山区河流阶梯—深潭结构水力特征数值模拟

为了探究阶梯—深潭结构在不同流量工况下的消能机理,采用紊流数值模拟方法分析研究了阶梯—深潭结构紊动能、紊动能耗散率、流场结构、潭底压力强度等主要水力参数。结果表明,随着流量的增大,平均紊动能耗散率不及平均紊动能增加速率快,验证了阶梯—深潭随着流量的增加消能率会有所下降;小流量工况下深潭内环流区明显,增大了水流滞留潭区时间,能量耗散效果较优;大流量工况下流量的增加促使结构发生自适应调整,水深加大,形成水垫及漩滚耗能,水流阻力增大且维持潭底压差分布趋于平稳,削弱了主流对河床的直接冲刷,有利于河床稳定。     

阶梯-深潭结构潭底压力特征研究

以山区河流天然的阶梯-深潭结构为研究对象,采用k-ε双方程紊流数值模拟方法,研究了不同流量下的阶梯-深潭结构潭底压力特征与河床结构安全相关的性质。4个数模工况实验数据均表明阶梯-深潭结构深潭底压力分布较为均匀,在潭底的压力分布呈现类似圆圈状闭合曲线状形式,保证了潭区压力分布的均匀性和合理性,同时也促进了能量高效均匀耗散。此外,阶梯-深潭结构主动调整潭区结构以及水深分布,形成水垫促进压差分布趋于平稳,阻止了因大流量工况下能量积聚、压力集中对河床结构造成直接被冲毁情形的发生,有利于河床结构的稳定和安全。     

进占方式对戗堤局部冲刷影响的三维数值模拟

在实施土石堤坝溃口快速封堵、河道截流等水利和防洪减灾工程时,口门或龙口处存在较强的局部冲刷。基于已有的经圆柱、丁坝局部冲刷试验结果验证的三维数值模型,模拟了单向、双向进占方式下龙口宽度B/H=4.3、5.8时堤头和河床的局部冲刷发展。根据水流特性与冲刷发展的关系,分析了加剧局部冲刷的水流结构和进占方式对局部冲刷发展的影响规律。研究结果表明:单向进占时,戗堤对水流和冲刷发展存在偏移效应;冲刷在初始阶段均表现为沿堤头上游、裹头下游形成的斜向轴线冲刷趋势,堤头上游绕流后的边界冲刷在整个冲刷过程中始终剧烈;进占长度对水流冲刷偏移效应产生影响,在B/H=5.8时剧烈淘刷区位于戗堤堤头上游的底部堤脚,但是在B/H=4.3时则位于裹头下游。双向进占时,水流沿龙口轴线对称分布;进占长度影响戗堤局部冲刷的剧烈程度。下潜水流和涡旋是造成戗堤局部冲刷的主要原因。     

长平水泵吸水管泥沙淤积反冲试验研究

水泵长平吸水管内淤积泥沙、反向起动冲沙试验，研究了反冲管安装在吸水管不同位置时反冲泥沙的流态及冲沙效果，并加以数值模型模拟计算，得出应用中的最佳效果的位置。研究成果基本解决了此类工程的安全生产问题。     

消能结构防治泥石流研究——以文家沟为例

阶梯-深潭系统作为一种新的消能结构在2009年用于文家沟滑坡体上新生沟谷的泥石流治理研究。阶梯-深潭系统在阶梯和水跃段耗散了水流大量的能量,使得水流中的能量减小到不足以触发泥石流,理论分析表明阶梯-深潭系统可以耗散水流三分之二的能量,即同样状况下触发泥石流的临界流量需增加三倍。阶梯-深潭系统使得水流阻力最大化,避免河床和岸坡遭受侵蚀。2009年的几次暴雨没有在文家沟引发泥石流。然而,2010年在沟内修筑了20道拦挡坝来代替阶梯-深潭系统,经过2010年8月暴雨后,20座拦挡坝全部被破坏。沟谷再次下切了50m。沟谷下切和侧蚀导致大量松散堆积物进入沟道形成泥石流,约450万m3冲出沟口,造成大量的房屋被埋以及14人死亡。比较两种防治方法可以看出,以消能为目的的阶梯-深潭系统对防治泥石流是成功的。拦挡坝在稳定的情况下可以减少边坡的垮塌,而阶梯-深潭系统还能够通过耗散水流能量稳定沟道,因此采用拦挡坝和阶梯-深潭系统相结合的方式来稳定滑坡体上的新生沟谷,并控制泥石流可能效果会更明显。     

汶川地震引发的流域管理新课题

汶川地震引发了大量的山体滑坡和崩塌.巨型滑坡夷平了山谷,创造了平缓坡地.这些新生地非常不稳定,易引发泥石流.尽快稳定和开发新生地是一个新问题.滑坡造成的堰塞湖引起剧烈河床演变,对河流地貌和稳定产生长远和深刻的影响.大量的崩塌体形成大石块堆积体,表面没有土壤,如何修复植被是一个严峻的挑战.本文通过野外测量和试验,对上述问题进行了探索并取得了初步成果.成果表明,采用阶梯-深潭结构稳定滑坡体,可以控制或减轻泥石流;发生于崩塌和滑坡体上的泥石流含水量小且大石块多,不是黏性泥石流而是两相泥石流,运动速度仅为黏性泥石流的1/10;堰塞坝发育成尼克点会显著改变河流纵剖面,稳定岸坡减少滑坡崩塌灾害;在花岗岩崩塌体上引种紫萼藓能显著加快植被演替,绿化裸露的石块堆积体.     

截流戗堤单向进占的局部冲刷三维数值模拟

戗堤截流主要在河道截流和堤坝溃口封堵等水利和防洪减灾工程中得到应用,戗堤周围的水力冲刷直接影响工程的安全性。由于戗堤进占过程表现出较强的三维非恒定性,因此目前采用三维数值模型全面细致地模拟进占过程中戗堤周围的三维水流结构和冲刷特性较少。该文基于有限体积法和非结构化的计算网格构建了以水动力学模型、泥沙冲淤和河床变形方程为基础的三维局部冲刷数值模型,从室内明渠截流工程实验中得到的龙口平均流速、上下游水位落差、底床切应力分布与地形变化的关系等结果验证了数值模型的可靠性。利用该数值模型模拟了截流戗堤单向进占方式下不同进占长度时戗堤附近和龙口处的三维水流特性,以及戗堤周围局部冲刷地形的发展。通过分析水流特性与冲刷坑发展的关系,阐述了戗堤周围局部冲刷的物理成因。研究结果表明:涡旋和下潜水流是戗堤附近河床剧烈淘刷的主要原因;单向进占时戗堤对水流具有偏移效应;在初始阶段,冲刷趋势表现为沿堤头的上游至裹头下游形成的斜向轴线冲刷;在冲刷发展过程中,龙口中部出现泥沙淤积,主要冲刷区位于戗堤和裹头绕流后的底床。研究成果进一步表明数值仿真技术可应用于工程截流实践中,能预测截流中可能出现严重堤脚淘刷的位置与趋势。     

进口形式对浅水垫消力池水跃特性的影响

针对泸定水电站3#消力池出口边界不对称的特点,通过单体局部模型试验对三种不同进口衔接形式的浅水垫消力池内的水跃形态进行了对比分析。研究结果表明,消力池进口形式对水垫深度影响较大,直接决定了水跃是否能够形成及其稳定性。多级台阶进口最适用于入池主流能够充分靠近底部又能保证一定水垫深度情况,在水流入池角度较小时主流远离池底水垫厚度过大时,则容易形成面流流态;圆弧进口可以将入池水流导向池底,但进口扩散段在出口不对称性和尾坎的顶冲反射作用影响下,导致水垫厚度不均匀,从而产生不稳定斜向水跃,同时影响边墙的稳定性;采用一定长度的等宽圆弧进口则可使得池内水跃流态稳定,消能效果良好。因此,浅水垫消力池要充分发挥其优势,在实际应用时需重视进口形式的设计,以形成合适的浅水垫。     

田湾河流域地貌和水系对泥石流分布的影响

田湾河流域易发生泥石流,近年来发生泥石流的分布在其左右岸呈现较大差异,左岸发生过泥石流的沟谷数远小于右岸。通过实地考察,获取流域的特征数据,对沟谷比降特征和水系发育情况进行分析。研究发现,田湾河右岸的沟床比降为"先缓后陡"型,而左岸沟谷为"先陡后缓"型,后者沟谷发育更趋于成熟,沟谷形态相对稳定,不易发生泥石流;左右岸Horton比均在合理范围,然而右岸水系更加发育且右岸沟谷形态尚不稳定,右岸的各级Horton比的变幅较左岸大,河网形态对泥石流触发有不同影响。     

闸坝地基岩土体各向异性渗流边界条件的影响分析

渗流运动数值模拟计算结果的精度与边界条件的处理关系密切,在各向异性渗流情况下分析了边界条件选取对计算结果的影响程度,将水利工程中各向异性渗流常见的边界情况概化为四类数学模型并进行了数值模拟计算。结果表明,边界附近区域的水头分布受边界条件的影响最为明显,呈很强的非线性,边界条件的不同也会影响各向异性区域内部流速分布和渗流量。