水槽中闸门瞬时溃决时上下游水深及流量特性试验研究

鉴于研究水库溃坝时溃坝波传播过程及流量变化规律对大坝安全管理具有十分重要的意义,特做了30组工况下的平底无阻力矩形水槽瞬时溃坝模型试验。结果表明,瞬时溃坝后下游无水时的溃坝波呈反"S"型向下游演进,下游有水时会有相对稳定的激波区产生;渐进流区水力特性仅受初始上游水深影响,而激波区水力特性除受上游水深影响外,还受初始下游水深比的影响,随着下游水深的增大,所涌起的激波区范围越广水深越大,但溃坝流量越小。研究结果为大坝或水闸设计及其安全管理提供了参考依据。     

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。     

一种无干扰全流程水深测试方法及其在溃坝水流试验研究中的应用

基于MATLAB图像处理和计算机视觉模块函数库,开发了一种无干扰全流程水深测试方法:首先利用Camera Calibration工具箱标定摄像机以得到标定代码;其次,将记录水流运动的视频文件逐帧保存,利用标定代码消除每帧图片中由于广角镜头产生的桶形畸变,并对图片灰度化和二值化,同时加入中值滤波消除噪声;最后,读取二值图黑色像素点,将其转换为实际水深,从而获取其时空分布特性。运用该方法对强非恒定流–溃坝水流进行了试验测量,研究工况为上游水深500 mm,水深比(初始时刻下游与上游水深之比)为0～0.9。观测发现,溃坝水流可大致分为3种演进模式:简单波(水深比为0)、间断波(水深比为0～0.4)、起伏波(水深比为0.4～1.0)。分别选取3种典型工况(水深比为0、0.3、0.6)数据与波高仪测量结果进行了对比,结果表明,除上下游静水区二者数据吻合良好外,下游水面光滑平顺的渐变流区、激波前锋与下游出现强间断的激波区及水面起伏明显的起伏波区,波高仪较图像技术都有不同程度的壅高,水流演进越剧烈,壅高越明显。本文建立的测量方法无需在水流中安放测量仪器,具有无侵入性,对流场无干扰,不仅能够获取全流程水深数据、重现水流完整演进过程,还能很好地捕捉到诸如水流跃起、翻滚、波动、空气卷吸等流态细节。另外,试验中保持稳定光照及染色浓度,有助于降低图片噪点、改善图片质量,从而进一步提高测量结果的精度。