琴键堰增设护墙对泄流能力影响的模型试验研究

为探究在堰顶增设护墙以及护墙高度对琴键堰泄流能力的影响,通过模型试验对比分析了8种不同高度护墙琴键堰的泄流能力,并通过数值模拟对5种不同高度护墙琴键堰各溢流前缘的泄流量、水面形态以及流速分布等特征进行了分析。结果表明:相较于基础体型,增设护墙提高了进口和出口宫室的泄流效率和泄流量占比,提高了侧堰泄流量,减少了侧堰溢流碰撞,提高了水流下泄流速,从而提升了琴键堰的泄流能力;增设护墙高度为堰高的13%时,泄流能力提升最大,当相对水头H/P<0.20、0.20<H/P<0.40时泄流能力可分别提升8%~15%和10%~12%。

汶川震区的坡面泥石流调查研究

汶川地震造成的大量崩塌、滑坡和颗粒侵蚀堆积体,为泥石流提供了丰富的松散物质来源。在过去的两年内暴雨引发大量的坡面泥石流,对山区公路和河流造成危害尤为严重。坡面泥石流是一种发生在有碎屑堆积物的陡坡上,由降雨引发的高浓度碎屑与水的混合物沿坡面运动的现象。本文作者通过野外调查和测量,得到19个坡面泥石流的降雨量、形成与堆积坡度、颗粒级配等数据,并估算得到坡面泥石流的行进速度。研究发现降雨是震区坡面泥石流爆发的决定性因素,当代表日降雨量超过20mm/d就可能引发坡面泥石流;当代表日降雨量超过30mm/d,坡面泥石流就可能群发;当代表日降雨量超过90mm/d,震区就会大量爆发坡面泥石流。坡面泥石流形成坡度和堆积坡度很大,构成颗粒较粗。此外,震区频发的坡面泥石流是两相泥石流,水体成稀泥浆在运动中主要是润滑体而不是承载体。坡面泥石流运动距离只有几米到几十米。由于固体颗粒运动中剧烈碰撞消耗了大部分能量,运动速度很小。建排水系统和发育植被可以最终控制坡面泥石流。

河床下切对闸坝泄洪消能的破坏及对策

河床下切导致的闸坝下游水位降低,上下游水位差增大,造成原有消能工不能满足消能要求,甚至大洪水时发生严重破坏。小埠东橡胶坝工程采用一、二级消力池联合消能工设计,由于下游河道连续多年采砂超量,河床急剧下切,导致消能工多次毁坏,严重危及闸坝安全且带来巨大损失。通过水力学模型模拟了小埠东枢纽消能工消能效果,分析了破坏原因。结合多个消能工优化方案的消能试验,提出的推荐方案一、二级消力池均能产生稳定的水跃,满足校核洪水消能要求。通过变动枢纽下游水位的消能试验,研究了消能工推荐方案下游河道允许下切极限。工程实际应用表明,推荐的消能工结构遭遇大洪水时未发生破坏,研究提出的因河床下切造成的消能破坏加固理念和对策可为类似工程借鉴参考。

瓯江三溪口航电枢纽引航道布置优化试验研究

三溪口枢纽位于多湾河段连接处,引航道及口门区水流条件复杂,上游半开敞式引航道受枢纽泄流影响较大,下游引航道受下游45°弯道和小支流影响较大。通过枢纽整体水力学模型试验分析了引航道口门区的通航水流条件,并给出了优化布置方案。枢纽泄洪水库动水对上游引航道内水流干扰大,通过对比分析提出了保证通航安全的枢纽泄洪调度建议。通过合理疏浚河道凸岸滩地,并适当调整引航道布置长度和角度,有效地改善了下游引航道口门区的通航水流条件。

冲刷坑冲刷过程的数值模拟

为了探索用数值模拟的方法来模拟冲刷坑形成过程及预测冲刷深度的可行性,在贴体非正交曲线坐标系中,采用控制体积法对二维散粒体河床的冲刷进行了数值模拟,根据冲刷过程中坑底动水压强和冲刷深度之间的平衡关系,来控制坑底边界网格移动进而模拟冲刷坑的冲刷过程及流场变化过程,实现了对冲坑底边界动态发展过程的自动模拟。计算得到的控制参数变化规律,表明用此方法模拟冲坑发展过程的可行性;计算结果与试验吻合较好,说明本方法可以有效地用来模拟冲坑发展过程,并能正确的反映挑流冲刷中流场结构和速度、压力等参数的变化。

琴键堰泄流能力影响因素与计算分析研究

近年来特大洪水和超标准洪水频繁发生,已建水利工程泄流能力不足问题日益突出。琴键堰在适当低水头条件下具有高效泄流效率。归纳了琴键堰主要结构参数对其泄流能力的影响及最佳取值,总结了琴键堰流态对泄流能力的影响,分析了琴键堰发生低水头行为的条件参数。通过对比现有琴键堰泄流能力估算公式,并结合国内外已有试验数据,采用遗传算法拟合推导了基于溢流堰轴线长度L、堰宽W、堰长B、堰高P、进出水宫室宽度比Wi/Wo及上下游倒悬长度比Bo/Bi流量系数计算式,整体误差小于6%。该式计算简单,适用于琴键堰整体泄流能力估算,可根据实际需求选取合适的估算公式。琴键堰主要结构参数的最佳取值及泄流能力的计算方法可为超标准洪水条件下泄流建筑物设计或改建提供估算依据。

黄土高塬沟壑区退耕地土壤抗冲性及其与影响因素的关系

为了评价退耕地土壤抗冲性的变化,该文以黄土高塬沟壑区自然退耕农地为研究对象,通过径流小区冲刷法对不同覆盖度塬面退耕地（TAL,table-land abandoned land）和沟头退耕地（GAL,gully-head abandoned land）土壤抗冲性进行了研究。结果表明,1）与对照（Ⅰ）相比,TAL和GAL处理水稳性团聚体、根系密度和根系生物量均显著增加（P〈0.05）,覆盖度大于0时,崩解速率显著减小44.87%-79.16%和33.79%-70.65%,有机质显著增加70.12%-222.70%和59.20%-194.88%,覆盖度最大时,土壤容重和渗透系数才显著减小和增大。2）TAL处理0覆盖度小区抗冲系数（AS,anti-scouribility）较对照无差异,其余覆盖度则显著增大2.31-7.57倍,GAL处理AS较对照显著增大0.99-7.12倍,覆盖度越大,根系提高土壤抗冲性能的效果越显著。3）TAL和GAL处理AS分别与容重、崩解速率、水稳性团聚体含量、渗透系数均呈极显著指数函数关系,与有机质含量、根系生物量及根系密度均呈极显著线性函数关系。水稳性团聚体是影响塬面和沟头退耕地土壤抗冲性的关键因子。结果可为研究区退耕还林还草工程生态功能评价及水土流失治理提供理论依据。

陕北风沙区含砾石工程堆积体坡面产流产沙试验

采用室内人工模拟降雨方法,研究了陕北风沙区含砾石工程堆积体边坡的产流产沙过程。结果表明：1砾石存在改变了坡面入渗速率,径流系数受入渗速率的影响,随砾石含量的增加先线性递减后线性递增,并在10%砾石含量处存在阈值;径流系数随降雨强度的增加线性递增。2含砾石堆积体坡面流速较纯土堆积体降低,且随雨强增大,砾石延缓径流流动的作用越显著;雨强对径流流速的影响随砾石含量增加持续减弱。3土壤剥蚀率在产流24~33 min后显著增加,砾石主要对显著增加后的平均剥蚀率产生影响。4雨强1.0 mm/min时,砾石存在促进降雨侵蚀,产沙量增大;雨强大于1.0 mm/min时,砾石具有显著的减沙效应。

黄土区坡耕地耕作对浅沟径流产沙及其形态发育特征的影响

为研究耕作对浅沟径流产沙及形态发育特征的影响,在野外调查的基础上,设计坡度（15°、20°、25°）、雨强（1.0、1.5、2.0 mm/min）及放水流量（7.53∽23.45 L/min）3个处理,采用室内模拟降雨和放水冲刷的方法,测定了不同处理下浅沟径流量、产沙量。结果表明：1）2种浅沟水流均为紊流,耕作使浅沟水流雷诺数和弗劳德数分别减小0.95%∽30.77%、2.64%∽39.14%,阻力系数和糙率系数分别增加4.01%∽58.82%、0.88%∽27.87%;2）试验条件下,耕作使浅沟土壤剥蚀率增大9.48%∽37.87%,未耕作与耕作浅沟土壤剥蚀率分别与坡度—流量交互作用、雨强—坡度交互作用呈极显著线性关系,土壤剥蚀率与径流剪切力、径流功率及单位径流功率均呈显著的线性关系,未耕作浅沟发生剥蚀的临界剪切力、临界功率及临界单位径流功率分别为17.576 N/m2、5.036 W/（m2·s）、0.0381 m/s,耕作浅沟为10.585 N/m2、3.544 W/（m2·s）、0.0277 m/s;3）耕作使浅沟宽度增加1.98%∽31.79%,浅沟面积增大0.84%∽32.03%,下切深度降低2.82%∽26.67%;4）耕作使浅沟土壤侵蚀量增加0.91%∽22.80%,未耕作和耕作浅沟土壤侵蚀量分别占坡面土壤侵蚀总量的44.09%∽74.16%和42.44%∽56.44%,与雨强—流量交互作用均呈极显著的线性函数关系。结果可为该区浅沟侵蚀预测模型的建立及农业生态环境安全与保护提供科学依据。

神府矿区弃土弃渣体侵蚀特征及预测

神府矿区在煤炭开采过程中形成了弃渣体、弃土体及扰动土体等不同下垫面类型，其物质组成、结构性及产流产沙规律与撂荒地有极大差异，且已产生严重的水土流失。采用野外模拟降雨试验方法，对比研究了弃土弃渣体、扰动土体与撂荒地侵蚀特征的差异。结果表明，（1）撂荒地侵蚀速率随降雨历时先下降后逐渐稳定，扰动土体侵蚀速率呈增大后趋于稳定；35°弃土体侵蚀速率增至峰值后减小并逐渐稳定，40°时则一直处于波动状态；石多砂少和砂多石少弃渣体在产流初期侵蚀波动剧烈，并伴有泥石流现象，15min后基本稳定。（2）同一下垫面侵蚀速率随雨强增大而增大，而各坡度间侵蚀速率差异不显著（P〉0．05）；雨强相同时各下垫面、坡度间侵蚀速率差异均显著（P〈0．05），复杂疏松的物质组成是弃土弃渣体及扰动土体侵蚀特殊于撂荒地的根本原因，相同降雨条件下石多砂少弃渣体、砂多石少弃渣体、弃土体及扰动土体侵蚀速率分别是撂荒地的6．51倍～14．25倍、57．91倍～239．2倍、43．60倍～180．1倍和2．27倍-3．06倍。（3）弃土弃渣体及扰动土体侵蚀速率与中值粒径、分形维数、降雨强度、坡度及径流参数呈幂函数关系。研究结果对矿区弃土弃渣侵蚀模型建立与生态环境建设有重要的科学意义。

分汊河流江心洲洲头冲淤概化模型

分汊河流的江心洲洲头是分汊河段分水分沙和泥沙冲淤的动态区域,其冲淤过程受来水来沙和地形条件变化呈现冲淤交替。通过几何概化洲头的浅滩逆坡和侧向顺坡,考虑逆坡促淤和顺坡分沙作用,建立洲头浅滩的推移质冲淤的概化模型,推导洲头由淤积转向冲刷的临界流量表达式。上游来流量增加,洲头淤积速率先增加到最大值后逐渐减少,直至达到临界流量,再转向冲刷。洲头淤积速率与上游水面纵比降和床沙粒径成正比,与浅滩逆坡、侧向水面比降与顺坡成反比。若其他条件相同,洲头浅滩形状越不对称和上游来沙量越小,越有利于冲刷。模型预测武汉河段天兴洲的临界流量范围与水文观测值较为接近,对其出现超过某个大临界流量仍出现淤积的特殊性,给出的新解释是天兴洲洲头的整治工程使得在大流量条件下洲头抵抗冲刷和阻挡作用促进泥沙淤积。

黄河源区典型弯曲河流的几何形态特征

黄河源区支流白河和黑河位于青藏高原东北部若尔盖盆地的东部,河道蜿蜒曲折,是典型弯曲型河流,研究其弯曲河道的一般形态规律,有利于认识青藏高原弯曲河流的发育条件和形态特征。基于遥感图像、DEM和野外调查,利用ArcGIS提取了白河和黑河的河网,计算了沿程的纵比降,并测算了河道宽度、弯曲度、河谷宽度和牛轭湖数量。白河和黑河的统计河段平均弯曲度分别为1.68和2.46,黑河平均弯曲度大于白河的主要原因是黑河的多年平均流量和河道纵比降均小于白河。白河单位河长的牛轭湖数量沿程由多变少,黑河单位河长的牛轭湖数量沿程趋于均匀,且牛轭湖数量多于白河,说明黑河沿程保持更高的自然裁弯频率。

黄土高原土壤特性及对河道泥沙特性的影响

黄土高原地区是黄河泥沙的主要来源区,黄土的特性也直接影响黄河泥沙的特性。2005年至2012年,共采集表底层黄土样本18个和河道泥沙样本28个,采样区域涵盖了黄土高原北部、中部和南部地区以及黄河中下游干支流河道。样本分析表明,底层黄土自北向南中值粒径逐渐变小、黏土含量逐渐增加,反映了黄土的原始沉积特征。表层黄土反映了风化和侵蚀的综合作用,其黏性矿物含量普遍高于底层原状黄土。在受侵蚀作用较大的地区,由于表层细颗粒的流失,导致中值粒径略大于底层黄土。受黄土分布特性的影响,黄河中游支流自北向南挟带泥沙的中值粒径也呈减小趋势。距离河口越远,黄河干流泥沙的中值粒径越大,反映了泥沙的沿程分选沉积特性。河道泥沙中值粒径和黏性矿物含量之间存在良好的对数关系,可以通过此关系式在测得中值粒径的情况下估算其黏性和非黏性矿物含量。

贵州清水江城景水电站通航水流条件优化试验研究

城景水电站是利用三板溪水库回水的长期消落水头而兴建的水电站,可有效地改善上游河道的航运水流条件。设计船闸布置于泄洪闸中间,枢纽泄洪方式对上下游引航道及口门区水流条件影响大;下游引航道口门区位于弯道凸岸,通航水流条件复杂难以满足通航安全要求。针对以上问题,通过1∶80比尺的整体枢纽模型,研究下游不利通航水流条件的成因。通过降低通航标准、设置导流墩、疏浚凸岸岸线、优化枢纽调度,使引航道及口门区通航水流条件满足通航规范要求,为枢纽通航设计提供了可靠依据。

微弯河段航电枢纽引航道口门区凸岸布置

弯曲河段上航电枢纽通航建筑物通常面临河谷狭窄、河道多弯、弯道过渡段短等问题。广西邕宁水利枢纽位于全国水运主通道之一的西江黄金水道上,设计通航标准为Ⅰ级。该枢纽船闸引航道口门区布置受凸岸以及直线段较短制约,难度较大。针对坝址河段的特点和枢纽设计通航要求,研究了枢纽整体运行水力特性,优化了坝址位置;同时结合曲线进闸、直线出闸引航道尺度优化和隔流堤堤头透水体型优化,使得上下游引航道口门区的水流条件均能满足20 a一遇以下通航流量要求,达到了设计目标,解决了该枢纽的整体通航布置问题。

若尔盖高原泥炭型弯曲河道崩岸过程模拟

崩岸在河床演变和河型转化中发挥重要作用,促使河岸横向移动和河道蜿蜒。2011—2016年黄河源若尔盖高原的弯曲河流野外调查表明,泥炭型弯曲河流的崩岸是河岸上部泥炭层在自重作用下发生的悬臂式崩岸。针对泥炭型河岸的悬臂式崩岸,采用BSTEM模型分析其岸坡稳定性,并模拟河岸侵蚀和崩塌过程。泥炭层的含水率是河岸稳定的关键因子,泥炭层含水率的增加,既增强河岸崩塌的驱动力,也减弱抵抗河岸崩塌的抗剪力,对河岸稳定不利。河岸二元物质组成的厚度对河岸稳定性有较大影响,其泥炭层厚度的增加,可提高河岸稳定性,但是河岸下部粉沙层厚度的增加,则会降低河岸的稳定性。

黄河源区生态景观的无人机观测与无人机技术升级研究

应用国产神龙260电动直升型无人机和数码摄像机,在DJI飞控技术和高空数字影像采集技术的支持下,对青海省贵南县境内的沙漠地貌、四川省唐克县境内的九曲黄河第一湾和青海省泽库县境内的草场分别进行了超低空航空观测,获得了黄河源区沙丘形态、沙草生态交错带、黄河沙洲、草场钙化壳的初步观测结果,为深入研究和解决黄河源区面临的地貌学和生态学问题开辟了新的技术途径。结合无人机在青藏高原的飞行实践,讨论了神龙260型无人机应用于高原对地观测领域的局限并指出了升级方向,为进一步发展高原地区的无人机对地观测技术奠定了工作基础。

黄土高塬沟壑区植物对土质路蓄水减沙及水力参数的影响

采用野外放水冲刷试验,分析黄土高塬沟壑区种植冰草对道路蓄水减沙及水动力参数的影响。研究结果将为黄土高塬沟壑区沟坡防治与区域生态环境治理提供科学依据与途径。结果表明:当坡度为3°,6°和9°时,植物路平均蓄水量较土质路分别增加13.01%,22.45%和24.60%,而输沙量分别减少45.52%,68.34%和74.22%,道路的入渗率随放水历时呈双曲线型变化;输沙模数与放水流量呈显著线性相关,与流速呈二次函数关系;植物路通过降低流速、提高阻力系数达到减沙目的。

河床取料对枢纽通航水流条件的影响

开挖河床料场使河床地形突变,可导致枢纽通航水流条件发生较大变化。基于SMS软件,以NavierStokes方程为数学模型基础,采用加权余量伽辽金有限元求解方法,对澜沧江橄榄坝枢纽工程上下游河床有无取料场的水流流场进行数值模拟,分析取料场对水流流场和枢纽通航水流条件的影响。分析表明,取料场对上下游口门区通航水流条件有一定影响,但对上游影响较小,对下游影响较为明显。具体体现为上游取料场对主流流向、口门区回流范围无大的影响,但稍许降低断面流速;下游取料场改变下游主流方向,使主流偏离引航道口门区,有效降低了口门区斜向水流流速,水流平顺,有利于船舶航行。模拟结果表明,橄榄坝枢纽河床取料对通航有利,为工程设计提供了关键的技术支撑。

海潮影响下低水头水闸消能结构优化研究

低水头水闸下游消能属于低弗劳德数水跃消能,容易发生波状水跃、消能不充分等消能问题,尤其在海潮影响下,水位变幅大,消能问题更加突出。为此,结合晋江滨海新区填海造地工程~#1水闸模型试验,针对原设计一级消力池容易形成波状水跃和消能率低的问题,提出了二级消力池的消能结构,并对消力池池长、池深、尾坎高程和辅助消能措施进行了综合优化。结果表明,优化后的二级消力池消能结构,改善了水流流态,提高了消能率,研究结果可为类似工程借鉴参考。