堰塞湖土石坝漫顶溃坝扩散模型

依据推移质输沙率公式及河床变形方程,建立了堰塞湖土石坝溃坝冲刷过程的扩散模型,并给出了溃口纵剖面侵蚀下切与横断面展宽的解析解及其冲刷系数A计算公式。再联解水库调蓄方程和宽顶堰流量公式,用Excel计算表格得到了坝址溃口处流量与流速过程线,溃口底部高程及库水位降落过程线,溃口底部宽度与水面宽度变化过程线,以及最终纵、横剖面侵蚀形状。该模型理论严谨,计算简单,经模型试验、堰塞湖坝、土石坝溃坝实测资料验证符合良好,可应用于堆石坝、黏土坝、堰塞湖坝、尾矿坝、防洪堤等工程的溃坝抢险设计。

近坝岸坡滑坡涌浪演化规律及工程影响模拟

近坝库区滑坡涌浪严重威胁大坝及周边人员安全,明晰库区涌浪演化规律是该类型灾害预警的首要任务。以黄河上游某水电站工程大坝左岸4号倾倒变形体为对象,建立了基于Flow-3D Hydro原型尺度三维数值模型,分析了4号倾倒变形体不同部位原位失稳时的涌浪特性及传播演化特性。结果表明:近坝岸坡4号倾倒变形体失稳产生的涌浪类型为弱非线性震荡波,这种波型经过演化后往往次生波表现出最大波高、最大爬高等特征;如果将4号倾倒变形体分不同部位原位失稳,多宗龙洼沟侧整体下滑对坝前及坝下游建筑物无影响,可不做工程处理;但黄河侧原位整体下滑时,右坝肩最大浪高14.19 m,左坝肩最大浪高16.40 m,坝前爬坡高程约至3 009.00 m,超过防浪墙顶高程,严重危害面板堆石坝的安全,需要进一步的工程减灾措施。该研究成果可为库区滑坡涌浪灾害预警提供技术支撑。

狭窄库区滑坡涌浪特征分析及工程影响模型试验研究

为研究狭窄库区不同位置、体积滑坡涌浪对浪高及工程安全的影响,特以羊曲水电站库区H1滑坡体和1#变形体为例,建立1∶200的水工物理模型,研究失稳物质在体积100万、200万及500万m^(3)时产生的库区涌浪特征,进一步分析不同工况涌浪对特大桥及坝体稳定性的影响。结果表明:库区滑坡涌浪波类型为线性波,滑坡发生地和建筑物前的首浪高度均和失稳物质体积成正比;滑坡位置对工程的危害不一定和距离成反比,还和滑坡所处的水域条件相关;H1滑坡体或者1#变形体失稳产生的涌浪对特大桥无影响,但H1滑坡体体积大于200万m^(3)或1#变形体体积大于500万m^(3)时,会在溢洪道处漫坝。研究结果可为羊曲水电站库区滑坡涌浪灾害预防及应急调控措施制定提供参考。

水库滑坡涌浪波爬坡预测及破碎判断

准确预测坝前涌浪爬坡高度及破碎与否,对工程风险防控至关重要。为此,通过假定涌浪波爬坡过程服从非线性浅水方程,建立非线性震荡波、非线性过渡波及类孤立波在斜坡上爬坡时爬高预测理论模型。验证表明:提出的方法精度高,能够模拟非线性过渡波和震荡波在斜坡上的爬坡过程,预测最大误差不超过10%,多数误差小于5%。引入的Iribarren number与相对波峰高度关系可以区分非线性震荡波、非线性过渡波及类孤立波的破碎类型,但无法区分耗散涌波的破碎情况。该研究可为库区滑坡涌浪灾害预警提供技术手段。

近坝岸坡涌浪灾害减灾措施效果评估——以削坡减载为主

有效减缓近坝库区涌浪灾害是保障水利工程高质量运行的前提。以大型工程近坝岸坡4号倾倒变形体失稳诱发涌浪为例,采用三维数值模拟,研究削坡减载措施对涌浪灾害消减特性并寻求评估减灾效率的方法。结果表明:库区涌浪波属于有限水深波,类型为弱非线性震荡波,该类型次生波浪高大于首波;提出了4种削坡减载方案,有效缓解了库区涌浪影响程度,如开挖量最少的方案四,坝前最大浪高2.55 m(不处理浪高11.31 m),折浪率约0.78。研究提出了削坡减载效率系数,可用于评估开挖量和减灾效果。研究成果可为库区滑坡涌浪减灾提供评估方法。

泄洪洞挑流鼻坎体型优化及下游冲刷试验

某水电站泄洪放空洞与下游河道斜交,挑流鼻坎与所在位置河道右岸边坡距离较近,采用常规正向挑流鼻坎,会出现小流量跌流,大流量冲砸本岸,危害鼻坎基础及右岸边坡稳定。基于此,通过建立比尺为1∶35的水工模型,研究适用于泄洪放空洞与河道斜交且泄洪口靠近右岸边坡布置的新型挑流鼻坎结构。试验结果表明:斜鼻坎对解决右岸边坡淘刷严重的问题效果更佳,不管是常遇洪水还是小频率洪水情况,斜鼻坎右侧弧墙将水流翻卷后导向河床中间,竖向大幅拉伸,水舌落点远离右岸岸坡,有利于下游河道消能防冲。该研究可对实际水利工程中相似地形的鼻坎体型提供借鉴。

电站尾水河道开挖前后的水力特性研究

应用Mike11软件对河道开挖前后的水力特性进行研究,对比模型试验结果和Mike11数值模拟计算结果,发现两者非常吻合。电站尾水河道开挖后,尾水水位降低非常明显,断面平均流速也明显降低,且随着流量的增大有效水头的降低值逐渐减小。河道开挖后水面坡降逐渐平缓,水流条件得到了一定程度的改善。

弧形闸门突扩突跌出口掺气设施体型研究

基于物理模型实验,对弧形闸门突扩突跌出口掺气设施的体型及其影响因素进行了详细的研究。试验结果说明:突扩突跌掺气设施形成复杂的水流流态,向上扩散的水流形成水翅,回到正常水面后,在其下游又会激起冲击波,向下扩散的水流形成水帘,增加底空腔的回溯水流;底空腔的长度与跌坎、挑坎的高低、下游泄槽坡度均呈正相关关系,但泄槽坡度越陡,下游泄槽水翅越严重;侧空腔的长度与侧扩宽度呈正相关关系,但与下游泄槽水翅的严重程度呈反相关关系。

数值仿真在水利水电及水环境工程中的应用

利用FLUENT软件模拟水利水电工程泄水建筑物泄流能力、压力、流场、水面线等分布情况,利用MIKE、EFDC软件模拟大范围流域内污染物随时间和空间的分布情况及降解情况,计算成果被广泛应用于水利水电及水环境工程设计中。结果表明:数值仿真具有效率高、成本低、筛选方案快等优点,弥补了物理模型所需时间长、成本高、场地大的不足,其应用前景广阔。

多岔管局部水头损失系数的确定

为了确定多岔管道局部水头损失系数ζ,采用Fluent软件研究了五岔管局部的流速场分布,进而建立h_j^v^2/2g线性关系,从而得到各岔管局部水头损失系数ζ。计算成果与物理模型试验吻合良好,表明该数值模拟方法可用于其他异形体型局部水头损失系数ζ的确定。

竖缝式鱼道休息池水力特性研究

目前竖缝式鱼道在全国乃至世界均得到了广泛的应用,已有研究表明,水池的长宽比、导板长度、导向角等参数影响竖缝式鱼道的水流结构。文章在已有研究基础上合理取用竖缝式鱼道的长宽比、导板长度、导向角等参数,进一步分析研究休息池导向角对休息池水流结构的影响程度及合理的导向角取值范围。

台阶式溢流坝中小流量流态改善方式研究

台阶式溢流坝有显著的掺气效果和消能效果,目前在中小型工程中广泛应用。但是台阶式溢流坝在小流量浅水深的工况下,坝面上流态较差,呈现跌流或者过渡流态,容易形成水翅和水流跃离现象。为了解决上述问题,本文结合某工程通过水工模型试验研究对台阶起始端的体型进行优化,结果表明优化方案能够很好地改善较小流量时的过渡流态。

东庄水库突发水污染事故下有机物的时空分布研究

东庄水库作为关中渭北地区水资源配置网络中的关键工程,库区两岸分布有许多工业企业,一旦发生突发水污染事故将会严重危及水库水质安全。针对东庄水库可能发生的突发水污染事故,基于MIKE 11水动力-ECO lab模块,对东庄水库突发水污染事故爆发后COD_(Mn)有机物扩散情况进行数值模拟,结果表明:上游来水量对污染物的时空分布规律作用明显,污染物排放流量及排放时间对污染带影响不显著,通过改变上游来水量可控制污染带的影响时间及影响距离。该结果可为东庄水库突发水污染事故应急调控策略及方案的制定提供参考。

狭窄型水库不同滑速滑坡对涌浪特性及工程影响

为了阐明狭窄型库区滑坡涌浪的生成特性和传播特性,明晰在狭窄水域中滑坡体入水速度对涌浪特性的影响和工程的危害,以羊曲水电站狭窄库区中的1#变形体为例,采用三维数值模拟方法分析库区滑坡涌浪的产生、发展和传播全过程,同时建立1∶200水工物理模型进行验证,进一步论证滑坡体滑速对工程的危害。结果表明:数值模拟与物理模型试验涌浪时程线基本一致,试验在滑坡发生地和坝前测得的涌浪高度与模拟结果吻合良好。在狭窄水域中,首波波高随滑速的增大而减小,并且在波列中首波的波高不一定最大。此外,首波向大坝传播过程中没有发现明显的衰减,但其对总漫坝水量的贡献很小,漫坝流量峰值出现的时刻明显晚于首波到达坝前的时刻。

台阶式溢流坝消除水翅措施研究

白虎潭水库溢流坝堰面采用WES堰型,通过整体模型试验,建议将光滑的堰面改为采用台阶形式的堰面。由于溢流坝为自由溢流式泄洪方式,没有闸门控制流量,在过渡流态水流发生跃离时,台阶坝面上出现了较强的水翅,流态很差。经过试验研究,通过设置过渡台阶即改变部分台阶的高度,有效地消除了水翅,改善了流态。

较缓底坡上掺气减蚀设施的研究

在较缓底坡上设置掺气减蚀设施的最大难题就是掺气坎后的空腔回水问题。空腔回水不仅影响掺气设施的掺气效果,而且还可能堵塞进气通道,使掺气设施失效。对此,国内学者已进行过很多研究,提出了凹形坎、凸形坎、V形坎等各种三维掺气坎体型,可以有效地减少空腔回水,改善通气效果,但是并不能完全消除空腔回水。金川水电站泄洪洞原设计底坡0.03,通过模型试验,最终采用一种底板下弯式掺气设施,可以形成稳定的掺气空腔,并能完全消除空腔回水,可供同类工程参考。

羊曲水电站溢洪道掺气设施的试验研究

针对羊曲水电站溢洪道掺气槽的位置、体型进行了十多个方案的试验研究和论证分析,提出的掺气坎后双圆弧底坡方案,解决了掺气坎后的回水问题及水翅问题。其具有流态好、空腔水舌稳定、掺气槽内无积水、掺气浓度较大等优点,解决了溢洪道的掺气问题,满足了设计要求,并被应用于工程设计中,可供其它工程参考。

高坝过鱼设施集诱鱼口位置及设计参数体系研究

黄河羊曲水电站为黄河上游首个建设高坝过鱼设施的大型水电站,对于恢复黄河上游河段土著鱼类生境连通具有重要意义。高坝过鱼设施设计要充分考虑鱼类生物学特征和河段流场基本条件,确定合适的诱鱼口位置和运行参数。通过开展鱼类资源调查、鱼类游泳能力测试、坝下流场模拟分析、水力学模型试验等多项基础工作,确定过鱼设施诱鱼口位置及设计参数体系。研究方法和成果对于黄河上游其他规划水电工程高坝过鱼设施设计工作具有很强的借鉴意义。

某溢洪道掺气方案优化研究

高水头、大流量的泄水建筑物中易发生空蚀破坏,结合西北某水电站溢洪道工程实例,通过单体水工模型试验,开展溢洪道掺气减蚀研究。试验结果表明:各洪水频率条件的溢洪道泄槽流速较大,水流空化数小于0.3,需要设置掺气减蚀设施。通过分析3种不同掺气设施的减蚀效果可知,挑坎式掺气能缓解空蚀,但下游伴有不同程度的溅水;凸型坎掺气能形成稳定的空腔,且下游无溅水发生;坎槽式可使泄槽内形成稳定的空腔和流态,且易施工,为最优掺气设施。在最优掺气设施中,掺气坎至鼻坎前端掺气浓度较高(0.9%~63.1%),掺气效果良好,达到了掺气减蚀目的。研究结果可为该工程后续消能防冲研究及类似工程的掺气减蚀研究提供理论指导与技术支撑。

滑坡诱发涌浪的生成机理及传播形态研究

滑坡产生的波浪种类繁多,准确预测波浪类型是此类灾害预警和风险评估中的关键问题。利用模型实验和三维数值模拟研究滑坡受重力驱动产生涌浪的过程。研究表明:滑坡体与水体作用方式可归纳为推移式、体积替换式及过渡式3类;其中,耗散涌波或类孤立波的生成机理为推移式作用模式,非线性震荡波的生成机理为体积替换式作用模式,非线性过渡波的生成机理为过渡式作用模式;Frs-Sz分界法可以区分滑坡涌浪造波机理和波浪类型。该研究可为库区滑坡涌浪灾害预警提供技术手段。