弯曲溢洪道挑流消能试验研究

为避免加剧弯曲溢洪道的不良振动,对弯道水流的挑流消能问题进行研究。通过试验研究的方法,提出了一种适用于弯曲溢洪道的新型挑流消能工,结合渠底超高法对弯道水流的干扰,使水流在质量力的作用下分流,有效降低和减小了回水的流量范围,增加了挑流水舌的纵向长度。通过对比两种不同凹岸边墙半径的弯曲束窄差动式斜切挑坎和弯曲连续斜切挑坎的回流、挑流和分流等特性,根据水流运动特性和流线的几何关系,提出了一种判断该新型挑坎发生回水的半理论半经验方法。研究发现高坎的收缩程度和凹岸边墙半径是影响分流和回水的主要因素,通过对高坎水流运动特性的分析,拟合流量、凹岸边墙半径与高坎折冲水流出流方向角γ的经验公式,推导了高坎分流临界角度γc的计算表达式,计算结果与试验测量结果吻合良好,可以为弯道水流挑流消能的工程应用和运行提供参考。     

洪水水流压力及其影响因素模型试验研究

洪水对洪泛区建筑会造成较大的危害,洪水荷载研究是洪泛区建筑脆弱性研究的基础。通过模型试验,研究不同水深流速的洪水对建筑表面的水流压力及其分布规律。试验在波流水槽中设置可调整出水口来控制作用于模型迎流面水流的深度和流速,模型分为2层,1层有洞口,2层无洞口,固定于出水口下游。结果表明:模型迎流面水流流速分布不均匀,水流压力从下至上逐渐减小;基于试验数据发现动水压力随着流速的增加而增加,且呈非线性关系,并据此提出了动水压力修正系数,改进了水流压力计算公式;水流压力和水深近似呈线性关系;洞口和边界会在一定程度上减小迎流面水流流速与水流压力。研究结果为洪泛区建筑的抗洪设计和抗洪能力评价提供依据。     

港珠澳大桥人工岛对水沙动力环境的影响

为了评估港珠澳大桥人工岛建设对周边海区水沙动力环境的影响,针对人工岛设计及工程海区水沙特性,建立了整体潮流泥沙物理模型,系统研究了人工岛建设引起的动力地貌演变效应。试验结果表明,受岛体阻水影响,潮流在人工岛两端分别形成双向绕流,流速明显增大,并在岛桥结合部与岛隧结合部发育局部冲刷坑;人工岛背水面同时存在多个大小不一的强紊动小尺度回流,并具有不断形成、发育、发展到消亡的周期性变化过程。受人工岛自身位置、形态、尺度以及工程海区地形、水流、泥沙等因素影响,港珠澳大桥东、西两个人工岛引起的动力地貌演变效应,既在变化规律上具有较好的一致性,又在影响形式与程度上存在明显的差异性。     

港珠澳大桥通车一周年专刊序

2018年10月24日港珠澳大桥正式通车,这是世界上最长的跨海大桥和最大规模的桥岛隧集群工程,也是中国交通史上技术最复杂、建设要求及标准最高的工程之一,被英国《卫报》誉为“新世界七大奇迹”。大桥跨越珠江口的伶仃洋水域,东接香港,西接珠海、澳门,全长55 km。大桥上游有广州港、深圳港和中山港等珠三角重要港口,与大桥交汇的重要航道有广州港出海航道、深圳港西部港区公共航道等大型深水航道以及青州水道、九洲港航道等重要航道,是中国沿海航线最密集、船舶密度最大的通航水域之一。伶仃洋河口湾呈“四口入海”和“三滩两槽”的地貌格局,潮汐和径流交互作用,水沙运动环境复杂。大桥在规划设计阶段曾面临桥位选址、主通航区设置、人工岛平面优化、桥孔合理跨距等一系列问题,工程建设期间同样面临着复杂水沙环境带来的施工难题。因此,在顺应滩槽演变趋势和减小水沙环境影响的前提下实现“桥梁与海湾和谐共处”的关键技术研究尤为重要。
南京水利科学研究院团队在珠江口地区开展了50多年相关科研工作,对伶仃洋的水沙环境和动力地貌特征有深入的认知,积累了丰富的工作经验和基础资料。在港珠澳大桥工可研阶段,研究团队开展了海床演变分析、海洋水文计算、水沙数值模拟、动床物模试验和试挖槽现场观测等多方面的研究,论述了伶仃洋的自然环境特点、总体动力架构、水沙运动特征及其相互作用关系,归纳出工程海域滩槽演变的基本特征,提供了工程所需的海洋水文设计参数,论证了大桥通航条件与相互影响关系,进行了桥隧人工岛平面形态优化,提出了桥、岛基础防护措施。在大桥主体的岛隧工程开工以来,研究团队开展了人工岛越浪控制措施、岛隧工程施工期水文分析及水动力仿真模型、东人工岛岛隧结合部沉放区掩护方案数模试验、沉管隧道E15-E33管节基槽局部突淤分析与预报、极端天气条件下西人工岛波浪要素计算及岛桥结合部局部整体模型试验等专题研究,为人工岛结构安全、沉管安放、钢圆筒施工、岛头掩护体设计等提供了重要技术支撑,解决了E15及后续管节安装期间基槽出现的泥沙异常淤积难题。
值此中华人民共和国成立70周年、港珠澳大桥通车一周年之际,本刊刊登了研究团队关于港珠澳大桥科研成果方面的论文16篇,包括伶仃洋水沙环境模拟、岛隧桥梁基础设计、考虑极端天气时港珠澳大桥人工岛设计波浪要素研究、水动力数值模拟、针对施工期间基槽异常回淤与东西人工岛结构稳定的分析与数值模拟等。伶仃洋复杂的水沙环境为港珠澳大桥的规划、设计和施工增加了一定难度,正是基于对伶仃洋复杂环境的深刻认识和尊崇自然规律才促成了港珠澳大桥宏伟蓝图的构想和最终实现。     

弯道凹岸不同部位崩塌体对近岸水流结构影响的试验研究

二元结构河岸失稳后,上部河岸发生崩塌并堆积在近岸,从而改变近岸水流结构并影响河岸二次侵蚀过程。为了探索弯道凹岸不同部位的崩塌体对近岸水流结构的影响,以长江中游石首河段为背景,开展概化模型试验,采用多普勒流速仪（ADV）精细测量崩塌体附近三维水流流速,并对比分析有无崩塌体时水流及壁面剪切力的变化规律。结果表明:位于顶冲点上游的崩塌体,使纵向流速最大区域远离凹岸,从而使崩塌体与河岸坡脚之间区域内的平均壁面剪切力减小;而位于顶冲点下游的崩塌体,使纵向流速最大区域靠近凹岸,从而使崩塌体与河岸坡脚之间区域内的平均壁面剪切力增大。研究成果丰富了对二元结构河岸侵蚀过程的认识,有利于河岸侵蚀模型的发展与完善。     

冰盖下水流紊动特性试验研究

河冰是陆地冰冻圈的重要组成要素,在生消演变过程中影响水流运动规律,受冰凌影响河流流态可分为明流、完全冰封和部分冰封。为探究冰盖下水流的紊动特性,采用声学多普勒三维测速仪测量3种流态的恒定均匀流场,对比分析纵向时均流速、雷诺应力和紊动强度的分布规律。结果表明：完全冰封流纵向时均流速垂向上呈不对称“■”型分布,雷诺应力在垂向上线性分布,紊动强度在基于双层假定划分的冰盖层和床面层均符合指数分布律;部分冰封流纵向时均流速垂向分布兼具明流和完全冰封流的特性,存在横向动量交换,导致冰盖区、明流区和过渡区的雷诺应力和紊动强度在水深方向上也存在明显的差异。试验结果可为冰凌灾害防治和供水安全保障提供理论指导。     

明渠弯道水流平均运动规律试验研究

利用高频粒子图像测速PIV(Particle Image Velocimetry)系统对明渠弯道水流进行了测量,在两种不同试验方式的配合下,不仅提供了大量高精度的平面二维流场数据,还成功重构了弯道水流的三维平均流速场,为深入研究弯道水流复杂的时均流动结构提供了试验依据。试验结果表明,由于弯道曲率不连续,水流主流区在弯道入口位于凸岸附近,随后在离心力的作用下逐渐转移至凹岸,并一直维持至弯道出口;凹岸顶托及环流运动导致不同横向位置处的纵向流速剖面近床面区域速度梯度及最大流速的位置沿程发生改变;弯道曲率越大,最大水深平均纵向流速转移至靠近凹岸一侧的位置离弯道入口越远;受上游直段二次流的影响,环流运动在弯道入口断面呈三涡结构,随后快速衰减为双涡结构;弯道主环流的强度沿程先增加后减小,涡核位置沿程往复摆动。     

长江与嘉陵江交汇区水流结构的数值模拟

针对天然河流交汇区域复杂的地形条件及水流运动特性,采用水气两相流三维数值模型,对长江与嘉陵江交汇区水流运动进行深入研究,分析了交汇区域分离区、剪切层、流速场及螺旋度的变化特性。研究结果表明:长江与嘉陵江交汇的水流分离区形状受地形影响明显,随着水位的增加向右岸移动,剪切层整体呈一个扭曲的曲面;干支流原有的环流在交汇之后重新汇合,左岸未出现明显的环流,右岸逆时针的环流有减弱趋势,交汇区域纵向流速呈现高速与低速带分布特征。此外,长江和嘉陵江在交汇口下游螺旋度呈现左侧为负、右侧为正的对称分布,水流结构表现出逐渐形成双螺旋流的趋势,其中左侧的螺旋流逆时针运动,右侧的螺旋流顺时针运动。     

拟焦沙模拟低含沙量异重流运动初步分析

低含沙量异重流带来大量细颗粒浑水,由于颗粒沉速极小,在山区、高原地区的引调水、水环境、水处理等方面带来难以估量的困难,引起了社会和设计部门重视。以金沙江支流牛栏江上德泽水库回水变动区上下游河段为原型,利用概化水槽试验研究拟焦沙模拟低含沙量异重流形成与运动,探究低含沙浑水异重流运行时头部流速及含沙量沿程变化特征。结果表明:头部流速及含沙量沿程逐渐减小;相同流量不同含沙量所形成的中层、底层异重流头部流速,含沙量越大,同一位置头部流速越大;相同流量和含沙量所形成的表层、中层、底层异重流头部流速,表层异重流头部流速最大,底层异重流次之,中层异重流最小。     

甘肃北山区域地下水流数值模拟研究

掌握区域地下水流场是高放废物地质处置场选址及适宜性评价的重要先置条件。甘肃北山高放废物处置预选区面积广、数据资料少,准确划分该区域地下水流场和高放废物预选区选址的安全性评价都存在难度。本研究采用地表流域划分方法、多相流数值模拟软件TOUGH2-MP/EOS3和GRACE重力卫星等方法,建立了区域地下水饱和-非饱和流模型,并完成了模型识别和参数率定,论证了模型的合理性和可靠性。研究结果表明:约1%的降水量入渗至地面以下;地形条件是影响地下水流场的主要因素,而气候条件对地下水流场形态影响相对较小;区域地下水流动系统由北向南可分为三个子系统（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）,其中高放废物地质处置场预选区位于研究区南部独立的地下水子系统Ⅲ中,且该子系统面积最小。本研究为面积广、实测数据资料较少的干旱地区提供了一套有效的数值模拟方法,研究结果可为预选区选址的安全性评价提供重要依据。     

不同粒度颗粒在非恒定管流中跟随性试验

管道中固液两相流水击对管道和输送系统可能产生严重的破坏,而固液两相在这种非恒定流中的运动特性是计算最大水击压力变化的重要依据。采用粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry,PIV）,通过试验研究水击发生时,水平圆管中不同平均流速、颗粒粒径条件下,流体介质和粗颗粒在管道断面的速度分布以及粗颗粒跟随性的变化规律。研究结果表明:①在水击发生的不同时刻,圆管流中粗颗粒的流速在管道断面分布呈不规则的抛物线型分布,主要表现为靠近管道壁面底部的颗粒流速略小于靠近管道顶部流速,当颗粒粒径大于1.5 mm,平均流速小于2.5 m/s时,粗颗粒表现出明显的沉降特性;②粗颗粒的跟随性与颗粒受力有密切关系,其中颗粒速度与流体速度的变化量是影响颗粒受力的重要参数;③基于试验数据拟合得到了水击条件下粗颗粒跟随性系数k的经验公式,并分析了颗粒粒径、管道直径、两相流平均流速以及水击发生时间等不同参数对粗颗粒跟随性系数的影响,公式计算值与实测值之间的误差在5%以内。     

考虑渗流条件下开挖面失稳离心试验研究

当土压平衡盾构穿越高水位地层（如穿越江河）时,地下水与土舱之间的高水压差会产生过大的渗透力,导致开挖面失稳。为了研究渗流条件下开挖面失稳问题,开发了一套隧道离心模型试验装置,主要包括刚性模型箱、模型盾构、开挖面伺服加载系统、水位控制系统、储水箱。针对饱和砂质粉土地层,开展了一系列不同水位高度的稳态渗流开挖面失稳模型试验。结果显示,开挖面失稳过程中随着开挖面位移的增加,有效支护压力迅速下降;在达到最小值 之后缓慢回升并趋于稳定;极限有效支护压力 与水头压力 呈线性关系。     

港珠澳大桥沉管隧道基槽异常回淤分析与数值模拟

港珠澳大桥沉管隧道E15管节基槽发生异常回淤,海底隧道沉管安装被迫中止。为查明E15管节基槽发生异常回淤的原因,先后开展了现场水文泥沙观测、遥感影像资料分析和数值模拟等多种技术手段。采用水沙数学模型反演了内伶仃岛上游采砂活动形成的浑水团在潮流作用下的扩散输移过程,沙源在数学模型中以面源形式模拟。模拟结果表明,采砂活动形成的浑水团在一个大潮期间的落潮过程中可输移扩散至基槽水域,其中E15—E27管节基槽日淤厚在采砂活动影响下将增加43.8%。数值模拟结果为查明E15管节基槽异常回淤的泥沙来源提供了佐证。E15管节以东基槽水域水沙环境复杂,天然淤积已经接近临界回淤允许值,基槽上游水域的采砂活动对沉管基槽回淤将带来不可控因素,采砂活动对周边水域产生的泥沙回淤影响应引起足够重视。     

祁连山七一冰川表面运动特征最新观测研究

为了保持对祁连山七一冰川运动变化情况观测的连续性,进一步揭示全球气候变暖背景下山岳冰川的运动变化规律,对布设在七一冰川表面的花杆进行了定期观测,获取了2012年7-8月以及2013年8-9月冰川考察期间的最新观测数据（花杆位置、冰川末端边界以及物质平衡等数据资料）,通过对数据进行分析,获得了七一冰川表面的运动状况以及末端进退变化情况. 结果表明：空间分布特征方面,七一冰川在横剖面以及纵剖面的运动保持了一般山岳冰川的运动规律;横剖面上,主流线附近冰川运动速度较两侧运动速度要大;纵剖面上,由冰川末端到零物质平衡线,冰川运动速度逐渐增大;运动方向上,七一冰川运动速度矢量大多沿主流线向下运动,或者稍微偏离主流线一定方向. 在冰川运动速度时间分布特征方面,七一冰川在消融季与非消融季的运动速度差异显著,消融季运动速度要明显大于非消融季运动速度. 最近几十年,七一冰川整体运动速度呈现出了逐年减小的趋势. 在2012年8月至2013年8月期间,冰川末端退缩了大约5～7 m,退缩较为显著.     

Air/water two-phase flow test tunnel for airfoil studies

A test tunnel for the study of airfoil performances under air/water two-phase flow condition has been designed and constructed. This facility will serve for a better understanding of the flow phenomena and characteristics of hydraulic machinery under gas/ liquid two-phase flow operating conditions. At the test section of the tunnel, a two-dimensional isolated airfoil or a cascade of airfoils is installed in a two-phase inlet flow with a uniform velocity (up to 10 m/s) and void fraction (up to 12%) distribution. The details of the tunnel structure and the measuring systems are described and the basic characteristics of the constructed tunnel are also given. As an example of the test results, void fraction distribution around a test airfoil is shown.Dedicated to the 60th Birthday of Professor Klaus Gersten     

坡面流速及侵蚀产沙空间变异性试验

在野外放水试验条件下,利用染色法和侵蚀针法分别观测坡面流速和侵蚀产沙空间变异性。结果表明,坡面各横向断面的流速与距坡顶距离之间呈正相关,且相关性随流量增大逐渐变得显著,纵向断面流速的变异程度明显强于横向断面。总体上,上、下坡位侵蚀程度较重,而中坡位最轻;小流量时沉积作用明显,大流量时距坡顶0~2 m范围为净侵蚀区;各坡段侵蚀量与其距坡顶距离之间呈负相关;发生泥沙沉积部位随流量增大逐渐下移,细沟侵蚀量占坡面总侵蚀量的比例随流量增大不断增加。试验条件下流速为0.30 m/s时,细沟侵蚀产沙大于细沟间侵蚀,且坡面侵蚀量迅速增大。随流量增大,流速和侵蚀产沙量呈增大趋势;但在流量较大时,坡面各坡位侵蚀量与流速呈负相关,这可能与坡面中下部位粗颗粒泥沙沉积以及含沙水流的挟沙能力基本达到饱和有关。     

弯道水流对下游回水响应特征试验研究

弯道水面横比降及断面环流是弯道水流的显著特性。通过U形弯道水流壅水试验,对弯道水面横向比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速沿程的变化进行了试验研究。结果显示,随着下游回水的抬高,弯道水面横比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速将发生明显的改变。为深入探讨下游回水对弯道水流结构的影响提供了科学依据。     

高水压顶管隧道管节修复装置的设计与应用

富春江顶管工程为例,介绍了一种可快速拆卸的用于深埋顶管隧道对管节局部破损进行修复的装置。装置结构简单、紧凑,易于在圆形截面的隧道中进行快速拼装。该装置最高耐水压力0.8 MPa,可对地下水位以下30~80 m顶管隧道中出现沿轴线长＜0.4 m环状破损的管节进行注浆修复。这种设计能够有效解决深埋顶管隧道小面积局部破损、小范围漏水涌砂等问题,为深埋顶管等方法构筑的圆形隧道提供应急修复保障。     

基于离散单元法研究沉管复合地基水平工作特性

通过颗粒流模拟,建立了沉管复合地基水平受荷时的离散元模型,对桩在水平荷载作用下的受力性状进行了研究.分析了土体位移场变化规律和应力变化等宏观因素,以及土颗粒力链、配位数和孔隙率等细观参数.由模拟结果可知：竖向荷载作用下沉管在水平方向移动时,垫层颗粒受到扰动,当增加竖向荷载,沉管底部土体受扰动范围变小,可知增加竖向荷载使桩间土的挤密作更显著,对降低土体扰动有较明显的效果;通过对桩顶土颗粒中强力链在沉管水平位移影响下的发展趋势研究知道,土体颗粒体系内力链并不是不变的,强弱力链之间可以相互转换.     

浅埋风积砂质黄土隧道变形综合控制技术研究

在隧道施工前,应用数值模拟分析的方法,分析浅埋砂质黄土隧道施工力学效应和变形特征。根据浅埋砂质风积黄土隧道在施工过程中地表沉降量大和洞内施工安全风险大等特点,结合隧道实际监测数据,反演计算得到侵限段地质力学参数,为迈式管棚超前支护及径向迈式锚杆的全施工过程数值模拟提供计算依据,为控制隧道围岩变形提供数据支撑。计算结果显示,隧道侵限段地表最大沉降11.4 mm、最大拱顶下沉30.4 mm、最大水平收敛48.5 mm,隧道整体变形量减小,迈式管棚超前支护可以有效地提供纵向支撑,承受侵限土体压力、约束围岩变形和控制地表沉降,同时为支护侵限段钢拱架的安全拆换提供保障。研究结果表明:径向迈式锚杆、迈式管棚超前支护、环形支撑钢拱架和锁脚锚杆一起,构成了浅埋风积砂质黄土隧道主被动变形综合控制体系,有效地解决了浅埋风积砂质黄土隧道软弱围岩超前支护的难题。