移动式水力清淤装置原型试验研究

经济高效的泥沙清淤一直是泥沙工作者追求的目标之一。前期室内试验表明近期提出的一种移动式水力清淤装置具有经济高效的清淤能力和较好的应用前景。为进一步检验其现场应用效果,本文在室内试验的基础上,进一步将该装置在陕西渭南东雷抽黄工程东雷一级站内的8#前池和进水闸外的黄河边滩进行了原型试验。结果表明:装置在两个试验点抽沙时水体均可维持较高的含沙量(平均含沙量分别可达560 kg/m^(3)和330 kg/m^(3),高于室内试验及传统吸排沙装置的结果),展示出优越的现场清淤效果。针对试验站点现存的泥沙淤积问题,提出了工程布置的优化建议,建议将前池的上中段改建为沉沙池并采用本装置实时抽沙,不仅可减少泥沙淤积继而保持泵站长期稳定运行,抽出的泥沙还可作为建筑用沙使用,兼具工程应用和泥沙资源利用的效益。

明渠含沙水流流量测量精度分析——以超声时差法测流为例

水流中泥沙的存在对流量测量精度的影响一直是水力学的重要问题。本文以超声时差法测流方法为例,在室内明渠水槽中开展了不同含沙量(最大含沙量27 kg·m^(-3),宁夏引黄灌区天然沙,中值粒径0.015 mm)对流量测量精度的影响测试研究,以电磁流量计及巴歇尔槽测量值为基准,对比了超声时差法在不同含沙量下的流量测量偏差,分析了含沙量对其流量测量精度的影响。结果表明:在含沙条件下,超声时差法的流量测量值总体偏大,且偏差量随含沙量增大呈增大趋势。多声路箱式超声时差流量计受含沙量影响相对较小,在本文泥沙粒径、含沙量范围内平均意义上流量测量偏差在7%;单声路超声时差流量计受含沙量影响较大,在本文测验环境下其在含沙量较高时测量值偏大300%~500%,基本处于失效状态。

基于PIV的明渠紊流压强场测量技术研究

基于粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)的压强场测量技术可实现流动内部瞬时压强的非接触式、高时空分辨率的全场测量。本文采用欧拉法根据时间解析的速度场重构压强梯度场,再采用虚拟边界全向积分法结合边界条件得到压强场,实现了基于PIV的明渠紊流压强场测量技术。为了使用基于PIV的压强场测量技术准确测量明渠紊流压强场,利用时间解析的明渠紊流直接数值模拟数据和PIV速度场对该测量技术的精度、误差来源及主要影响因素进行了分析。基于本文数据,发现该测量技术的测量结果几乎无平均偏差,但均方根误差相对较大,约为25%;通过分析由速度场重构压强梯度场及由压强梯度场积分得到压强场两个阶段的测量误差表明,压强场测量误差主要发生在由速度场重构压强梯度场这一阶段,主要受流场测量参数和边界条件给定方法的影响。进一步分析了上述主要影响因素对压强测量误差的影响规律,发现压强场测量误差随流场采样时间间隔的增加而增大,随流场测点间距的增加先减小后增大;基于本文数据得到在内尺度无量纲测点间距约为7时误差最小,但该测点间距最优值的普适性尚待更多数据支撑;在矩形测量区域边界4个角点布置压强边界点时,压强场测量误差会显著降低。将该压强场测量技术初步应用于明渠均匀紊流,发现时均压强测量结果较为准确,压强紊动强度测量结果误差相对较大,但垂向分布趋势接近。研究结论为明渠紊流压强场的试验测量提供理论依据和实践参考。

长江上游梯级水库群拦沙效果分析

水库发挥重要的拦沙作用,改变水库下游的水沙条件。自2003年三峡工程投入运行后,长江上游水利水电工程建设进入高峰期,未来将建成超大规模的水库群,其拦沙作用将急剧改变三峡工程入库泥沙条件。为此,作者对长江上游水库群(含已建、在建、拟建水库)的拦沙效果进行综合分析,预测了三峡入库泥沙量。水库群涉及的水库共计66座(1995年以前建成的水库不计),计算采用基于Brune拦沙率的分组方法,采用1991—2000年实测水沙序列的均值作为输入。结果表明,在2015—2050年期间,水库群拦沙作用突出,三峡入库沙量降至每年约6 000×104t,仅为1991—2005年均值的15%左右。

天然明渠减速流超大尺度湍流结构特性初步研究

为探究天然明渠减速流中超大尺度湍流结构特性,使用声学多普勒剖面流速仪(ADCP)和声学多普勒流速仪(ADV)对重庆河段开展了单条垂线以及水面区域固定点的三维瞬时流速测量,对紊动强度、超大尺度湍流结构波长以及湍动能占比等进行了分析。初步结果显示:在天然明渠减速流中仍然存在超大尺度湍流结构,其纵向尺度在沿水深方向上表现为先增大后减小的变化趋势;减速流中超大尺度湍流结构能够在水面区域维持自身结构且携带着大部分的湍动能。

移动式水力清淤装置试验研究

经济可行、高效灵活、节能环保的清淤技术对于中小型水库的库容恢复具有重要意义。设计了一套封闭式水力冲沙清淤装置,并在一座2.6 m长、1.1 m宽、1.6 m深的室内水池中开展了清淤排沙效果试验。试验结果表明,该装置可将底部泥沙充分扰动,稳定排出高浓度挟沙水流,池内循环方式试验含沙量可达300~500 kg/m^3;外排吸沙泵排沙方式和虹吸排沙方式的平均含沙量分别为301 kg/m^3和152 kg/m^3。排沙运行时隔离罩外底层含沙量仅为0.613 kg/m^3。试验和分析结果表明,本装置可有效排出底部泥沙,对周围水体干扰较小,在未来中小型水库、沉沙池及其他相关领域具有一定的应用推广价值。

基于GeoStudio的某土石坝整治前后渗流及坝坡稳定分析

针对由于下游排水棱体失效而导致某土石坝坝体浸润线比较高、坝坡安全系数不能满足规范要求的情况,通过削坡和重建排水棱体对其进行整治,再利用GeoStudio2007软件对该土石坝的稳定渗流期进行有限元分析,对比分析整治前后的渗流场和坝坡抗滑稳定性,验证了整治措施对坝体渗流和稳定性的改善作用。

明渠瞬时床面切应力粒子图像测量技术

床面切应力瞬时值的实验测量极为重要但富有挑战。为了利用粒子图像技术准确测量瞬时床面切应力,采用模拟不同图像和流动参数的合成粒子图片对粒子图像测速技术(PIV)、粒子图像示踪技术(PTV)和直线相关PIV技术(LCPIV)的测量精度进行分析,发现各技术在床面附近的测量精度均因床面影响而变差,其中,PIV技术受影响的范围距床面不小于判读窗口高度,PTV及LCPIV技术受影响的范围等于粒子图像半径;在床面影响范围外,PTV技术可实现无偏差测量,并在粒子图像密度较小且粒径适中时拥有高于PIV和LCPIV的精度。比较而言,PTV技术更适于测量瞬时床面切应力。将PTV技术用于雷诺数分别为8 007和11 462的明渠均匀紊流瞬时床面切应力试验测量,进一步验证了该技术无偏差、高精度测量的能力;发现了明渠紊流瞬时床面切应力不符合高斯分布,离散系数约为0.4,偏度系数和峰度系数随雷诺数增大而逐渐变大。研究结论为明渠紊流瞬时床面切应力的实验测量提供理论依据和实践参考。

等阻力树杈型冲沙管道的试验研究

多沙河流上修建的水库必然要面对泥沙淤积问题,合理科学的库容恢复和保持措施对于水库综合效益的正常发挥具有重要意义。排沙廊道是一种一次建设、可持续使用的排沙设施,但传统排沙廊道中各进口为顺序排列,不同部位进口抽沙能力不均,严重影响运行排沙效果。等阻力树杈型冲沙管道是近期提出的一种新型排沙方式,其各级管道采用树杈型布置,多口汇流的旋转流动可消除不同角度水流加速度影响,按每一个进口管至总出口的流动阻力相等为原则设计;在进口管顶部设置倒扣铁锅型防沙罩,防止进口管被落淤的泥沙所阻塞。本文在水槽中开展了树杈型冲沙管道试验,同时开展了相同条件下的进沙口顺序排列的对比试验,结果表明:当进沙口按传统廊道多口顺序排列布置时,位于远端的一半出口将被完全淤堵,难以达到预期的排沙效果;而树杈型冲沙管有效克服了传统廊道不同进沙口抽沙能力不均的缺陷,实现了对所覆盖区域的均匀排沙,正常情况下未发生淤堵;当高含沙水流集中流向某一进口时,会造成该进口淤堵,但由于不同进沙口独立运行,所淤堵进口基本不会对其他进口的正常运行造成影响。本文试验结果表明,等阻力树杈型冲沙管道的稳定排沙浓度可达400~700 kg/m3,远高于顺序排列方式的100 kg/m3;冲刷漏斗体积为多口顺序排列的1.5倍。

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。