的挑流鼻坎推荐方案。另外,通过各舌形挑坎和原方案挑坎的对比分析,进一步明确了舌形挑坎在增强水流横向扩散方面的优越性。