前置掺气坎式阶梯溢洪道掺气水深及消能率的计算

在前置掺气坎式阶梯溢洪道水力特性、消能特性、掺气效果、抗空蚀特性研究的基础上,运用动量矩方程推导出阶梯溢洪道形成均匀流时的掺气水深和消能率计算公式,建立了不同单宽流量下掺气水深与阶梯尺寸之间的关系以及阶梯尺寸、阶数与消能率的定量关系。研究表明,前置掺气坎式阶梯溢洪道具有掺气量与掺气浓度宜于控制,底部掺气充分,抗空蚀性能优越,消能率高,适宜于大单宽流量溢洪道等显著特点,可作为进一步推广应用阶梯式溢洪道的理论和试验基础。研究成果得到模型试验的验证并应用于实际工程中。     

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。     

黄土坡面径流侵蚀产沙动力过程模拟与研究

通过室内模拟冲刷试验系统研究了3°~30°坡度范围内坡面径流的侵蚀动力及产沙特征,分析了坡面径流能耗与径流侵蚀产沙之间的关系。结果表明,坡面径流平均流速随坡度和流量的增加而增大,流速与坡度和流量之间存在指数函数关系,坡度对流速的影响大于流量。在3°~21°坡度范围内,坡面径流单宽能耗随坡度的增加而增加,当坡度超过21°时,径流能耗随坡度的增加而降低。坡度对侵蚀产沙的影响也有类似的现象,在3°~21°坡度范围内,坡面径流平均单宽输沙率随坡度的增加而增大,当坡度达到临界极值21°和24°后,坡面径流平均输沙率随坡度增加而减小;在整个试验坡度范围内,径流平均单宽输沙率随流量的增大而增大;流量对坡面径流平均单宽输沙率的影响大于坡度。坡面径流平均单宽输沙率和单宽径流能耗之间存在明显的线性关系,其临界单宽径流能耗随坡度的增加而增加,土壤可蚀性参数随坡度的变化在10.368~30.366的范围变化,试验的土壤可蚀性的平均值为14.61。     

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。     

坡面流层流区动力学特性

为完善坡面水流的基础理论研究,基于定床水槽试验,以甘油溶液为试验流体,采用超声波测量技术,进行了4种粗糙度、5种坡度和13种单宽流量条件下的组合试验,研究了坡面流层流区的动力学特性及滚波特征。研究结果表明:在雷诺数为8~160的范围内,流态指数在理论值0.33附近波动,且随粗糙度的增大呈现先增大后减小的变化趋势,在粗糙度为0.10 mm附近达到峰值;阻力系数受坡度和粗糙度影响显著,可较好地由坡度、粗糙度和雷诺数的关系式表示;随着雷诺数的增大,滚波波速和波峰均呈幂函数形式递增,滚波周期大小无明显变化;坡度的增大会使层流失稳临界单宽流量减小,粗糙度的增大会使临界弗劳德数的均值减小。     

掺土粉煤灰的动强度及孔压发展规律

在动扭剪三轴仪上对不同黄土掺量的粉煤灰试样进行动力学试验,根据试验结果对掺土粉煤灰的动强度及孔压发展规律进行了分析。试验表明:随着掺土量的增加,掺土粉煤灰的动强度值有所下降,在同一固结比条件下,掺土量越大,产生破坏所需的动剪应力和破坏振次就越小;掺土粉煤灰的动强度指标中粘聚力随掺土量的增大而提高,而内摩擦角随掺土量的增加呈略微减小的趋势;随着掺土量的增加,孔隙水压力随振次比及轴向变形的增长速度逐渐变缓,在纯粉煤灰中掺入一定量的黄土,有助于提高粉煤灰的抗液化性能。     

River Warren boulders, Minnesota, USA: catastrophic paleoflow indicators in the southern spillway of glacial Lake Agassiz

Boulders resting on meltwater-sculpted and striated-granite bedrock near the head of the southern outlet spillway of glacial Lake Agassiz are used to generate paleodischarge calculations. The rounded nature of many boulders suggests fluvial transport and a corestone origin. The distribution of boulders in clusters and linear trains records the interaction of clasts during transport and deposition. The geomorphology of the spillway with streamlined erosional remnant hills is characteristic of other large flood spillways. Using the Manning equation and a variety of empirical equations to determine paleovelocity, preferred discharges between 0.364 and 0.102 Sv are calculated. These discharges agree well with flood discharges using modeling methodologies, and most likely represent ephemeral and catastrophic flood events linked to either episodic incision at the outlet or the result of rapid inputs of meltwater to Lake Agassiz.     

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.     

考虑不同泄流槽方案的堰塞坝溃决机理分析——以唐家山堰塞坝为例

近年来,频发的地质构造活动和极端气候灾害诱发了大量堰塞坝,严重威胁上下游群众的生命财产安全。开挖泄流槽是最常用降低堰塞坝溃决风险的措施,由于时间非常急迫、交通极度瘫痪,其开挖量非常有限,因此如何利用有限的开挖量将溃坝风险降低至最小是亟待解决的问题。本文基于水土耦合冲刷机理,提出了考虑不同泄流槽方案的堰塞坝溃决机理分析方法,并应用于唐家山堰塞坝。该方法根据水力学参数和坝体抗冲刷性参数动态计算瞬时坝体冲刷率,进而分析泄流槽对溃决全过程的影响,从而自动获取最优的泄流槽设计方案。将此方法应用于唐家山堰塞坝案例发现:唐家山堰塞坝泄流槽最优设计时溃坝洪峰流量为1700m3·s-1,小于实际峰值流量6500m3·s-1,主要是因为增大泄流槽的纵坡率,显著增强溃坝前的冲刷并形成双洪峰,从而有效降低了溃决峰值流量。由于复合槽相对较小的水力半径限制了溃坝前的冲刷,使得临溃时水位较高,因此溃坝峰值流量比单槽大,溃坝风险降低效果不如单槽。     

模块面板式加筋土挡墙结构行为试验研究

为研究模块面板式土工格栅加筋土挡墙在墙顶局部荷载作用下的受力和变形状态,并了解其作用机制,通过室内模型试验,进行了包括墙面水平变形和墙顶竖向沉降以及墙体内垂直和水平土压力、附加应力扩散角、侧向土压力系数、土工格栅拉伸应变等分布规律的研究和分析。试验结果表明：墙面累积水平位移沿墙高呈上大下小分布;水平和垂直土压力沿筋长方向均呈从拉筋中部向两端逐渐减小的分布趋势;实测附加应力扩散角较非加筋土体大,基本在40°～75°之间;侧向土压力系数沿墙高的分布在不同断面有所不同;筋材应变沿筋长呈单峰值分布,峰值出现位置距墙脚的水平距离从高到低逐渐减小。     

含闸墩溢流坝三维过坝水流数值模拟

利用有限体积方法对含闸墩溢流坝过坝水流三维流场进行数值模拟,采用κ-ε两方程模型模拟湍流,利用流体体积(VOF)法确定自由水面线,分别对两种墩型过坝水流进行计算,给出了3种水头下的水面线及坝面压力,通过与实验结果的比较表明,建立的模型能够准确地模拟带闸墩溢流坝三维流场,从而为溢流坝的水力设计提供可靠的设计依据。     

基于EPS板减载的不同矢跨比高填黄土明洞土压力及影响因素离散元分析

利用离散元计算软件PFC2D模拟EPS板减载措施下不同矢跨比(0.4~0.9)拱形明洞的土压力变化状况,从微观角度对减载明洞上方垂直土压力、竖向位移、侧面水平土压力及颗粒间接触进行深入分析,明确内部土体的土压力变化规律。同时,对最佳矢跨比下的不同槽宽比和边坡坡角进行参数敏感性分析。结果表明:EPS减载下,明洞顶出现“土拱效应”,明洞顶垂直土压力沿水平方向呈“U”形变化,竖向位移呈“V”形减小,明洞侧面水平土压力沿竖向呈斜“S”形变化;在最佳矢跨比0.8下,颗粒间接触呈现接触力最小、配位数最小、孔隙率最大的良好状态。当槽宽比越大时,平均垂直土压力越大,竖向位移差和平均水平土压力越小,颗粒间接触状况越差;当边坡坡角越大时,平均垂直土压力越小,竖向位移差和平均水平土压力越大,颗粒间接触状况越好。研究成果可为沟谷地区高填减载明洞结构选型和施工提供参考。     

Steady critical discharge rates from vertical and horizontal wells in fresh–saline aquifers with sharp interfaces

In this study, the critical (or maximum) discharge rates before saline water enters a well were determined for vertical and horizontal wells in a freshwater aquifer which is separated from a static saline aquifer by a sharp interface. Flow around the well was solved by integration of a point sink solution along the well axis, and both the critical discharge rate and critical interface rise were determined through a comparison of the heads and vertical gradients at the saline–fresh water interface. The rates were determined for vertical and horizontal wells with various lengths and depths for different aquifer salinities. Results were generalized by drawing dimensionless type curves. The results showed that the dimensionless total critical discharge rates are higher for the longer horizontal wells and longer vertical wells with a certain bottom depth, and they almost linearly decrease with well depth at rates of 0.7–0.9. For the dimensionless well length of 0.2, the dimensionless total discharge rate of a horizontal well is about 0.1 more than that of a vertical well with the same length and well-top depth. Also, the critical discharge rates per unit length of well are inversely proportional to well length and remarkably higher for shallower wells. Additionally, the critical pumping rate is proportional to the salinity difference of the aquifers. These results were confirmed by comparison to existing solutions for vertical wells with dimensionless lengths of 0.2, 0.5 and 0.6, and for critical interface rises in the range of 0.75–0.9.     

砂砾石与砂接触冲刷试验研究

渗流作用下土层之间的接触面是较易发生渗透破坏的薄弱环节。在开展砂砾石渗透破坏试验研究的基础上,针对砂砾石与砂的接触面渗流及渗透破坏特性,利用大型竖向渗透仪和自主研制的环状径向水平渗透仪,研究了竖向和水平渗流作用下接触面渗流和渗透破坏的影响因素及接触冲刷的发生、发展过程。研究结果表明,典型的砂砾石与砂的接触冲刷破坏过程可分为稳定渗流阶段、过渡阶段和破坏阶段3个阶段,可用2个特征水力坡降进行划分,稳定渗流阶段与过渡阶段的分界点对应的水力坡降称为启动坡降,过渡阶段与破坏阶段的分界点对应的水力坡降称为破坏坡降;砂砾石与砂组合试样的渗透系数随砂砾石密度的增大、颗粒变细而减小,砂砾石与砂接触冲刷的抗渗坡降则随砂砾石密度的增大、颗粒变细而增大,在水平渗流情况下试样的渗透系数较竖向的大,但接触冲刷的抗渗坡降较竖向的小。     

组合荷载下超大群桩受力变形模型试验研究

李子沟特大桥是内昆线上的重点工程 ,采用了超大群桩基础。为了进一步完善对超大群桩基础的力学行为的认识 ,应用模型试验分析了在组合荷载作用下超大群桩基础的内力分布特点、群桩的承载性状和受力变形特性。试验结果表明 ,最大弯矩发生在与承台连接附近的桩身处 ,弯矩沿桩身向下随荷载由线性或非线性递减。对于组合加载与水平纵向加载 ,弯矩的极值、沿桩身的变化趋势和受荷载的影响范围不同