前置掺气坎阶梯溢洪道近壁掺气特性

为更清楚地认识前置掺气坎阶梯溢洪道近壁面沿程掺气规律,对其掺气特性进行了研究,得到了在不同坡度、单宽流量、台阶体型条件下阶梯竖直面和水平面近壁处掺气浓度沿程分布规律,并与不设前置掺气坎但设置过渡阶梯溢洪道的掺气规律进行了对比分析。研究表明:前置掺气坎式阶梯溢洪道中阶梯水平面与竖直面掺气浓度沿程的分布规律相似,受前置掺气坎的帮助,掺气浓度很高,沿程逐渐减小,达到一定距离后趋于稳定;掺气浓度随单宽流量的增大而减小,随坡度的减缓而减小;前置掺气坎克服了过渡阶梯存在前几级的底部清水区的缺陷,能够用于更大单宽流量。     

一种新型掺气设施的试验研究

设置在泄洪洞竖井内的环形掺气设施是不同于传统掺气技术的新创意。为了更好地认识这种新型的掺气技术,基于公伯峡水平旋流泄洪洞原型和模型试验,对环形掺气坎的通风和掺气特性进行了研究。结果表明环形通气孔的通风是由通气孔进出口的压差引起的,通风量与相对空腔长度的关系服从线性分布;环形掺气坎掺气减蚀的作用明显,其掺气是由于射流冲击竖井水体形成大尺度旋涡并挟带气泡所致,且掺气浓度沿高程呈乘幂分布;模型通风和掺气特性的缩尺效应明显。在结构设计满足要求的前提下,有必要在旋流泄洪洞的竖井段设置掺气设施,可改善水流流态,并增加消能效果。     

一种新型掺气设施的试验研究

设置在泄洪洞竖井内的环形掺气设施是不同于传统掺气技术的新创意.为了更好地认识这种新型的掺气技术,基于公伯峡水平旋流泄洪洞原型和模型试验,对环形掺气坎的通风和掺气特性进行了研究.结果表明环形通气孔的通风是由通气孔进出口的压差引起的,通风量与相对空腔长度的关系服从线性分布;环形掺气坎掺气减蚀的作用明显,其掺气是由于射流冲击竖井水体形成大尺度旋涡并挟带气泡所致,且掺气浓度沿高程呈乘幂分布;模型通风和掺气特性的缩尺效应明显.在结构设计满足要求的前提下,有必要在旋流泄洪洞的竖井段设置掺气设施,可改善水流流态,并增加消能效果.     

明渠水流自掺气发展区水气结构分析

为研究明渠水流自掺气发展区内水气结构特征,采用针式掺气流速仪对自掺气发展区内气泡尺寸与数量进行了试验研究,比较了气泡尺寸与数量随自掺气发展的变化规律,结果显示,同一水流断面上,随着掺气浓度的减小,气泡弦长尺寸分布范围与弦长平均值逐渐减小,掺气区内小尺寸气泡在数量上占有较大的比例,而大尺寸气泡则在含气量上占有较大的比例,分析认为从水面附近高掺气浓度区至自掺气区域底缘低掺气浓度区,明渠自掺气水流水气结构发展过程为“水面变形为主—水面变形与个体空气泡共存—个体空气泡”,为进一步研究明渠自掺气形成机理提供了一定的参考。     

掺气减蚀设施体型优化研究

建立了计算掺气设施水力特性的数学模型和挑坎掺气槽坎高的优化目标函数,对原型掺气槽的体型优化进行了研究.研究表明,掺气设施的优化坎高主要与来流Fr数有关,来流Fr数愈大,所需坎高愈小;来流Fr数愈小,所需坎高愈大.     

高坝明流泄洪洞掺气减蚀三维数值模拟分析

高坝明流泄洪洞的掺气减蚀问题倍受关注。以溪洛渡水电站3#泄洪洞为研究对象,结合大比尺单体模型试验成果,应用分段计算方法对泄洪洞掺气减蚀问题进行了三维紊流数值模拟分析。结果表明:泄洪洞各道掺气坎布置合理且有稳定掺气空腔,掺气坎体型基本合理,明流段洞顶余幅足够。泄洪洞反弧段及末端一段区域水力特性复杂,应重点关注此部位的设计及施工问题。对于高流速、大梯度泄洪洞水力学问题,采用分段计算能提高计算速度。     

微淹没圆形射流空化特性减压试验

空化空蚀和掺气减蚀机理的研究是高速射流研究的重要方面。在微淹没条件下,保证闸室面积与射流出口面积比不变,对设置门槽的有压矩形闸室后接圆管射流的突扩突跌消力池空化特性进行减压试验,其中跌坎高度S（5.5 m和4.0 m）和圆管长度L₂（L₂/d=2、1和0,d为圆管直径）。跌坎高度S从5.5 m降低至4.0 m,门槽及圆管射流出口处消力池边墙发生空化的可能性变化仅10%。圆管长度L₂/d=2和0时门槽发生空化的可能性比L₂/d=1时高出40%~60%;而L₂/d=0时圆管射流出口处边墙的空化可能性比L₂/d=1时可高出260%,L₂继续增加对空化特性的不利影响有限。增加跌坎高度S有利于水流掺气,为达到良好的掺气减蚀效果,不宜过低。因此,跌坎高度S对门槽及圆管射流出口处消力池边墙空化特性影响较小,而圆管长度L₂对其空化特性影响较大。     

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。     

射流掺气对水垫塘及坑底压强影响的实验研究

通过对射流掺气与不掺气时,水垫塘底板及冲坑底部脉动压强的对比试验,研究了掺气对水垫塘及冲坑底部压强特性的影响。结果表明:在冲坑未形成前,掺气使水垫塘底板上射流冲击区的脉动压强增加;无论是否掺气,滞点时均压强的量纲一分布遵从相同的规律,底板量纲一时均压强分布存在很好的自模性,且与气体冲击射流的压强分布具有相同的规律。冲坑形成后,掺气不再明显增大冲坑底部的脉动压强,掺气后,坑底脉动压强没有明显的变化。     

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γ_c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。     

束流型拦砂坝溢流口及其关键参数确定

为进一步优化拦砂坝溢流口体型,确定溢流口几何参数取值,通过物理模拟实验研究了不同拦砂坝溢流口体型条件下泥石流过坝的流态、坝后冲刷深度、消能率变化规律,并根据拦砂坝埋深设计标准与松散体水下临界平衡关系,探讨了溢流口收缩率的合理取值范围,结果表明:采用斜面或者大倾角的反弧型溢流口时,坝后泥石流落点与坝脚的距离近、冲刷深度大,而采用无倾角的反弧型溢流面时,不仅可以在一定程度上减小冲刷深度,而且大大增加了坝后泥石流落点与坝脚的距离;在泥石流规模与溢流面曲率半径相同情况下,适当增大侧向收缩率,有利于增强泥石流体与坝后动床之间的相互作用,提高泥石流通过坝后冲刷坑的消能率;当溢流口收缩率在0.2~0.6之间时,冲刷深度满足设计要求,且泥石流跌落点距坝脚较远,冲刷坑发展不会危及坝体安全。     

水平多股淹没射流水力特性及消能分析

针对不能采用挑流消能型式的大型水电工程,提出了多股多层水平淹没射流新型消能型式.它是利用与下游消力池底板具有一定高差且基本平行的多股射流进入消能水体的中间,在每一股射流的四周形成强剪切并各有一个较为稳定的三元紊动旋滚的水平多股淹没射流进行消能.对该消能方式的水力特性和消能特性进行理论分析,推导出三元水平多股淹没射流水力参数计算公式,计算结果表明它是一种流态稳定、适应性强、低雾化、高消能率,有利于降低临底流速的新型消能方式.     

底部抽真空预压法砂井地基固结解析解

基于谢康和等应变条件砂井地基固结理论和Hansbo砂井固结理论,考虑底部抽真空预压法加固方法中真空作用面位于固结土层底部的实际边界条件,推导出忽略竖向渗流情况下的底部真空预压加固地基固结方程解析解答。根据超孔压固结方程形成过程以及其解析解表达式,分析其与一般负压径向固结解答的区别。通过室内模型试验实测数据与解析模型计算结果的对比表明,不同位置处孔压和固结度计算值与实测结果吻合较好,从而验证了该模型的合理性,同时运用该模型也可有效验证已有关于底部抽真空室内模拟及现场原位试验结果。底部抽真空轴对称固结解析解可为底部抽真空技术的实际工程应用提供基础性的理论支持,推动底部抽真空技术的大规模推广应用。     

Influence of varying shape and depth on the generation of tidal bores

Understanding the formation of tidal bores is of great importance to the changing morphology of estuaries. This study investigates how the slope of tidal bores front changes by influence of varying shape and depth in estuaries. A new analytical solution of the slope was derived from the 1D shallow water equation and two numerical models were developed based on the Upwind scheme and Superbee schemes to simulate the propagation of tidal waves. Six cases were utilized to investigate the influences of decreasing width and depth on the generation of tidal bores. Analytical results suggest that the initial depth is considered to have more significant influence on the generation of tidal bore than the initial width. Compared with the analytical results, Scheme 2, which is based on Superbee scheme, is found to be superior to the other scheme and its results show a good agreement with the new analytical solution. Both analytical and numerical results show that the decrease of width and depth can promote the generation of tidal bores. In contrast, tidal bores may weaken or even not form due to the energy dissipation bottom friction induced.     

Experimental and numerical investigation for energy dissipation of supercritical flow in sudden contractions

Dealing with kinetic energy is one of the most important problems in hydraulic structures, and this energy can damage downstream structures. This study aims to study energy dissipation of supercritical water flow passing through a sudden contraction. The experiments were conducted on a sudden contraction with 15 cm width. A 30 cm wide flume was installed. The relative contraction ranged from 8.9 to 9.7, where relative contraction refers to the ratio of contraction width to initial flow depth. The Froude value in the investigation varied from 2 to 7. The contraction width of numerical simulation was 5~15 cm, the relative contraction was 8.9~12.42, and the Froude value ranged from 8.9~12.42. In order to simulate turbulence, the k-ε RNG model was harnessed. The experimental and numerical results demonstrate that the energy dissipation increases with the increase of Froude value. Also, with the sudden contraction, the rate of relative depreciation of energy is increased due to the increase in backwater profile and downstream flow depth. The experimentation verifies the numerical results with a correlation coefficient of 0.99 and the root mean square error is 0.02.     

Numerical investigation of hydraulic characteristics and prediction of cavitation number in Shahid Madani Dam's Spillway

The prediction of the probability of cavitation occurrence to prevent serious damages in the spillways is the major concern for hydraulic engineers. In this research,the three-dimensional model of Shahid Madani Dam's spillway was simulated with the Flow 3 D software and by the comparison of numerical model results with the experimental data, the probability of occurrence of the cavitation phenomenon has been investigated. The flow parameters including pressure, velocity, and water depth were calculated for three different flow rates of 495 m~3/s, 705 m~3/s and 2 205 m~3/s respectively.The Renormalization Group(RNG) turbulence model was used to simulate current turbulence. Comparison of simulation results for pressure, velocity and water depth with the results of the experimental model with two statistical indices Root Mean Square Error(RMSE) and Coefficient of Determination(R~2) showed that the numerical simulation results are in good consistency with experimental model. However, simulation results indicated that at any flow rates with a return period of 1 000 years, probable maximum flood and designed flow rates, the cavitation number is not lower than the critical cavitation number. Therefore, it is predicted that the cavitation phenomenon in Shahid Madani Dam's spillway will not happen.     

含非贯通裂隙砂岩的动力破坏特性研究

为研究动载作用下非贯通裂隙对岩石破坏特性的影响,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)对含不同裂隙数量及深度非贯通裂隙砂岩进行冲击试验,并基于分形理论和能量耗散原理分析其动力破坏特性。研究结果表明,动态峰值应力随裂隙数量及深度变化情况较复杂;峰值应变随裂隙数量增加而增加,随裂隙深度增加先增大后减小;动态弹性模量随裂隙数量增加先增加后减小,随裂隙深度增加而减小;不同工况试样的破坏模式分为张应变破坏、张应变?剪切复合破坏和压碎破坏3种,且裂隙数量对破坏模式的影响较裂隙深度大;试样破坏后的分形维数、单位体积耗散能和能量吸收率均随裂隙数量及深度的增加而增加,且分形维数与单位体积耗散能和能量吸收率均近似正线性关系。     

基于黏弹性理论的沉桩再固结问题分析

假设桩周土体为饱和黏弹性介质,采用Burgers流变模型进行描述,同时考虑竖向和径向固结,建立了固结控制方程。根据不排水和自由排水情况,将边界条件分为3类并分别得到超孔隙水压力消散的级数解答,该解答能够为孔压静力触探反求固结系数提供一定的理论依据。在此基础上编制了应用程序,对Burgers流变模型中主要参数进行了分析。结果表明,地基表面自由排水、桩端地基不排水条件下,在一定深度以内的桩周土体的固结速度随深度降低,但超过某一范围后固结速度趋于稳定;上、下边界均自由排水条件下,固结速度随深度增加呈现下降、稳定、升高;上、下边界均不排水条件时,孔压消散速度不随深度变化,可简化为本解答仅考虑径向固结的特例。同时土体的流变特性对超孔隙水压力消散的影响比较显著,流变参数G1/1的变化使超孔隙水压力趋于某不为0的定值,且该值随G1/1比值的增大而增加;其他参数不变时,土体剪切刚度比G1/G2的增大会引起孔压消散速度的下降。     

The geology of dam spillways

Over the past 25 years, embankment dam design has shown trends towards increased use of poorer quality rockfill and omission of concrete lining and energy dissipation structures in spillways. The most economic design may be an unlined rockcut spillway, supplying the total rockfill requirement for the embankment construction. However, such a design does impose significant restrictions upon construction program flexibility, and the apparent cost advantage can quickly disappear if geological problems are encountered during construction. Geological criteria for the acceptability of rockfill and for the omission of concrete lining in spillways have, therefore, become increasingly important in recent years. The decision to omit concrete lining and energy dissipation structures from the spillway should only be taken after detailed consideration of the site geology, the probable erosion mechanism and the operational characteristics of the spillway. It should be recognised that frequently operating spillways with severe discharge conditions require special consideration and a certain degree of conservatism over and above that required for spillways where discharge conditions are only moderate.