阶梯作用下土质边坡坡面流的水力学特性试验研究

为了探究阶梯布置下土质边坡的阻力规律及产沙特性,揭示阶梯布置下土壤侵蚀水力学机理,将阶梯消能工运用到坡面流中,通过室内放水冲刷试验,研究土质边坡在西南地区常见坡度(10°)、4个放水流量(2、4、8、16 L/min)、4个阶梯级数(裸坡、一级、二级、三级)和2个阶梯高度(1、2 cm)条件下的水力学特性。结果表明：裸坡条件下平均流速与流量成线性关系,布置阶梯后转为幂函数关系;流程一定时,阶梯级数越多阶梯消能效果越好;二级和三级阶梯,阶梯高度2 cm的平均产沙量小于1 cm,一级则相反。通过阻力分析得出,阶梯可以增加坡面阻力,降低坡面径流平均流速、壅高坡面平均水深,使得径流对坡面土颗粒的侵蚀作用减弱,从而减少输沙量。     

单个阶梯-深潭破坏的力学模型

阶梯-深潭系统是山区河流广泛分布的重要河床结构,其破坏机理对于认识山区河流稳定性及河床演变具有重要意义。针对单个阶梯-深潭,以关键石块为研究对象,综合考虑上游来水条件、下游冲刷和泥沙环境,建立单个阶梯稳定性的理论模型。基于理论模型,分析弱输沙条件下阶梯破坏的临界条件和失稳机制。结果表明:(1)河道比降、关键石块粒径、来流流量、下游冲刷和互锁作用是弱输沙条件下影响单个阶梯-深潭稳定性的关键因素。(2)来流恒定时阶梯下游冲刷降低阶梯稳定性。阶梯失稳临界流量随冲刷增强而减小,因此水流破坏作用表现为阶梯下游坡脚冲刷降低失稳临界流量,同时来流增加超过临界流量导致破坏。(3)互锁作用可有效提升阶梯稳定性,并在阶梯坡脚冲刷程度较大时明显提升失稳临界流量,这是阶梯在一般洪水中维持稳定的方式。     

带尾坎的阶梯溢洪道数值模拟研究

带尾坎的阶梯溢洪道是一种新兴的阶梯溢洪道,在一定条件下可提高掺气效果和消能率,但是对于该种溢洪道内水流三维结构、压强分布以及尾坎参数对相关水力学指标的影响的研究甚少。为此,采用三维紊流数值模拟的方法计算了不同尾坎高度的阶梯溢洪道内水流流态、压强分布、流场结构、旋涡结构、消能效果等。研究结果表明:增加尾坎高度会抬升水面高程,但对水面形态影响较小;台阶水平面上压强分布呈"凹"形曲线,最小值出现在台阶中部,台阶竖直面压强最小值出现在其顶部,且台阶水平面、竖直面上压强均随尾坎高度增大而增大;旋涡强度和尺度随着尾坎高度增大而增大,但是主流流速分布无明显变化;消能率随尾坎高度增大呈上升趋势,但是变幅较小。     

前置掺气坎高度对阶梯溢流坝水力特性的影响

将掺气坎设置于阶梯溢流坝闸墩出口处,有利于阶梯掺气,避免阶梯空蚀空化。通过1∶25模型试验,在宽尾墩阶梯溢流坝上设置不同体形的前置掺气坎,研究了掺气坎高度变化对坎后有效空腔长度、空腔最大高度、下游坝面掺气浓度沿程分布、水舌冲击力大小的影响,并与未设掺气坎体形时对应的水力学参数进行了对比分析。结果表明:与未设掺气坎相比,增设掺气坎后阶梯沿程掺气浓度增长明显;有效空腔长度随坎高的增大而增大,空腔最大高度随坎高的增加无明显变化;随着坎高增加,水舌冲击力相应增加,对于53°的溢流坝面,坎高超过1.2 m后,水舌冲击压强将大于20×9.8 kPa。     

龙潭沟水库溢流坝泄洪消能局部冲刷试验研究

采用几何比尺为1∶30的大比尺整体枢纽水工模型,根据重力相似准则,进行了龙潭沟水库溢流坝泄洪消能水力学试验研究。试验结果表明,设计洪水时,原设计方案及修改方案都不会对下游河床造成冲刷;下游河道水流平稳,流速分布均匀。校核洪水时,随着溢流坝过坝流量的增加,单宽流量增加坝面水深增大,原设计光滑溢流坝面沿程水流掺气消能效果欠佳,下游流速大、水流紊乱,挑流水舌下游造成严重冲刷,影响泄洪安全。通过方案修改优化,提出阶梯溢流坝台阶尺寸为0.90 m×0.72 m+连续挑坎方案新型消能形式,宣泄校核洪水时消能率较高,且下游河道水流平稳,流速较低且分布均匀,满足龙潭沟水库工程的安全泄洪。     

真金万水库溢洪道消能方案试验研究

针对真金万水库溢洪道出口水流流速快、冲刷右岸边坡的问题,通过水工模型试验研究,取消了原设计方案中阶梯溢洪道下游消力池,而在溢洪道末端增设扭曲挑坎,并对扭曲坎进行优化,提出了利用两边直线段加中间小圆弧斜切挑坎的扭曲坎体形,获得了较好的水舌分散效果和入流流态。推荐方案的试验结果表明:阶梯+扭曲挑坎联合消能方案能够很好地解决真金万水库溢洪道的消能防冲问题,且阶梯和扭曲坎自身结构安全满足工程要求。     

前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面消能特性的影响

将掺气坎布置在宽尾墩出口和阶梯溢流坝首级台阶的中间位置,能有效减小高坝泄水建筑物在高速水流作用下发生空蚀和冲刷破坏的概率。利用水气两相流模型并联合RNG k-ε模型,模拟计算不同前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面掺气浓度和消能特性的影响,前置掺气坎角度依次取8°,10°和11.3°。其中模型采用VOF方法对自由水面进行处理,利用几何重建方式对水气面附近进行插值,采用PISO算法和非定常流算法进行计算。模拟计算结果表明,在不同前置掺气坎角度下,阶梯面平均掺气浓度沿程变化趋势为总体减小并在后几级台阶处保持不变;在靠近掺气空腔后的台阶处,沿阶梯水平近壁面凹角到凸角方向,掺气浓度的变化趋势为先减后增,而沿阶梯面垂直近壁面凹角到凸角方向,掺气浓度的变化趋势为先增后减,且同一断面的掺气浓度随前置掺气坎角度的增加而逐渐增加;在靠近反弧段的阶梯上,沿阶梯水平近壁面凹角到凸角方向,掺气浓度的变化趋势为逐渐增大,而沿阶梯面垂直近壁面凸角到凹角方向,掺气浓度的变化趋势为逐渐减小,随着前置掺气坎角度的增加,同一断面掺气浓度随着增大,且泄水建筑物消能率随之增大。     

阶梯溢流面流速系数的试验研究

基于模型试验，研究了阶梯溢流面的流速系数。影响流速系数的主要因素为单宽流量q、阶梯的高度h和溢流面的高度P。定义了一个无量纲参数－跌落数Dr=q/√gd。研究了阶梯面坡度l/d对流速系数的影响。给出了经验计算公式。     

与宽尾墩联合使用的阶梯溢流面水流掺气问题研究

通过模型试验、原体观测资料的分析发现,与宽尾墩联合使用的阶梯式消能工,为了满足溢流面水流掺气减蚀的要求,须使阶梯溢流面在初始段6～8个台阶形成空腔溢流,而阶梯堰面形成空腔溢流与阶梯起始断面的掺气坎型、坎高及宽尾墩型式有关。台阶高度对阶梯溢流面大单宽过流掺气浓度沿程变化影响很小,掺气浓发随阶梯溢流面坡比的变化比较明显,坡度越缓,沿程衰减越明显;掺气浓度随堰上水头的增加而增大;堰面使用Y型宽尾墩掺气量最大,无墩时最小,使用X墩时,处于二者之问。与宽尾墩联合使用的阶梯溢流面大单宽过流掺气量可以满足减蚀需要,而无     

缓坡度陡槽溢洪道阶梯消能研究与应用

作为一种新型的辅助消能工，阶梯式消能工得到较多的研究和应用，但以往的研究与应用主要集中于坡度较陡的溢洪道。本文在总结广东省多项水利工程阶梯式溢洪道试验研究的基础上，进行了4种坡度比阶梯溢洪道的模型试验研究，对缓坡度陡槽溢洪道应用阶梯式溢洪道的水力特性进行了研究探讨。给出了阶梯跌坎高度、阶梯跌坎间距等阶梯体形参数对消能效果及流动形态的影响规律，并对缓坡度陡槽溢洪道应用阶梯式溢洪道设计方法进行了探讨，可供类似工程参考。     

梅州抽水蓄能电站阶梯溢流坝与底孔泄洪建筑物试验研究

结合梅州抽水蓄能电站泄洪建筑物水工模型试验,确定在表孔堰面曲线末与阶梯连接处增设过渡阶梯、阶梯与护坦间采用反弧衔接、底孔纵向布置调整及出口窄缝挑坎的体型,对阶梯溢流面流态、流速、消能率进行研究探讨。成果表明,阶梯溢流面水流均匀滑行、掺气充分、流态平稳,护坦处水流衔接较好;底孔窄缝挑坎水舌纵向扩散效果较好,下游冲刷较轻;阶梯消能率呈现出随单宽流量增大而减小的变化规律。     

沙漠风积沙溯源冲刷速度的影响因素初探

通过试验对沙漠风积沙的冲刷破坏形态以及影响沙漠风积沙溯源冲刷速度的主要因素进行初步分析。结果表明:在具有跌坎的地形上,沙漠风积沙在集中水流冲刷下,表面的冲刷剥蚀速度远小于跌坎处的溯源冲刷速度;沙漠风积沙的溯源冲刷速度与通过沙漠风积沙表面水流的单宽流量、跌坎处初始落差以及沙漠风积沙的含水率等因素有关;在初始落差一定的情况下,溯源冲刷速度随单宽流量的增大而加快;在相同单宽流量作用下,溯源冲刷速度随初始落差的增大而增大。     

消力坎高度取值规律

在水工设计中经常涉及到消力坎高度的计算。当下泄水流发生远趋式水跃时应设置消力坎,以消除多余的水流动能。在设计消力坎高度时有些工程师们常常会采用下泄最大流量时计算所得的消力坎高度,然而此时计算出的结果并不一定是消力坎高度的最大值,因为有可能在小于设计过流能力时需要的消力坎更高。文章从分析工程设计中消力坎的设计高度与下泄流量和淹没状态之间的关系入手,得出消力坎高度与两者之间的规律。     

基于UG-FLUENT的溢洪道消力池水力特性影响研究

为研究水利枢纽溢洪道尾水渠消力池水力特征影响变化,采用UG建模平台与FLUENT流场计算平台开展了不同流量、不同坎高方案下压强特征计算。静压强以低流量下、大坎高下最大,流量每增加10 m³/s或坎高每增大5 cm,则断面平均静压强可下降20%或上升34.5%;边墙连接点处静压强水平低于池底,但波动性较小。池内高程与静压强具有负相关关系,但高程增大,坎高差异引起的降能减冲效果减弱。脉动压强均方差参数与流量值具有正相关关系,而坎高与之为负相关,流量每增大10 m³/s或坎高增大5 cm,平均方差参数可上升34.5%或下降27.1%。消力池中、下游断面上对水力势能限制作用较强,坎前断面脉动压强方差高于坎后,坎高增大有利于控能减冲。该研究可为水工结构中消力池设计与运营提供参考。     

阶梯-深潭系统消能研究综述

针对山区河流中自然形成的阶梯-深潭系统消能研究相对滞后的现状,归纳总结阶梯-深潭系统及台阶式溢洪道已有消能研究成果,从总流能量守恒方程出发,分析阶梯-深潭系统消能机理及消能率影响因素。认为台阶式溢洪道与阶梯-深潭系统的消能方式具有相似性和可比性。研究表明,在不同流量情况下,阶梯-深潭系统消能方式有显著区别,消能率存在较大差异;阶梯-深潭系统消能率的影响因素有坡降、糙率、粒径、阶梯高度和上游来流量,其中阶梯高度、坡降、糙率和粒径与消能率成正比,上游来流量与消能率成反比。认为阶梯-深潭系统消能的进一步研究需要结合大量野外调查数据,研究阶梯-深潭系统的几何特征,测量阶梯-深潭系统流场,进而得到水流能量的传递和耗散规律。     

挑流水垫塘坎尾壅水特性研究

挑流水垫塘(消力池)尾坎的壅水特性,对尾坎选型有重要的影响。通过模型试验实测和堰流计算的对比分析,对非淹没和淹没过流状态下尾坎壅水特性进行了研究。研究发现,受水垫塘(消力池)内的水流紊动影响,一般实际工程中尾坎高度可能偏小,因此,选择尾坎高度时需要在堰流计算的基础上适当加高。非淹没过流状态下,当泄洪流量相对较小时,尾坎高度可直接由堰流计算壅水曲线确定;随着泄洪流量的增加,水流紊动对尾坎壅水高度的影响也越来越大,尾坎的实际壅水高度与堰流计算值之间的差值逐渐增大,最高可达16.64%。淹没过流状态下,随泄洪流量的增加,水流紊动对尾坎壅水高度的影响越来越小,尾坎的实际壅水高度与堰流计算值之间的差值也逐渐减小,最小仅为7.43%。     

鼻坎型式对挑流局部冲刷影响的数值模拟

挑流消能为高水头水利枢纽主要泄洪方式,耗散能量的同时会对下游产生剧烈冲刷。为分析冲刷坑形成原因,探究鼻坎型式对于冲刷的影响,针对某一具体工程,采用自编程序以临界起动切应力作为泥沙起动条件进行数值模拟,结果表明：差动式鼻坎挑流水舌集中,单宽流量大,冲刷深度深,河床冲刷严重;舌型鼻坎挑流水舌横向扩散较大,单宽流量小,冲刷深度较浅。将计算结果与物理模型试验结果对照,两者基本吻合。证明通过用户自定义编程方法进行数值模拟能够较为准确的预测冲刷坑范围与深度,合理的鼻坎型式对于削弱下游冲刷效果显著。     

外凸型阶梯式陡坡段掺气和动压特性

为了探讨溢洪道不连续外凸型阶梯陡坡段的掺气和动水压强特性,开展了坡度为1∶3阶梯陡坡段的掺气和动水压强水力模型试验。研究表明:受外凸型阶梯突体的影响,其阶梯陡坡段水流未掺气区长度比常规连续的内凹型阶梯陡坡段缩短,其水面掺气断面下游的陡坡段壁面水流掺气浓度较高和沿程增大,掺气浓度随阶梯高度增大而增加,随单宽流量增大而减小,陡坡段壁面的抗空蚀性能明显提高;阶梯陡坡段壁面动水压强随阶梯高度和单宽流量增大而增加,在阶梯高度a≤0.6 m、单宽流量q≤30 m~3/(s·m)试验条件范围内,陡坡段水面掺气断面下游的阶梯壁面动水压强值为其相应断面流速水头的45%之内。     

反弧阶梯溢洪道水力特性

为提高大单宽流量阶梯溢洪道消能率和增加掺气,提出一种新型反弧阶梯溢洪道,即将传统直角阶梯的水平面改为反弧面。通过物理模型试验,对反弧形阶梯的流态、掺气发生位置和消能率进行了研究。结果表明,在试验条件范围内,反弧阶梯流态可分为跌落流、挑射流、过渡流、滑行流4 种,在单个阶梯长度和高度相同时,反弧阶梯掺气发生位置是直角阶梯的0. 5 ~0. 8 倍,反弧阶梯消能率比直角阶梯最大增加约9%。     

溢洪道出口段加固方案探究

当溢洪道出口段宣泄流量较小时,小洪水以贴壁流或跌水的形式下泄,将会对鼻坎底脚基础、两岸边墙基础产生淘刷,对鼻坎及边墙基础稳定造成不利影响。通过对某水库溢洪道现状分析,对挑流鼻坎起挑流量、渠底冲刷深度进行计算,探究适宜的工程措施。加固工程实施后能缓解溢洪道出口段两侧边墙基础冲刷问题,保证泄槽及挑流鼻坎的整体稳定安全。