黄河下游桥渡冲刷计算问题探讨

对现行规范推荐公式用于黄河下游桥渡冲刷计算存在的问题进行了探讨。结果表明:现行规范推荐的桥渡冲刷公式存在理论基础薄弱、适应性差等缺陷;进行非黏性土河床桥渡一般冲刷计算时,参量选取的任意性或人为性较大,受初始断面形态尤其是河槽最大水深的影响过大,不能反映水流泥沙条件变化对桥渡冲刷的影响,甚至不考虑河床组成的影响;进行非黏性土河床桥渡局部冲刷深度计算时,选用的泥沙起动流速公式使计算的桥墩局部冲刷深度偏大较多,且在概念上反映不出一般冲刷与局部冲刷的关联影响;采用黏性土河床桥渡冲刷公式计算时,因液性指数取值的人为性很大,故使计算的冲刷深度变化较大。为克服现行规范推荐公式的局限性,建议引用由输沙平衡原理建立的最大冲刷水深公式及黄河桥渡冲刷公式进行复核计算,并采用模型试验等手段进行验证。

小浪底水库拦沙运用对沁河溯源冲刷的影响

通过理论探讨建立了沁河口上游出现溯源冲刷后床面比降、某点相应高差和冲刷发展长度的计算公式,并对小浪底水库拦沙期沁河入黄口黄河河床冲刷引起的沁河下游溯源冲刷问题进行了研究。结果表明:小浪底水库拦沙期下游河床冲刷对沁河下游河床变形的影响是有限的;建立的沁河水流挟沙力公式的计算精度与张红武公式相近,但结构形式相对简化。

黄河下游游荡型河段的治理方略

基于黄河河势"流性习散,河性习弯"的变化特性,提出了适应未来水沙条件的黄河下游游荡型河段治理方略:在现有河弯工程与改建的"束流节制工程"强力约束下,靠溜险工及控导工程与以生产堤为基础改造成的护滩防洪堤共同构成第一道防线,发挥控制流路,束流输沙及避免中常洪灾的作用,在完成标准化建设的大堤上有目的地修建防滚河工程后成为第二道防线,结合在大堤至控导工程及村庄至大堤的道路标准提高后形成的格堤,既可在发挥分滞洪作用的同时,有计划地淤滩治滩。此外,"河南运河"也可作为黄河下游河道长期治理的战略措施。

尾矿库溃坝模型设计及试验方法

在简要回顾前人有关模拟方法研究成果的基础上,分析了尾矿库溃坝及其模型试验的特点,理清了设计思路,提出了模型相似条件,然后以预备试验为依托,通过模型尾沙选择与要求、模型制作、测验手段等环节的研究,进一步论述了尾矿库溃坝模型的设计方法与试验方法。尾矿库溃坝模型设计应遵循水流重力相似、水流阻力相似、水流挟沙相似、尾沙悬移相似、河床变形相似及尾沙起动相似等条件;模型沙可选择容重适中、化学性质稳定的拟焦沙;模型试验的工作步骤:给出尾矿库最可能的溃坝方式及对下游影响最大的典型情况,确定尾矿库最终高程,选配合适的模型沙,设计溃坝模型,测出尾矿库溃坝坝址流量、水位过程线和冲沙率以及向下游的洪水演进情况,提出可行的下游保护方案、工程措施及综合防治对策,确定尾矿库最终堆积标高。

试论推移质输沙率公式

推移质输沙规律研究是泥沙基本理论的重要内容。在对前人主要研究成果开展述评的基础上,进一步从能量平衡观点及能耗图形出发,全面考虑影响河流推移质运动的因素,合理确定不同条件下的泥沙起动流速、摩阻参数A65与水下休止角,建立了物理图形清晰、结构合理、便于使用且适用性更强的推移质输沙率公式。采用大江大河与中小河流资料以及试验室实测资料对公式的检验结果表明,文章建立的公式(19)在不同条件下均能同实测点据接近,有效提高了推移质输沙率公式的计算精度和工程实用价值。

丁坝局部冲刷研究现状与展望

分别从丁坝附近水流结构、回流区范围、坝头局部冲刷机理、坝头局部冲刷影响因素和坝头最大冲深计算公式5个方面回顾了丁坝冲刷研究成果,认为:①水流结构是开展后续研究的基础;②相对回流区长度与断面缩窄比是否存在相关关系、相对回流区长度野外观测值与概化公式为何差距甚远、对坝头局部冲刷有重要影响的各因素中哪一个或哪几个占主导等问题尚无定论;③对于坝头局部最大冲深影响因素的研究甚多,但有些因素的研究结果不一,还有一些对冲深有重要影响的因素研究很少;④丁坝坝头局部最大冲深的计算公式一直存在理论性不强的缺陷。

细沙河流床沙中径计算公式研究

在系统回顾已有成果基础上,引入冲淤判数,通过动床河工模型试验研究了洪水冲刷过程中的床沙变化机理与规律,并基于河床自动调整作用原理建立了在全面概括影响因素的同时又能反映河床与水流依存关系的细沙河流床沙中径计算公式。黄河、西辽河等河流大量实测资料的检验结果表明:建立的公式有较强的适用性,其精度能满足工程需要。

黄河下游糙率奇小的原因分析

在系统回顾已有成果的基础上,通过理论分析和实测资料计算,对黄河下游糙率奇小的原因进行了探索,认为黄河下游糙率之所以小到脱离原有物理含义的程度,其主要原因有:①采用曼宁公式来反求糙率;②含沙量引起流速分布图形改变,具有"减阻作用";③黄河下游水文泥沙测验精度较差,尤其水面比降难以观察,从而直接影响由曼宁公式反求糙率系数的精度。

黄河下游河道整治工程直河段长度公式的确定

运用弯道环流理论,将环流强度衰减到0.1%作为判断上游弯道工程送溜作用消失的标准,根据环流表面流速沿程衰减公式计算出上下游相邻对应弯道工程之间的直河段长度。结果表明:黄河下游整治流量下弯道工程下游的直河段长度相当于整治河宽的1.2倍,明显小于目前许多河段治导线的直河段长度,只有通过工程措施改变上述状况,才能有效控制河势。

郑州官渡黄河公路大桥的桥渡设计

通过郑州官渡黄河公路大桥桥渡设计实例,对目前黄河下游桥渡冲刷及壅水计算的有关问题进行了探讨。为解决现行规范公式参量选取人为性大、受断面形态影响过大、对水沙条件反映迟钝等缺陷,计算采用了黄河相应方法。结果表明,运用输沙平衡原理由张红武挟沙力公式导出的黄河桥渡一般冲刷公式,物理概念清晰,反映因子齐全;黄河常用的桥渡冲刷公式考虑了一般冲刷和局部冲刷的相互影响、相互关联,计算结果与实际符合,而且还能计算滩地不同部位桥墩的冲刷深度。壅水计算表明:规范推荐的壅水简化公式计算值偏低较多,需将反映工程阻挡流量与桥址断面流量的比值系数增至0.28;黄河桥前壅水公式可反映出水力泥沙因子的影响,计算结果符合实际。

黄河游荡型河段河势变化数学模型

在已有成果的基础上,通过解决水流横向输沙模拟、滩岸在水力冲刷与重力坍塌作用下的变形计算及其数值计算的适应性等关键性难题,首次开发出了可模拟黄河游荡型河道河势变化的数学模型。初步验证结果表明,该模型能够反映游荡型河流河床的演变特征,可用于黄河下游游荡型河道河势变化的模拟计算。

多沙水库非恒定水沙动床数学模型研究

通过选取水流挟沙力、动床糙率等计算公式，考虑河槽在冲淤过程中河宽变化规律的模拟，并着重克服以往数模取恢复饱和系数小于1等理论上的不足，使准二维非恒定水沙动床数学模型在计算多沙水库的水沙运动时符合天然实际，定量结果更为可靠。然后，利用典型水库——黄河三门峡水库1994-1999年实测水沙系列及相应资料，对数学模型进行验证计算，以便该数模能够正确模拟原型泥沙冲淤变化、水位变化、泥沙级配变化、含沙量沿程变化、河床形态调整变化等规律。

基于水沙组合分类的黄河中下游水沙变化特点研究

为进一步揭示黄河中下游水沙关系及变化规律,本文通过自组织映射(Self-Organizing Map)-K均值聚类(K-means clustering)耦合方法,利用黄河中游潼关水文站1919-2018年的年径流量及年输沙量数据,对该站的水沙组合进行分类。结果表明:潼关站水沙类型有沙多水多、沙多水中、沙中水中及沙少水中4种。结合新中国成立后黄河流域水土保持事业的发展情况,以1960年及2000年为时间节点将研究时段分为3个阶段,分析了上述4种类型在3个阶段的出现频率及变化特点。考虑到黄河水沙条件的变化,又对1986年以来潼关站的水沙组合进行分类。结果表明:该站在1986年后的水沙类型有沙中水中及沙少水中2种。两种时间序列下的分类结果略有差异,体现出黄河水沙变化的复杂性。

黄河下游治理钢管透水桩稳定性计算

黄河下游河道与滩区治理示范项目提出了与河势控导工程协同配合的钢管透水桩束流输沙工程技术,以达到中水河势稳定控制、输沙能力提升与特殊洪水行洪共适应的目的。鉴于目前没有适用于河道治理透水桩工程稳定计算的模型与规范可供参考,首先,从冲刷坑深度、结构内力分布、抗倾覆稳定性计算、抗弯强度分析等方面,对钢管透水桩坝设计方法展开探讨。基于经典土力学理论提出的计算方法颇为简洁可靠,给同类结构的工程安全稳定分析提供了参考。其次,剖析位移对透水桩结构稳定的影响,明确桩体横向位移值的物理概念及工程意义,运用结构力学方法计算出透水桩水平位移,并提出可通过材料弹性模量的比值确定允许位移值的大小。结合工程实例,运用该计算方法对钢管桩及钢筋混凝土两种材料制成的桩体的稳定性加以比较,通过分析管径、桩长、壁厚等条件对结构稳定的综合影响,判定出钢管透水桩在安全稳定、施工乃至工程投资等方面具有明显优势,同时表明,实施减冲与整体互连措施,可有效加强透水桩坝的安全稳定性。

黄河下游洪水频率分析研究

为避免历史调查洪水误差较大对设计洪水计算的影响和我国过于保守的分析思路导致设计洪水值普遍偏大而影响黄河下游防洪体系合理运行的现状,利用黄河下游花园口站百年实测洪峰流量还原资料,通过洪水频率分析和调洪计算对花园口站在小浪底等水库运用前后的设计洪水频率及洪水过程进行研究,并结合洪峰流量相关图确定了黄河下游各站的设计洪峰流量。结果表明:花园口站天然状态和考虑小浪底等水库运用的100 a一遇设计洪峰流量分别为22 949、12 948 m^(3)/s,黄河下游夹河滩、高村、孙口站在小浪底等水库运用后100 a一遇设计洪峰流量分别为11 730、11 050、10 100 m^(3)/s;花园口站天然状态和考虑小浪底等水库运用的1 000 a一遇设计洪峰流量分别为32 301、20 865 m^(3)/s,小浪底等水库运用后相应的夹河滩、高村、孙口站1 000 a一遇设计洪峰流量分别为19 125、17 100、15 350 m^(3)/s。对比其他学者的成果和目前采用的设计洪水标准,所得结果较小,现有堤防设防标准自然相应提高,表明黄河下游防洪安全客观上存在一定余地,为解放北金堤滞洪区与明显减小东平湖滞洪区的分洪概率和分洪量提供了良好条件,有利于采用"两道防线"与生态治理、因滩施治相结合的"三滩分治"模式治理黄河,进而使黄河下游成为造福两岸人民的幸福河。

黄河内蒙古三盛公至三湖河口河段模型试验与工程适应性分析成果通过评审

黄河内蒙古三盛公至三湖河口河段长220.7 km,是泥沙淤积严重、游荡多变的特殊河段。根据国家有关部门对黄河设计公司《黄河内蒙古河段近期防洪工程初步设计报告》中重要基础工作安排的批复意见,需要开展该河段动床实体模型试验、河势演变趋势及工程适应性分析。2011年底,通过公开招投标,清华大学承担了上述科研项目,同内蒙古黄河防洪工程建管局签订了＂黄河内蒙古三盛公至三湖河口河段动床模型试验＂及＂内蒙古黄河河势演变趋势及工程适应性分析＂技术合同。2014年8月,以张红武教授为负责人的项目组提交了《黄河内蒙古三盛公至三湖河口河段动床模型试验报告》《黄河内蒙古河势演变趋势及工程适应性分析报告》等研究成果。

河道与滩区治理组合板桩抗倾覆稳定计算

国家重点科技研发计划专项黄河下游河道与滩区治理研究项目提出了异形钢结构组合桩技术,以达到中水河势稳定控制、输沙能力提升与特殊洪水行洪共适应的目的。鉴于钢结构板桩组合坝结构特殊,目前尚没有现成的完全配套的技术模型与规范可供参考,故根据示范工程总体布置要求与基本力学原理,结合工程环境、地质、水文等条件,采用加权方法体现基础对异形组合桩不同部位实际接触的多寡对板桩与管桩的抗倾覆影响作用,采用安全系数法对钢结构板桩组合坝示范工程进行稳定性计算,提出了一种适用于新型钢结构预制板桩组合坝的安全稳定性分析计算方法。计算结果表明,按实际面积加权计算出抗倾覆安全系数为1.43,略微小于规范要求的最小值1.50,为推荐算法。