裸露穿河管道在压重块保护下的冲刷特性

水流冲刷引起河床变形的不确定性对水下穿越管道的安全运行造成威胁。为了探究裸露穿河管道在压重块保护措施下的冲刷特性,通过水槽模型试验,研究压重块长度、压重块布置间距、水流流速、河道水深等因素对管道周围河床地形和冲刷深度的影响。试验结果表明:水下穿越管道在压重块保护措施下的冲刷过程可分为冲刷坑形成、压重块迎流侧悬空、管道迎流侧悬空和冲刷平衡4个阶段;管道的最大冲刷深度与流速和压重块长度正相关,与水深和压重块布置间距负相关;采用量纲分析法得到了无量纲冲刷深度与压重块长度、压重块布置间距、弗劳德数之间的函数关系式。研究成果可为水下穿越管道压重块保护措施的设计、建造及运营维护提供重要的理论支撑。     

流道宽度及来流速度对鲫鱼运动模式的影响

为考察鲫鱼在不同流道宽度和来流速度下的运动模式,在自循环型水槽中进行了鱼游运动观测实验。实验用鱼体长18~20 cm,体重180~200 g,流道宽度为7~60 cm,来流速度0.1~0.6 m/s。利用高速摄影对不同条件下的鲫鱼游泳运动过程进行了记录,使用image Pro等图像数据分析软件对鱼游运动的摆尾频率、振幅、体波数等参数进行了定量分析,并拟合得到了鱼游运动方程,归纳了各运动参数随来流速度和流道宽度的变化规律。分析结果表明:鲫鱼的摆动频率、摆动幅度及体波数随来流速度变化有明显的改变,而流道宽度对鱼游泳运动模式的影响有限;来流速度增大,鱼的运动频率、运动幅度、体波数均有所增加。目前与鱼游运动相关的研究多集中于流速对其摆尾频率和振幅的影响,少有探讨鱼体摆动的体波数这一参数,更少有探究流道宽度对鱼运动的影响。研究成果积累了相关实验数据,可增加对鱼游运动机理的认识,为鱼类洄游通道恢复措施的制定提供理论支撑。     

水下穿越管道悬空段受力特性的试验研究

水下穿越管道在常年服役过程中由于自然、人为等因素易产生裸露、悬空等现象,使得管道部分或全部暴露于水流中,其受力状态发生改变,甚至断裂,严重威胁着管道安全与河流生态健康。为了研究水下穿越管道经水流冲刷露出的悬空段所受水流作用力的受力特性,开展了水工物理模型试验,探究了在流量一定时,流速、管流夹角、管径以及间隙比4种因素对穿越管道悬空段所受水力荷载的影响。试验结果表明：管道迎水面部分受压,部分受拉,管道背水面全部受拉,管道迎水面中点处压力值最大,管顶拉力值约为管底拉力的1.05～1.25倍,管道表面各点压力值与流速、管径、管流夹角呈正相关,与间隙比呈负相关,管道压力分离点位置随流速、管流夹角、管径的增大而前移,随间隙比的增大而后移。单位长度管道所受上升力大小约为水平拖曳力的1/10～1/20,二者均随流速、管流夹角、管径的增大而增大,随间隙比的增大而减小。根据试验数据,结合多元回归模型拟合得到单位长度管道所受水平拖曳力和上升力的计算公式,其公式计算结果与试验结果基本一致,且在实际工程算例中具有良好的普适性。研究成果将为水下穿越管道的布线设计、冲刷防护及运营管理提供一定的理论参考。