台阶式溢流坝的时均压强特性

当yc/h<3时,3种坡度(40°、50°和60°)的台阶式溢流坝试验结果证明,在初始台阶上,作用在水平面上的时均压强均为正值,其最大压强随流量增大,由台阶中部逐渐移向台阶外边缘;跌落水流时台阶竖直面上部范围出现的负压,在进入过渡水流以后全部变为正值。其他各台阶水平面上,除挑射水流越过的数个台阶外,在各级流量下时均压强为正值,其最大值均在台阶外边缘;台阶竖直面上部的时均压强为负,下部的时均压强为正,随流量增加负压绝对值增大,范围缩小。其中跌落水流时负压占台阶高度的75%,进入过渡水流后负压约占台阶高度的60%。     

台阶式溢洪道阶顶过流断面平均流速沿程变化研究

台阶溢洪道是目前热点的研究方向。台阶流速是重要的水力参数,为研究台阶式溢洪道阶顶过流断面平均流速水力特性规律,本文将将台阶式溢洪道流速与对应光滑溢洪道流速对比,引入台阶相对流速的概念。通过对26.57°、32.01°、38.66°和51.3°四组不同坡度,0.5m~2.0m不同台阶高度台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了阶顶过流断面平均流速、相对流速与流程长度、单宽流量、台阶高度、坡度、相对消能率之间的关系。台阶式溢洪道阶顶过流断面平均流速与流程长度、单宽流量、相对消能率呈较为复杂的曲线关系,而相对流速和这些参数表现出良好的线性关系。单宽流量、台阶尺寸、坡度对相对流速有较大影响,单宽流量大,同一流程断面相对流速小;台阶高度高、坡度大,台阶相对流速大。相对流速和相对消能率也表现为良好线性关系,同一相对消能率,单宽流量越大,相对流速越小,对水流的阻力作用减弱。     

通过相对比能计算台阶式溢洪道水头损失的研究

水流比能是重要的水力参数,反映水流运动部分的能量。将台阶溢洪道与光滑溢洪道的断面比能进行对比分析,引入台阶相对比能的概念,准确反映台阶溢洪道与光滑溢洪道水头损失之间的差别。通过26.6?~48.0?坡角、0.5m~2.0m台阶高度的21组模型试验,分析了台阶溢洪道比能及相对比能与流程长度、单宽流量、台阶高度、坡度之间的关系。台阶溢洪道水流比能与这些参数关系比较复杂,不便分析应用,而台阶溢洪道相对比能与流程长度呈良好的线性关系而且斜率与单宽流量无关,与台阶高度、坡度呈递增关系,便于分析应用,试验资料证实了引入台阶溢洪道相对比能的必要性。提出计算台阶溢洪道水头损失的经验公式,为相关设计提供参考。     

台阶式溢洪道纯台阶消能率的研究

目前普遍采用消能率概念研究台阶式溢洪道消能特性,事实上光滑面溢洪道也有一定的消能率,台阶式溢洪道的消能率是总的消能率,不能准确反映台阶消能的贡献,本文将超出光滑面溢洪道的消能率定义为纯台阶消能率,结合三种坡度台阶式溢洪道模型试验,研究了单宽流量、台阶高度、流程长度与纯台阶消能率的关系,表明规律性很好,表现在:不同单宽流量和台阶高度下的纯台阶消能率差值均不超过5%,纯台阶消能率与流程长度之间呈现良好的线性规律,单位流程纯台阶消能率在不同流量和台阶高度下可以作为常量,此外当坡度由55°减小至32°时纯台阶消能率增加10.4%,说明该参数适用于消能特性研究。     

“M”形台阶溢洪道的消能特性

随着单宽流量的增大,台阶式溢洪道的消能率逐渐降低,在大单宽流量下工程运行存在诸多问题。前人对台阶式溢洪道的研究重点多集中在台阶的尺寸、布置形式、流态等问题上,很少研究台阶本身的形式。为解决大单宽流量下台阶溢洪道的运行难题,提出了台阶形状在平面上呈"M"形的台阶溢洪道,并采用模型试验和三维紊流数值模拟的方法对比研究了"M"形台阶溢洪道和传统矩形台阶溢洪道的消能特性。研究结果表明:在较大单宽流量下,"M"形台阶溢洪道较传统的矩形台阶溢洪道掺气更充分,台阶面上负压区很小,台阶面上形成多种尺度的漩涡,水流为三元流态,消能率更高。研究成果可供工程设计和运行参考。     

细沟侵蚀下的坡面水动力学特性研究

研究细沟水流水动力学特性,是了解和掌握细沟侵蚀机理的关键,也是建立土壤侵蚀预报模型的基础。本文在室内放水冲刷试验基础上,对不同土壤容重(1.2、1.35、1.5 g/cm~3)、流量(2、4、8、16 L/min)、坡度(5°、10°、15°、20°、25°)条件下的细沟水流水动力学特性进行了研究,结果表明:流量和坡度都是影响水流流速的重要因素,流速可以用坡度和流量的幂函数来表示,且坡度是影响流速的主要原因;土壤容重对流速有一定影响,且随坡度的变化对流速的影响存在差异;水流雷诺数变化范围在248~1932之间,土壤容重和坡度对雷诺数均没有影响,雷诺数主要与流量有关,且随流量的增大呈线性关系;细沟水流弗劳德数在各试验条件下基本大于1,属急流状态,土壤容重对弗劳德数的影响类似于流速,随坡度的不同有一定差异;水流阻力系数变化范围为0.04~0.955之间,随坡度和流量的增大呈先增大后减小的趋势,且受土壤容重影响明显,在低坡和陡坡下都随土壤容重增大而减小。     

台阶式溢洪道阶顶过流断面弗劳德数沿程变化研究

弗劳德数是明渠水流的重要水力参数,但在台阶式溢洪道中尚无系统研究成果。本文将台阶式溢洪道弗劳德数和对应光滑溢洪道弗劳德数对比,引入相对弗劳德数概念。通过26.57?、32.01?、38.66?和51.3?四组不同坡度,0.5~2.0m不同台阶高度的15组模型试验,分析了非均匀流段台阶式溢洪道弗劳德数及相对弗劳德数与流程长度、单宽流量、台阶高度、坡度、相对消能水头之间的关系。台阶式溢洪道弗劳德数与这些参数关系复杂,不便分析应用,而台阶式溢洪道相对弗劳德数和这些参数呈良好线性关系,试验结果证实了引入台阶式溢洪道相对弗劳德数的必要性。     

边宽尾墩体型对边墙区域水流水力特性的影响研究

本文采用模型实验和数值模拟方法对Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能进行分析研究,Y型边宽尾墩在满足泄洪消能条件下,侧收缩角设置不佳,会出现水流飞溅出边墙的问题。通过实验结果,比较分析三种不同体型边宽尾墩的整体水流流态、墩后水翅、溢流坝面时均压强、消力池时均压强及流速分布发现,边宽尾墩侧收缩角分别为19.03°、17.07°、19.98°、13.80°和19.98°、7.0°时消力池内水流流态均较好,其消能效果较好。当边宽尾墩侧收缩角为19.98°、7.0°时,水流不飞溅出边墙。     

台阶式泄水建筑物的消能分析

应用重力相似准则,对台阶式泄水建筑物的消能进行了系统的模型试验研究.结果表明,当坡角θ=5.7°～60°,相对临界水深hk/h≤3以内,跌落水流、过渡水流和滑行水流三种流况条件下的消能率基本相同,其消能率随相对坝高(hdam/hk)增加而增大,随坝坡变陡而减小.台阶段消能率与消力池消能率之间的关系为,随坝坡变陡,台阶段的消能率逐渐变小,消力池的消能率逐渐增大,也就是说,台阶段和消力池之间的消能率之差随坝坡变陡而逐渐加大.台阶高度对消能率影响很小,大约只有1%左右,消能率随流量增大而减小.     

长江河口水流运动对悬沙分布的影响

由于河口地区水流的往复运动,水流结构在涨落过程中不断变化,直接制约悬沙的分布。本文应用ECOMSED模型模拟长江河口的水流、悬沙动态过程,揭示悬沙在水流运动过程中的分布变化规律。结果表明:长江河口区域悬沙浓度主要受径流与潮流作用的影响;随着径流来流量或潮差的不断增大,悬沙浓度呈增大趋势,高悬沙浓度区域外边界逐渐向外扩展,高悬沙浓度区域面积不断扩大,而增大幅度则逐渐减小;落潮过程高悬沙浓度区域范围较涨潮过程平均向外扩展0.06‰;涨潮过程高悬沙浓度区域范围存在缩退的现象。     

影响阶梯溢流坝消能率的因素

为了探求提高阶梯溢流坝消能率的措施，本文首次采用紊流数值模拟方法，对影响阶梯溢流坝消能率的一些主要因素，如单宽流量、坝坡、阶梯高度等进行研究。结果表明，消能率随单宽流量的增大而显著降低。坝坡越缓，消能率越高。阶梯高度对消能率的影响与单宽流量有关，当单宽流量较小时，消能率随阶梯高度变化较大；当单宽流量较大时，阶梯高度对消能率的影响很小。根据紊流数值模拟得到的坝面流场的紊动动能和紊动耗散率分布，对单宽流量增大时消能率降低的根本原因进行了探讨，提出了一些提高消能率的具体措施。     

台阶式泄槽溢洪道的水力特性和设计应用

台阶式泄槽溢洪道的显著特点是沿溢流面的消能率大大提高,从而可免除或极大地缩短溢洪道末尾所需消能工的尺寸。台阶水道还可用于水处理工厂,促进空气中的气－水交换和有机质的挥发。参阅国内外资料的基础上,本文对台阶溢洪道的发展现状、流态和水力特性,以及台阶溢洪道的设计应用做了介绍。     

水布垭工程差动窄缝挑坎型溢洪道水力特性的试验研究

对水布垭水利枢纽工程高水头大流量泄洪条件下,带有弯曲引水渠和差动窄缝挑坎的溢洪道水力特性进行了模型试验研究。观测了引水渠和溢洪道内的水流流速分布和流动形态,分析和评价了斜型差动窄缝挑坎挑流特性,初析了消能效果。     

宽尾墩后接阶梯溢流坝面水工设施的研究

将宽尾墩安置在阶梯溢流坝上游形成一种新的水工设施,它兼有宽尾墩和阶梯溢流坝面的特点,比纯阶梯坝单宽流量可增大数倍。由于在阶梯面与挑射水流之间形成气体空腔,可实现充分掺气。本文对其进行了数值模拟,采用了双孔方案。虽然网格数增加了一倍,但比单孔而言流场更加完整。通过数值模拟得到的墩后水翅、阶梯面挑射水舌和掺气腔体等,与实验观测到的现象吻合。介绍了复杂水工建筑物的网格生成方法。本文的研究成果可以为设计提供参考依据。     

特约文章：高坝泄洪消能技术研究进展和展望

近40年来,我国水利水电工程建设蓬勃发展,建成了一大批具有世界级水平的水电工程,涌现了许多创新技术,推动了我国在高水头大流量泄洪消能方面的研究达到世界先进水平。本文重点梳理和评述我国在高水头大流量泄洪消能方面所取得的最新研究成果,包括全断面掺气减蚀技术、高拱坝表-深孔空中碰撞和无碰撞挑流消能、高重力坝多股多层淹没射流跌坎底流消能、燕尾挑坎、翻卷挑坎、洞塞式、旋流式及阶梯式内流消能等新技术。对今后中长期的水利水电工程建设面临的高坝水力学问题研究进行了展望。