低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明：坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。     

推移质翻越低坝输移特性的试验研究

对于山区河流低坝而言,平时淤积在坝前的推移质粗沙可能会在洪水期集中翻越坝顶,形成高强度输沙。本文开展水槽试验,研究推移质粗沙自上游起动、推进、再翻越坝顶后向下游输移的过程,分析了输沙参数的变化特性及数理规律,描述了翻坝输沙模式及运动特征,揭示了输沙规律与河床形态之间的自然联系。取得如下认识:①输沙量随时间大致以幂函数规律增长。②低坝附近区域河床形态终将趋于稳定,上游和下游均形成相对稳定的曲面斜坡淤积体。③在不同的水流强度下推移质翻坝输移模式存在差异。对于一般水流强度工况,上游淤积体曲面斜坡表面泥沙颗粒以滚动或滑动模式起动,推移至接近坝顶位置时再跃移翻坝,后向下游输移;对于更高水流强度工况,后期的翻坝输沙模式可能发生显著转变,周期性边壁漩涡成为翻坝输沙的主要动力来源。     

推移质翻越低坝输移特性的试验研究

对于山区河流低坝而言，平时淤积在坝前的推移质粗沙可能会在洪水期集中翻越坝顶，形成高强度输沙。本文开展水槽试验，研究推移质粗沙自上游起动、推进、再翻越坝顶后向下游输移的过程，分析了输沙参数的变化特性及数理规律，描述了翻坝输沙模式及运动特征，揭示了输沙规律与河床形态之间的自然联系。取得如下认识：①输沙量随时间大致以幂函数规律增长。②低坝附近区域河床形态终将趋于稳定，上游和下游均形成相对稳定的曲面斜坡淤积体。③在不同的水流强度下推移质翻坝输移模式存在差异。对于一般水流强度工况，上游淤积体曲面斜坡表面泥沙颗粒以滚动或滑动模式起动，推移至接近坝顶位置时再跃移翻坝，后向下游输移；对于更高水流强度工况，后期的翻坝输沙模式可能发生显著转变，周期性边壁漩涡成为翻坝输沙的主要动力来源。     

悬板开孔对排沙漏斗流场特性的影响

排沙漏斗的水沙分离性能取决于其流场特性,为了弄清楚悬板开孔对流场特性的影响,利用粒子图像测速技术和数值模拟方法,分别对悬板溢流段和非溢流段同时均匀布孔、仅在非溢流段布孔和无孔时的排沙漏斗流场特性开展研究。结果表明:①布孔位置不影响涡流性质但影响其强度,均匀布孔时涡流强度最小,不利于水沙离心分离;②无孔和仅在非溢流段布孔时的流场特性有利于泥沙径向输移、沉降和排出,均匀布孔径向速度和二次流流速减小不利于泥沙输移和排出;③仅在悬板非溢流段布孔时悬板表面速度大于其他方案,泥沙不易淤积于悬板。为减少悬板上的泥沙淤积量且同时要保证较高的泥沙截除率时可采用仅在悬板非溢流段布孔的方案优化悬板体型。     

悬板开孔对排沙漏斗流场特性的影响

排沙漏斗的水沙分离性能取决于其流场特性,为了弄清楚悬板开孔对流场特性的影响,利用粒子图像测速技术和数值模拟方法,分别对悬板溢流段和非溢流段同时均匀布孔、仅在非溢流段布孔和无孔时的排沙漏斗流场特性开展研究。结果表明：①布孔位置不影响涡流性质但影响其强度,均匀布孔时涡流强度最小,不利于水沙离心分离;②无孔和仅在非溢流段布孔时的流场特性有利于泥沙径向输移、沉降和排出,均匀布孔径向速度和二次流流速减小不利于泥沙输移和排出;③仅在悬板非溢流段布孔时悬板表面速度大于其他方案,泥沙不易淤积于悬板。为减少悬板上的泥沙淤积量且同时要保证较高的泥沙截除率时可采用仅在悬板非溢流段布孔的方案优化悬板体型。     

基于图像测速的薄壁堰流表面流场测量方法

针对薄壁堰流水面落差大、流速沿程变化剧烈的特点,提出一种测量堰流表面三维流场的有效方法。该方法基于双相机共面法重构水面形态（无需对相机进行复杂的内外参数标定）和大尺度粒子图像测速技术（LSPIV）测量二维流场,通过相机像平面与水面之间的空间映射关系,将像平面的二维流场数据逆投影至世界坐标系下已知坐标点的切平面上,解算出三维表面流场。该方法应用于薄壁堰流试验,有效重构了堰流三维表面形态及流场,其初步结果表明,堰流的流向速度在自由泄流长度范围内先增加后减小,转折点大致在自由泄流长度中间位置;在该位置之后,垂向流速占主导;同时该方法可行,计算结果合理。     

有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究

为了研究三维壁面紊动射流前方布置的垂直挡板对时均流动特性的影响,采用粒子图像测速技术对不同雷诺数和淹没水深条件下的流速场进行了测量,统计分析了U速度剖面分布、速度半宽值变化和最大速度衰减规律。结果表明:沿射流方向具有3个明显不同的衰减区,依次划分为自由边界下的三维壁面射流区（Ⅰ区）、垂直挡板影响区（Ⅱ区）和近壁区（Ⅲ区）。在重点分析的Ⅱ区内,3个特征物理量的分布规律均与雷诺数无关;在垂直挡板影响下,速度半宽值扩展率明显加快,发展更为充分;在水深H~1.75H范围内,射孔中垂面内速度半宽值扩展率为0.043,同时0.5H的递增对射孔中心水平面内速度半宽值的分布较为敏感,其扩展率由0.205增至0.270;最大速度衰减对水深的改变并不敏感,且在Ⅱ区加速衰减,衰减指数为1.095。通过与半无限空间中三维壁面射流径向型衰减区的流动特征比较,Ⅱ区与之相似,将Ⅱ区视为提前进入径向型衰减区。     

横向振动格栅紊流紊动特性试验

建立了一套大尺度格栅紊流试验系统,格栅进行有别于传统垂向模式的横向振动,采用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)测量流速。对瞬时流速的检验表明,该系统产生的紊流场具有较强的随机性和统计规律性。均方根流速在格栅片附近变化较大,在两片格栅中间处趋于稳定,纵向均方根流速明显大于垂向均方根流速,二者比值在1.5~2.0之间,接近天然明渠紊流。雷诺应力在距格栅越近处波动越大,随着距格栅距离的增加而减小,至两片格栅中间处雷诺应力基本为0。时间和长度积分尺度在格栅片处最小,随着距格栅距离的增加而线性增加,至两片格栅中间处达到最大值。流速能谱呈现Kolmogorov理论的-5/3次方规律。本系统生成的紊流场的统计规律与传统的垂向振动格栅紊流较为一致,但纵向和垂向的紊动强度更接近实际,为后续紊流中泥沙和污染物等运动机理的研究奠定了基础。     

港渠口门回流的泥沙淤积特性

根据水槽概化模型试验现象和结果,分析了盲肠式港渠口门回流的淤积特性,包括淤积模式、淤积形态、淤积物级配分选以及河床变形特点等.讨论了影响回流淤积的主要因素,建立了回流淤积率的估算公式,并对防止泥沙淤积的工程措施作了初步探讨.     

新型开孔桥墩水动力特性的PIV试验

基于粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry,PIV）对新型开孔桥墩周围的水流结构进行试验研究。通过分析开孔桥墩中轴面（y/b=0）处的立面流场和桥墩周围不同水深位置处的平面流场,探究开孔桥墩周围水流动力结构。试验结果表明,矩形开孔桥墩周围水流呈明显的三维结构特点。在桥墩上设置方孔,能有效地抑制墩前部分下降流的形成、降低墩前壅水的高度和改善墩侧水流流态,同时明显改变墩后尾流结构。方孔所在水深位置处（z/h=0.45）,墩侧低速区最大相对宽度以及墩后尾流区最大相对宽度与相对孔宽比（w/b）呈二次曲线关系,且相关关系密切。近水面处（z/h=0.75）,w/b=0.5条件下墩后旋涡对的相对长度为无孔时的70%;相反,近床面处（z/h=0.15）旋涡对的相对长度略有增加,但旋涡对的相对宽度一直保持在1左右。     

水化学作用对砂岩抗剪强度特性影响效应研究

开展了不同水化学溶液侵蚀条件下砂岩的抗剪强度试验,分析了水化学作用对砂岩微细观结构的影响效应,探讨了砂岩的水化学损伤机制。在此基础上,分析了水化学作用对砂岩抗剪强度的影响规律。通过引入岩石水化学损伤度,定量表达了砂岩抗剪强度参数随水化学损伤的演化过程,并采用化学动力学方法,模拟在给定水化学环境条件下重庆砂岩损伤度随时间演化过程,进而预测其抗剪强度参数演化规律。所得结果为定量化研究水化学作用对岩石物理力学特性的影响效应及预测与水化学作用相关的岩土工程的安全性和稳定性提供了良好的借鉴作用。     

浅水非线性波作用下沙纹床面底层流动特性试验研究

通过水槽试验研究浅水非线性波作用下沙纹床面底层流动特性,利用CCD图像技术观测分析非对称沙纹的形成和演化规律。利用声学多普勒测速仪(ADV)测量非对称沙纹底床上的流场,得到了不同波高、周期、水深条件下的沙纹峰顶和谷底断面的瞬时速度。试验结果分析表明,浅水非线性波作用下床面上形成非对称沙纹,其近底流速具有较强紊动特性,随着距床面距离的增大紊动强度逐渐减弱。在水流方向改变时,沙纹背部具有明显漩涡运动。沙纹背后形成的漩涡能起到维持沙纹的作用。浅水非线性波作用下,沙纹的形成原因主要是床面泥沙颗粒在非对称流动和床面近壁粘性底层中漩涡结构动力作用下,作受迫摆动、推移所致。     

冻融循环条件下片麻岩蠕变特性试验研究

为探讨寒冷地区隧道围岩的长期稳定性,选取吉林省辉白隧道中的片麻岩进行冻融循环条件下的三轴蠕变试验,分析了冻融循环作用对片麻岩蠕变特性的影响机制。试验结果表明：随着冻融次数的增加,片麻岩的蠕变变形量逐渐增加,而蠕变破坏应力、蠕变时长、长期强度均有明显降低的趋势。同时冻融循环温度的幅度对片麻岩的各蠕变参数也有一定影响,表现为冻融循环次数相同时,温度越低,岩样的初始瞬时蠕变越大,而蠕变时长与长期强度越小。同时基于试验结果,利用1stOpt优化软件对Burgers模型参数进行辨识,可得模型理论曲线与试验曲线在蠕变减速段和稳定段吻合较好。最后通过SEM扫描和能谱EDS分析了冻融循环对片麻岩微细观结构的影响机制。岩样在长期荷载作用下的破坏模式均为剪切破坏,随着冻融次数的增加,岩石的破裂程度越来越严重、破坏块度越来越小。研究结果为寒区岩石工程的支护设计和防冻害设计提供了参考和依据。     

循环荷载下含层理页岩渗透特性试验研究

深入理解含层理以及含宏观裂缝页岩在循环荷载扰动下渗透率的演化规律,对于页岩气隧道安全施工而言意义重大。利用GCTS岩石力学测试系统对含轴向层理及轴向宏观裂缝页岩试件在循环轴向应力和循环围压下渗透率的演化规律开展相关试验研究。结果表明：含轴向层理页岩试件渗透率随轴向应力的加载和卸载基本不发生明显改变,而随围压增加以负指数的形式下降,随围压的减小以指数的形式增加;含宏观裂缝页岩试件的渗透率随轴向应力的加、卸载近似以线性形式降低和增加,而随围压的增大以负指数形式下降,随围压的减小以指数形式增加;含轴向裂缝页岩试件的渗透率相较含轴向层理页岩试件而言有大幅提升,其二者比值约为9倍左右;页岩试件对围压的敏感性约为轴向应力的26倍;试件渗透率几乎不随轴向应力循环次数发生明显改变,而随围压循环次数的增加呈负指数式下降,且其降幅主要集中在第1循环阶段内。研究成果可对页岩气隧道的安全施工提供一定的理论支撑。     

无粘性均质土石坝漫顶溃决试验研究

针对当前土石坝溃决机理试验研究中泥沙粒径取值偏小、各砂样粒径相差不大的现状,采用粒径对比明显的两组砂样进行了土石坝漫顶溃决试验.试验表明,在给定的较强的初始冲刷条件下,粗细两种颗粒坝体的溃决过程基本一致,均是以水流的下切侵蚀为主,在坝顶下缘位置有溯源冲刷现象出现.整个溃决过程可明显分为3个阶段,第1阶段为坝顶下缘处陡坎形成阶段;第2阶段为陡坎坍塌,冲刷加剧阶段;第3阶段为出现逆行沙垄的冲刷终止阶段.试验还发现,下游坝坡对溃决过程的影响比较显著,坝坡越陡,坝顶侵蚀速率越快,洪峰值越大.另外,由于粗颗粒抗冲刷性强,同等条件下粗颗粒坝体溃决洪水过程偏矮胖,洪峰值偏小,但是值得注意的是,相比于较大的颗粒粒径差距而言,其洪峰值的差异并不是太大.     

低温条件下塑料土工格栅拉伸特性的试验研究

通过对塑料土工格栅在低温条件下的拉伸试验,得到拉伸屈服力、屈服伸长率、不同伸长率对应的拉伸力等数据,试验数据分析表明：（1）塑料土工格栅在低温状态下抗拉伸能力明显提高;（2）低温条件下,塑料土工格栅肋条截面积越大,拉伸力随温度降低而提高的幅度越大,屈服伸长率随温度的降低而下降的趋势越明显;反之,拉伸力受温度降低的影响逐渐减弱,屈服伸长率受温度降低的影响越小;（3）塑料土工格栅冻融循环后,与未冻融试样对照,拉伸特性没有降低。     

线弹性阶段卸轴压煤样内瓦斯流动特性试验研究

以二次成型的型煤试件为研究对象,以煤样内瓦斯流动速度为考察参数,对其应力-应变全过程、线弹性阶段卸轴压过程的瓦斯流动特性进行了试验研究,并对比分析了处于弹性阶段的加、卸载过程中瓦斯流动特性。分析结果表明：煤样加载阶段的瓦斯流动特性曲线存在一瓦斯流动困难应力点,且应力值位于线弹性阶段的后期;线弹性阶段卸轴压时,煤样的应力-应变曲线与其内瓦斯流动规律曲线呈反向变化趋势,瓦斯流动速度变化与起始瓦斯流动速度呈正向关系,且煤样强度越大,其瓦斯流动规律变化越复杂,卸轴压过程中仅能够部分还原加载过程煤样内瓦斯流动规律;加载与卸载过程的瓦斯流动规律具有前者分两阶段均匀变化、后者为双曲线型特点;瓦斯流动规律在加载过程对应力影响更敏感,而卸载过程瓦斯流动规律对应力的敏感性只在局部表现。