山区变比降河道卵砾石溯源淤积的数值模拟

山区河床组成多为宽级配卵砾石颗粒、沿程河床比降陡缓相接,受泥沙补给及水流过程影响,不同河段冲淤变化复杂多变,溯源淤积引发山洪现象频繁发生。为探究泥沙补给条件的变化对于山区河流河床冲淤变形以及水位变化的影响,作者以变坡陡比降河道为研究对象,通过计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元(discrete element method,DEM)耦合的方法对不同来水来沙条件下典型山区河道中卵砾石的溯源淤积过程进行了数值模拟,并将计算结果与室内水槽试验结果进行了比对。计算结果表明:强输沙水流由陡比降河道进入缓比降河道后,泥沙一旦在下游发生淤积,便会迅速向上游传播,进而导致河床大范围淤积抬高。溯源淤积的起始位置,发展速度以及淤积床面的厚度与上游泥沙补给强度、水流速度、颗粒粒径等因素有关,来流流量越小、泥沙补给强度越大,溯源淤积的起始位置越靠近河道上游,淤积发展速度越快,淤积床面厚度越小。泥沙淤积会导致淤积段沿程水位显著升高,在淤积锋面处,水位变动最为剧烈,水位增加明显,随着溯源淤积的继续发展,该位置处的水位会稍加回落并且趋于稳定。由此可见,山区河流泥沙补给条件的改变对于河床变形以及水沙灾害具有重大的影响,为揭示山洪泥沙灾害的致灾机理提供了理论基础。     

辽宁省普通公路桥墩抗冲刷防护形式数值模拟

目的 探讨桥墩圆形石笼防护和矩形石笼防护对流场造成的影响,进而判断出何种防护形式更适合作为桥墩防护结构.方法 采用GAMBIT软件建立计算模型,之后采用流场分析软件FLUENT,运用VOF方法对圆形石笼防护和矩形石笼防护进行数值模拟分析,从水流流速、动压力、河床剪切力、紊流强度四个方面进行研究.结果 矩形石笼防护对流场的影响非常大,而且矩形石笼的阻水效果非常明显,这会影响水流的流势和河床的稳定,圆形石笼防护也有阻水效应,但是这种效应造成的影响较小.结论 数值模拟分析发现圆形石笼防护更为合理,更加适合对桥墩进行防护.通过实际工程验明桥墩处采用圆形石笼防护可有效保护桥墩.     

山区河流浅水条件下漂石对河床响应与泥沙补给影响的试验研究

受暴雨洪水与滑坡、泥石流灾害的影响,山区河流床沙多为宽级配卵砾石泥沙,甚至出现较多的漂石,从而影响近底水流结构与推移质输移特性。基于野外漂石河流的调查,通过概化试验,探讨了漂石颗粒对河床冲淤的影响;对比分析了不同水沙条件下漂石对推移质输沙率过程的影响;根据床面粗化程度与漂石状态相异的两种类型对比试验,探讨了漂石对不同水沙条件下推移质输沙率的影响程度。初步表明：随着漂石颗粒相对暴露度（D/h,漂石等效粒径与平均水深之比）的减少,漂石对其尾部区域水流的混掺越加突出,从而对河床的冲刷能力变大;根据本试验采用的水沙参数,漂石对推移质输沙率的扩大效应为几倍至十几倍。     

嘉陵江与长江交汇水流顶托效应特性研究

干支河流交汇是河流水系发育与演化的重要形式,在河流交汇区常发生水流顶托现象。水流顶托显著影响着干支流交汇区水位、水面比降及床面切应力特性,从而制约着交汇区水沙运动特性及河床演变过程。以嘉陵江与长江交汇区为例,基于实测资料与不同组合干支来流的数值模拟结果,突出分析了不同干支来流条件下典型区域水位、水面比降及床面切应力变化特性,结果表明嘉陵江对长江的顶托作用随汇流比的增大而增大,长江上游水面比降随汇流比增大而减小,床面切应力随汇流比增大而减小。     

圆柱桥墩局部冲刷安全防护方法研究

针对当前桥梁服役环境复杂、受冲刷影响大和防护成本高等问题,基于 Ｆｌｏｗ－３Ｄ 软件的水动 力学分析对圆柱形桥墩局部冲刷安全防护方法进行数值模拟研究。参考 Ｍｅｌｖｉｌｌｅ经典水槽实验, 利用标准ｋ—ε湍流模型和大涡湍流模型求解圆柱形桥墩墩周水流流态与河床局部冲刷形态变化, 并进一步运用大涡湍流模型,考虑牺牲桩桩径、桩心距以及牺牲桩与护圈共同作用对桥梁最大冲刷 深度的影响,建立了结合局部冲刷安全防护的圆柱形桥墩冲刷数值模型。实验结果表明：在给定的 网格划分条件下,大涡湍流模型相较标准ｋ—ε湍流模型计算精度高;牺牲桩的桩径以及桩心距都 会影响桥梁最大冲刷深度,在所选取的工况条件下,牺牲桩桩径为０．２５Ｄ,桩心距为 Ｄ 时冲刷深度 最小;牺牲桩在与护圈共同作用时能够进一步减少桥梁最大冲刷深度。     

马鞍山长江大桥近岸桥墩对河岸稳定影响试验

水流作用产生的局部冲刷对桥墩自身安全、河岸稳定有重要影响.在桥墩局部冲刷和近岸岸坡相对不稳定性的共同作用下,近岸桥墩附近河床变形趋势更具复杂性,对河岸稳定影响更加直接.以马鞍山长江大桥左汊近岸桥墩为研究对象,分别建立桥址断面概化模型和岸坡概化模型,通过不同流量条件下水槽模型试验,研究近岸桥墩附近水流形态、最大冲刷深度、最大冲刷坑形态以及岸线变化的情况,分析近岸桥墩引起的绕流顶冲、水面涌波、局部冲刷、冲刷不对称对河岸稳定的影响,从利于河岸稳定角度提出近岸桥墩布置一般原则,为近岸桥墩选址、桥墩选型和岸坡防护设计提供参考.     

嘉陵江与长江交汇水流顶托效应特性研究

干支河流交汇是河流水系发育与演化的重要形式,在河流交汇区常发生水流顶托现象。水流顶托显著影响着干支流交汇区水位、水面比降及床面切应力特性,从而制约着交汇区水沙运动特性及河床演变过程。本文以嘉陵江与长江交汇区为例,基于实测资料与不同组合干支来流的数值模拟结果,突出分析了不同干支来流条件下典型区域水位、水面比降及床面切应力变化特性,结果表明嘉陵江对长江的顶托作用随汇流比的增大而增大,长江上游水面比降随汇流比增大而减小,床面切应力随汇流比增大而减小。     

滑坡堵江弯道床沙分选及河床变形试验研究

为了对地震后弯曲河流的灾害防治提供科学依据,通过弯道不同水流条件清水冲刷试验,分析了弯道水流结构、床沙分选及其河床变形特征,得到结论:弯道进口顶冲位置具有较大的横向流速;对于非均匀床沙弯道,河段不同位置床沙粗细化现象极为显著;弯道河段地形冲淤变化不同区域存在较大的差异.深入揭示了弯道底沙运动、冲淤变形与水流特性的相互作用机制.     

卵砾石床面时均流速分布的试验研究

单一明渠水流由于边壁和自由水面的影响,主流区内时均流速沿垂线方向的分布存在多种形式。本试验借用声速多普勒流速仪(Sontec-ADV),测试了不同卵砾石床沙组合条件下的床面时均流速结构。试验表明:垂线流速分布主要受床面糙度R/Ks和水流流态的双重影响,佛汝德数和相对糙度在一定程度上决定了其归属于单一对数分布还是S形曲线分布,而S型曲线的转捩位置Z/H值与相对糙度R/Ks具有较好的相关性。     

侵蚀基准面对石亭江双盛段河床演变的影响

以四川典型山区河流石亭江双盛段为研究对象,针对该河段有多处涉河建筑物(包括人民渠穿江涵洞、成兰铁路石亭江大桥、成绵复线高速公路石亭江大桥等),在经历2009—2013年间多次洪水后引起桥梁桩基出露高达10 m、涵洞处河床下切20.29 m等影响涉河建筑物运行安全的情况,本文利用HEC-RAS的泥沙计算模块,研究在考虑床沙细化和清水冲刷的条件下,局部侵蚀基准面的改变(包括侵蚀基准面下降、涵洞固床工程和桥位处的硬化工程的存在与否)对石亭江双盛段河床演变的影响。结果表明,下游侵蚀基准面的下降、涵洞固床工程的存在和桥位处的硬化工程均会不同程度地加剧该河段的局部河床变形幅度。其中,下游侵蚀基准面的下降会引起溯源冲刷、改变局部河段纵比降;涵洞固床工程与河床交界处易形成局部冲刷坑并加剧河床下切,由此建议将涵洞下移;桥位硬化工程会加剧冲刷和淤积,并在两桥之间产生淤积。针对清水冲刷下的研究成果可对山区河道内涉河建筑物对河床演变的影响进行预测,为河流的综合开发与管理提供科学依据。本文可进一步研究该河段人工采砂等人类因素干扰下河床粗化表层的破坏对河床演变的影响,以对涉河建筑物的设计与防护提供参考;或结合震后河流水沙变化研究河道横向与纵向演变趋势,对震后河道治理提供依据。     

龙开口水电站的泄洪消能防冲试验

龙开口水电站泄洪流量大且坝址处主河床狭窄,泄水建筑物布置在主河床,电站置于右岸紧靠泄水建筑物．对于此类工程,消能防冲是主要问题．以水工模型试验为手段,通过多个试验方案,研究了溢流坝和泄洪中孔的消能效果、挑射水流消能后与下游河道水流衔接问题、下游河床及两岸的冲刷情况以及电站尾水出口水面波动情况．经对比分析并综合考虑消能防冲与发电相互影响因素,提出最优枢纽布置方案和泄水建筑物结构型式,另外也为岸坡防护提供了一定的依据．研究成果对大流量窄河床条件下的重力坝泄洪消能工程设计和同类型模型试验具有一定的借鉴意义．     

丁坝绕流及局部冲刷坑二维数值模拟

针对以往常用的丁坝绕流流场计算方法存在的不足，建立了边界拟和曲线坐标变换下的平面二维变水深流函数-涡量数值模型。给出的坐标变换可用于三维；计算紊动扩散系数采用F分布，模型可用于变水深情况。用本文的模型，研究了单个丁坝与不同个数、不同形式的丁坝群产生的流速场与涡量场，给出涡量与局部冲刷坑范围及最大冲深部位。结果表明：计算得出的流函数、涡量、流速合乎规律；丁坝坝头处涡量较大，是形成冲坑的主要原因。方法较通常紊流模型及原参数解简便，为丁坝绕流及局部冲刷坑的数值模拟，开辟了一条新途径。     

钢的冲蚀磨损与机械性能的关系及其磨损机理的研究

本文研究了以棕刚玉及玻璃砂为磨粒的钢的冲蚀磨损与机械性能的关系及其磨损机制。结果表明在硬磨粒冲击下,钢的冲蚀磨损受断裂韧性影响较大。而当磨粒硬度接近或低于钢的硬度时,冲蚀磨损由钢的硬度所决定。在硬磨粒冲击下,除了常见的薄片、切削、犁沟等塑性变形机制外,韧性较低的钢会出现开裂机制而造成块状磨屑脱落。软磨粒要依靠多次冲击才能使材料以小片磨屑脱落,而且最大冲蚀率发生在90°冲击角。玻璃砂冲击时,在30°、90°会出现两个冲蚀磨损峰,这是由于玻璃砂在大角度冲击时溅射而产生二次磨损的结果。     

基于SFM方法的不同倾角桥墩绕流局部冲刷特性试验

桥墩绕流冲刷是水流、泥沙和桥墩三者相互作用的结果,桥墩周围复杂的水沙运动关系是造成桥梁水毁的重要原因。定量分析桥墩冲刷地形特征规律及其与水流之间的相互作用关系,是深入研究桥墩绕流水沙作用机理及实际工程应用的重要突破口。本文开展两种坡降条件下不同倾角均匀沙动床桥墩绕流冲刷试验,并沿下游方向设置四个模型倾角0°、5°、10°、15°。使用粒子图像测速系统（Particle Image Velocimetry,PIV）测量桥墩绕流二维流场,并基于运动摄像恢复结构技术（Structure From Motion,SFM）实现冲刷地形三维重构,在此基础上分析床面冲刷三维地形结构和绕流流场特征,以构建紊流结构与冲刷地形相互耦合作用关系。结果表明：（1）SFM方法可实现冲刷地形三维结构重构,冲刷试验平衡时,模型前方和两侧冲刷坑较深,后方冲刷坑出现凸起,沿水流方向倾斜顺延上升至床面。（2）冲刷坑尺寸、面积和体积均随水流强度增大而增大,随倾角增大而减小。不同截面处冲刷坑面积、体积随坑深呈开口向上抛物线趋势增大。（3）桥墩模型对后方流向流速扰动范围随倾角增大而减小,对展向流速影响范围随倾角增大而增大。（4）随模型倾角增加,旋转强度与剪切应力影响范围均减小。剪切应力下切较易形成桥墩周围较深冲刷坑,而位于桥墩两侧大尺度流向涡向下游延伸,将促使桥墩后侧方浅长凹槽形成。     

基于CEL方法的平板锚旋转安装过程大变形数值分析

采用Abaqus软件中CEL技术对平板锚旋转安装特性及土体流动趋势进行大变形有限元分析。通过比较大变形有限元分析结果与已有的模型试验结果,取得了较好的一致性。有限元建模研究不同参数下平板锚的旋转安装特性,得出以下结论:从局部土体流动趋势,可以发现平板锚旋转安装过程变化规律;对于不同锚链-海平面夹角,仅考虑竖向荷载时,平板锚在90°方向拉出时竖向拉力最大,同时平板锚的埋深损失也最大;当锚眼偏心比较小时,平板锚的埋深损失非常大,且埋深损失主要集中在平板锚转至45°之前;土-锚摩擦系数α0.5时,平板锚的埋深损失变化较小。     

格宾挡墙应力变形特性试验研究及计算分析

格宾挡墙作为一种新型的支挡结构,虽然可采用传统力学方法进行设计,但无法掌握其变形特性.为了确切地掌握格宾挡墙结构的应力变形特性,通过对多组格宾单体结构进行压缩和直剪试验,推算出格宾单元的黏聚力c和内摩擦角φ,并据此以案例形式采用有限元的方法分析了格宾挡墙的应力变形特性,为工程设计提供理论参考.     

格宾护岸结构在寒冷地区的应用

寒冷地区护岸工程的破坏因素有水流冲刷、冻融循环、静冰压力、动冰撞击力。传统的硬质护岸不能很好地适应这些外力。格宾产品是一种柔性、透水、多孔隙结构,可以很好地适应寒冷地区的环境条件。     

宁夏磁窑堡煤矿井底煤仓加装钢结构壁挂式螺旋溜槽的设计改造

钢结构壁挂式螺旋溜槽的原理,是将煤流的自由落体运动转化为匀速螺旋运动,以降低煤流速度,减缓煤流冲击,防止块煤破碎,达到提高块煤率的目的.由宁夏煤矿设计院、北京富力通能源工程技术有限责任公司、磁窑堡煤矿共同承担磁窑堡煤矿井底煤仓加装壁挂式螺旋溜槽改造任务.该煤仓立仓部分仓径为4.5 m,高24 m,溜煤斜巷长20 m,倾角50°,巷道宽2 m,高2 m.由于磁窑堡矿溜煤斜巷倾角大,煤流速度远远超出了非标准螺旋溜槽的调控范围,因此增加设计了蛇形溜槽段.该段溜槽为高600 mm,宽600 mm的U形槽,在煤流变向处设计成外沿高、内沿低,以抵抗离心力,减少煤流在槽中的互相碰撞;沿溜煤斜巷蛇形布置,加长煤流路径,减小路径坡度,使煤流速度达到了非标准段螺旋溜槽的可控范围.由于完全控制了煤流在仓中的匀速运动,开创了蛇形溜槽在国内原煤仓中的首创应用,块煤损失降低了4.01％,达到了国内同行业先进水平.经济效益显著,推广应用前景较好.     

宽浅式溢洪道急流控制及下游冲刷试验研究

为使水利工程中常用的泄水建筑物岸边溢洪道安全运行，指出了某工程泄洪流量悬殊、宽浅比1：7的溢洪道出现的急流冲击波现象，经分析研究后提出中墩尾部增加低导墙形成潜堰方案，解决了泄槽内急流冲击波问题。针对泄洪流量悬殊的宽浅式溢洪道轴线与下游河道夹角偏大，鼻坎水流偏转困难等技术难题，提出两边扩散大斜切扭曲鼻坎形式，并对挑流冲刷问题进行了试验研究。试验结果表明，优化体型具有减轻急流冲击，改善挑流入水条件，减轻下游冲刷等优点，试验研究成果可供类似工程参考。     

格宾生态防护结构在宁夏河道及沟道治理工程中的应用技术指标

宁夏河道和沟道治理中传统采用的铅丝石笼护坡、护脚易因铅丝锈蚀而散架垮塌,干砌石护坡稳定性差、寿命短,给河道防洪安全和沟道排水造成了严重威胁.宁夏引进技术先进、性能优良的格宾结构并应用于河道及沟道岸坡治理工程中,提出了格宾结构的应用范围和原则、选型方法、施工工艺.苦水河格宾岸坡历经30年罕见的洪水后,无垮塌现象,结构完整稳定,运行正常,充分证实了格宾结构用于岸坡防护的良好工程性能.