不同水沙条件下弯道河床冲淤与漫滩洪水特性研究

我国西南山区山洪灾害频发,严重威胁山区社会发展和人民生命财产安全。由于地形限制,山区常见弯曲河道,而弯曲段时常发生山洪灾害。以往弯曲河道水沙运动及河床演变的研究成果难以有效识别弯曲河道漫滩洪水下凹岸易灾区域范围。基于四川省芦山县王家村弯曲河道漫滩洪水灾害的现场观测,本文设计了弯曲水槽模型,测量了不同水沙条件下弯道水面超高、河床地形、凹岸水位和滩槽纵向流速,探讨了漫滩洪水的致灾机制,识别了漫滩洪水下弯曲河道易灾区范围。结果表明,上游流量是弯道漫滩洪水致灾的关键因素,而上游泥沙补给是次要因素。弯道水面超高随泥沙补给增加而增大,经对比计算,兰运长等的率定参数能较好预测河床冲淤稳定的弯道水面超高。水流不漫滩时,泥沙补给仅造成弯道凸岸轻微淤积,对弯道凹岸水位提升的影响很小。洪水漫滩后,上游流量增大造成凹岸水位和滩地流速显著增加。随着泥沙补给不断增大,弯曲主河道河床整体淤积,但淤积对水位和滩地流速的影响较小。30-60°断面区域是90°弯曲河道的易灾区范围,这是因为该区域内的滩地流速大于主河道流速和上游来流流速,滩地最大流速出现在弯道50°断面,其值可达上游来流流速的1.3倍。从水动力学角度分析,洪水漫滩时,滩地流速显著增大是王家村弯曲河段弯顶附近滩地成灾的原因。     

粗化层破坏的试验研究和机理分析

本文选用粒径为0.05-25.0mm的天然沙,在长16m,宽0.3m,深0.4m的变坡玻璃水槽中进行了3种级配的14组次粗化层形成和连续破坏的试验。在前人研究基础上,根据试验观察和泥沙起动判别条件,将普动作为粗化层破坏的判别条件。在分析试验资料的基础上,初步探讨了粗化层破坏的机理,得到了粗化层破坏的初步水流条件,发现粗化层破坏流速与一般泥沙起动流速不同,粗化层越粗,破坏流速越大。     

陡坡河道透过性坝阻水效应及沿程水深预测方法

透过性坝是一种泥石流防治工程措施。对于少沙陡坡河道，透过性坝主要发挥其阻水功能。本文开展概化模型试验，研究陡坡河道透过性坝的阻水效应。在不同坝体透水率与上游流量下，测量透过性坝上游自由出流区、坝前壅水区和下游水流充分发展区的水深。建立了上游自由出流区与下游水流充分发展区的水深预测模型。基于能量方程，提出了坝前壅水区沿程水深计算模型与壅水区长度预测方法。结果表明：坝体透水率和上游流量是影响坝前水深与壅水范围的两个关键参量。当透水率越小或/且上游流量越大，坝前水深越大，壅水范围越大。下游水流充分发展区水深主要与下泄流量和河道过流条件有关。采用本文30组试验数据对上游自由出流区水深、坝前壅水区长度与沿程水深及下游水流充分发展区水深的预测公式进行验证，结果表明公式可准确预测上述三个区域的水深及壅水长度。研究成果实现了透过性坝沿程水深、壅水区长度的准确预测，预测结果可为少沙陡坡河道中透过性坝的结构设计提供理论支撑。     

塔坑水电站引水防沙设施试验研究

针对低闸引水开发式电站库小,沙多、落差大、泥沙严重的问题,以塔坑水电站为例,通过模型试验验证了枢纽布置,并修改和优化了引水防沙设施.试验结果表明,电站枢纽布置合理,优化后的引水防沙设施效果理想.可满足工程规划设计要求.     

山区暴雨山洪水沙灾害预报预警关键技术研究构想与成果展望

山洪灾害为全球重大自然灾害之一,本世纪全球因山洪灾害造成的经济损失已高达每年460多亿美元。我国山洪灾害防治区面积约占陆地面积的40%,山洪灾害造成的人员死亡约占洪涝灾害死亡人数的70%。近年来,我国全面开展山洪灾害防治项目建设,目前已基本建成了专群结合的山洪灾害防治体系,山洪灾害监测预警技术水平明显提升。山区暴雨山洪灾害实例表明,重大人员伤亡与重大财产损失的山洪灾害事件往往源于洪水和泥沙的共同作用,然而,以往在进行山洪灾害防治时,大多仅关注“洪水”的作用,忽视了“洪水和泥沙”共同作用将显著增大山洪灾害的致灾风险乃至出现“小洪水大灾害”。为了进一步提高山洪灾害防控能力和完善山洪灾害防御体系,亟需深入研究暴雨山洪水沙灾害预报预警关键技术。“山区暴雨山洪水沙灾害预报预警关键技术研究与示范”项目,以洪水和泥沙共同作用为切入点,凝练了四个需攻克的关键科学技术问题：1)山区暴雨作用下流域产流产沙异变机制、水沙过程与沟床剧变耦合致灾机制；2)山区暴雨山洪水沙灾害早期识别与致灾要素一体化智能监测技术；3)山区暴雨山洪水沙运动过程模拟与快速预报技术；4)基于山洪水沙灾害动力过程的灾害风险动态评估与预警防控技术。围绕关键科学技术问题的内涵,提出五个需开展的重点研究内容：1)山区暴雨产流产沙过程与水沙耦合致灾机制研究；2)山区暴雨山洪水沙灾害早期识别与智能监测技术；3)山区暴雨山洪水沙运动过程模拟与快速预报技术；4)山区暴雨山洪水沙灾害风险动态评估与预警技术；5)山区暴雨山洪水沙灾害预报预警防控平台构建与示范。研究成果将揭示山区暴雨产流产沙过程与水沙耦合致灾机制,提出山区暴雨山洪水沙灾害早期识别方法、山区暴雨山洪水沙灾害智能监测技术体系、山洪水沙运动过程模拟与快速预报技术、山洪水沙灾害风险动态评估与预警技术等,构建集早期识别、风险评估及综合防控一体化的暴雨山洪水沙灾害预报预警防控平台,提升我国暴雨山洪灾害监测预警与防控的实时性、精准度和智能化水平。     

某水库岸边溢洪道体型优化试验研究

结合某中低水头水库工程的岸边溢洪道,以水流流态衔接、减小消力池规模为控制指标,采用物理模型试验比较了采用"光滑溢洪道+底流消力池"与"前置掺气坎式阶梯溢洪道+底流消力池"两种消能方案的优劣,对不同布置方案在不同运行工况下的水流流态、入池流速与消能率等水力学指标进行详细对比分析。研究成果表明:采用前置掺气坎式阶梯溢洪道后,消力池长度能缩短57.1%,入池流速减小最大达51.18%,综合消能率大于84%。同时,前置掺气坎式阶梯溢洪道使阶梯泄槽内掺气更充分,继而可减小发生空蚀破坏的可能性。研究成果可为类似工程设计提供一定的参考。     

卵砾石河道流速分布及对糙率影响的试验研究

通过水槽试验,利用激光多普勒流速仪(LDV)测得水流时均流速,通过改变河床比降及流量等水力条件,探讨了卵砾石河道流速垂线分布规律,并分析了不同比降、不同流量下的流速对河道糙率的影响.试验结果表明,不同水流下垂线流速分布存在差异.     

山区流域强降雨情况产流模式研究—以涪江平通河流域为例

山区流域极端强降雨导致的山洪灾害频发，造成生命损失和经济活动的巨大破坏。科学的认识这类极端天气下灾害的发生、发展过程，对实现灾害监测和风险管理十分重要。山洪过程的模拟是认识这一灾害的重要科学手段，而模型计算精度是山洪模拟的关键。将超渗、蓄满产流模型与运动波地貌瞬时单位线水文模型（简称KW-GIUH模型）进行融合，优选出适合山区流域强降雨情况下的产流模式，从而提高山洪过程的模拟精度。以典型山区流域涪江一级支流平通河为研究对象，选取了两场次历史强降雨过程进行模拟。研究结果表明：无论超渗或蓄满产流模型与KW-GIUH模型进行融合后，其模拟精度比KW-GIUH模型所模拟的径流过程更接近实际情况；而先超渗后蓄满的混合产流模式较单一的超渗或蓄满产流模式模拟效果更优。适合山区流域强降雨情况下的产流模式为先超渗后蓄满的混合产流模式，其中产流模式的转变出现在第一次连续降雨基本结束之时，即在第一次洪峰之前基本以超渗产流为主，随后的产流方式以蓄满产流为主。     

复式河槽动量输运系数研究

复式河槽动量输运系数在计算复式河槽过流能力、滩槽交界面平均表观剪切应力和滩槽床面平均剪切应力等方面有着十分重要的作用。本文首先根据刘沛清和Knight滩槽交界面垂向平均表观剪切应力关系式，导出复式河槽动量输运系数的表达式；接着运用英国科学工程研究协会洪水水槽设施(SERC—FCF)的大量的系列水槽实验成果，分析了动量输运系数随相对水深及滩槽宽度比的变化关系；最后根据获得的动量输运系数关系，利用刘沛清方法计算复式河槽过流能力。计算结果表明：本文中的动量输运系数随相对水深及滩槽宽度比的变化关系是可行的。     

水槽中的非均匀沙起动流速研究

基于泥沙起动的已有研究成果,采用起动流速统一表达式回归分析了多份试验资料,探讨了起动流速公式中起动系数的取值范围.考虑到非均匀沙之间的荫蔽作用对泥沙起动规律的影响,在泥沙粒径计算公式中引入荫蔽参数,分析了不同水槽试验资料中荫蔽参数的取值.对水槽试验非均匀沙起动流速的计算值与实测值资料的比较研究表明,起动系数一般为4.1～5.3;初始松散床面泥沙时荫蔽参数较小,可取0.2,但能否应用于山区天然河流中还有待进一步研究.