钱塘江河口盐官段混合式丁坝修建对水沙及河床影响的实测研究

钱塘江北岸古海塘堤脚加固工程中,辅助围堰施工的临时性管袋黏土混合式丁坝对工程的顺利进行、提高施工效率起着至关重要的作用,然而目前对其周围水沙运动的研究较少,且缺乏相关实测资料。考虑混合式丁坝修建的动态过程,利用无人机拍摄水流视频结合LSPIV(粒子图像测速)处理技术对丁坝修建前、中、后期周围的流场进行分析,并对丁坝附近的地形进行跟踪测量,同时对不同潮差的水流含沙量进行现场测定。结果表明,丁坝具有改变水流方向,减少水流对河岸冲刷的作用,且丁坝越长,挑流作用越明显,为围堰施工提供了较为平缓的水流条件;混合式丁坝对坝后处的促淤效果明显,且坝后地形变化与含沙量密切相关,潮差越大,水体含沙量越高,丁坝后河床淤积幅度越大,有利于提高围堰的施工效率。研究成果对之后相关物理模型和数值模拟的研究提供数据支持。

丁坝冲刷坑及下游回流区流场和紊动特性试验研究

通过超声多普勒测速仪NDV对已形成冲刷坑的情况下的丁坝流场和紊动动能进行细致的三维测量,结果表明,冲刷坑的存在使得回流范围比平底情况有所减小,较强的紊动动能主要分布在坝头和冲刷坑内,其中以坝头处水流分离区紊动动能最为强烈,主回流区交界处次之。冲刷坑的存在也使得丁坝后回流区的水流和紊动动能分布有较大调整。

跨河丁坝整治游荡性河道的工程研究

游荡性河道的整治是黄河治理工程的难点之一。黄河宁夏段二期防洪工程在Ω形河段实施截弯取直工程,首次采用丁坝跨越黄河全断面进行截流,为游荡性河道的整治提供了新的经验。本文对丁坝附近水沙特性进行了机理分析,指出防止截流过程加剧河床冲刷是该类型工程需要重点考虑的问题。依据断面水文监测与河床形态观测,及时在受冲刷河床空抛铅丝石笼进行保护,能够起到有效护底、保障截流安全的作用。提出了水文监测及施工区域的水下地形变化测量,及时预测、预判及报告河道来水、凌情情势变化情况;提出了开挖引河进行分流和双向进占截流;成功地实现了黄河合拢截流。为周边三十多万亩农田、二十多万群众的生命财产安全筑起了一道安全屏障。同时给黄河河道整治提供了理论依据,为河道治理措施的采用以及方案设计提供帮助、积累经验。

丁坝绕流机理及其下游流场的研究

本文分析了丁坝绕流机理,建立了二维流动模式.前人的研究及作者的试验资料均表明,丁坝下游流速分布呈自相似性.根据相似原理,Reynolds方程可转化为常微分方程,求解常微分方程得到二维湍流时均流场的相似解.宽浅明槽中的试验表明,该相似解所得结果与实测值比较吻合.此外,本文还对紊动粘性系数沿水流方向的变化作了简要探讨.

长江口深水航道减淤工程实施效果评价

为降低长江口深水航道常态回淤量,分先期工程和完善工程两阶段实施长江口深水航道减淤工程南坝田挡沙堤加高工程。利用北槽深水航道减淤工程实施前后的实测数据,综合分析了工程实施前后水沙通量、含沙量、流场、周边河势、航道减淤等方面的变化情况。结果表明:1)先期工程实施后,南导堤涨潮越堤水沙显著减少,北槽含沙量明显降低,航道南侧横向水沙输移得到有效抑制,工程实际减少常态回淤量约17.4%;2)完善工程实施后,南导堤涨潮越堤水沙基本阻断,北槽中下段含沙量也有所减小,北槽潮流方向更加归顺,常态回淤量降幅约5.6%;3)工程达到了预期的航道减淤目标,工程治理方案合理,航道减淤效果符合预期。

涌潮作用下桩式丁坝横向动力特性现场试验及数值分析

结合在钱塘江盐官河段对涌潮作用下桩式丁坝动力特性进行的现场测试,首次将有限差分法应用于求解桩式丁坝框架结构受涌潮瞬态荷载作用时的动力响应。其桩周土模型采用Winkler假定,应用有限差分法将桩式丁坝框架结构的各梁柱单元离散后联立起来,从而求得整个结构的动力响应。通过参数研究揭示了结构的形式、结构的刚度、土的剪切波速(即反映桩土相对刚度)对桩式丁坝框架结构横向振动的影响。通过与现场测试结果比较可知,理论计算值与实测值基本吻合,验证了该方法的精度和稳定性。该方法计算过程简单,克服了传统的静力法不能考虑结构的惯性力以及土的粘滞阻尼和动刚度的缺点,对工程实际具有一定的指导意义。

开敞式叉筒网壳风场数值模拟与受力分析

针对国家现行《建筑结构荷载规范》缺乏复杂形体结构净风压体型系数的相关规范的问题,应用标准kε紊流封闭模型,采用数值风洞技术对开敞式叉筒网壳在多角度风场作用下结构表面的风压分布进行了数值模拟,获得了该类网壳的净风压体型系数.研究表明采用数值风洞技术对复杂形体结构的流场进行计算机数值模拟的方法是可行的,这为风压分布及大小取值提供了一种非实验性的、低成本的取值方法.力学分析结果表明,风对开敞式叉筒网壳的最大负压主要集中在脊线附近的边缘部位,脊线附近边缘以及谷线交叉拱是结构设计的重点.

河口航道双丁坝影响下异重流运动特性

在河口地区,由密度梯度驱动而产生的异重流是影响航道内泥沙输移的重要因素之一。作为航道整治中常见的建筑物,丁坝群可以缓解航道的泥沙淤积问题、提高通航能力。为探究双丁坝对异重流运动特性的影响,运用粒子图像测速系统(PIV)开展了开闸式异重流实验,研究了在不同束窄系数情况下,航道异重流稳定阶段内的流场及湍流特性,并对比分析了异重流在两个丁坝位置特征断面处的单宽流量及总流量。结果表明,双丁坝改变了航道内的流场,异重流在经过束窄断面后会向第二个丁坝后部区域横向扩散,进而使得流速加大、高度降低;异重流在两个丁坝束窄断面的单宽流量近似相同,且与束窄系数无关;异重流在束窄断面的总流量与断面宽度成正比,在实际工程中可以通过适当调整丁坝长度来控制侵入航道的异重流总量。

长江口深水航道工程南导堤越堤水沙运动观测研究

通过现场观测对长江口深水航道工程南导堤越堤水沙运动规律进行深入研究。结果表明：1）存在越过南导堤指向北槽的净输沙运动,观测期间,堤顶单宽涨潮通量与单宽落潮通量之比约为10∶1,堤顶单宽涨潮输沙通量与单宽落潮输沙通量之比约为25∶1;2）经初步估算,观测期间越过S4~S5段南导堤输向北槽方向的泥沙总量约为156.5×104t;3）越堤水流携带的泥沙绝大部分可以通过坝田进入北槽。

长江口北槽南导堤两侧高滩变化及影响分析

依据实测资料及对相关研究成果的梳理,开展了长江口北槽南导堤两侧高滩演变特征、动力原因及对深水航道影响分析研究,表明:1)南导堤两侧高滩高程年际变化趋势为洪冲枯淤;2)与枯季相比,洪季九段沙滩面与坝田滩面泥沙存在较为明显的粗化现象:3)洪、枯季从九段沙到坝田,滩面泥沙空间上均存在逐渐粗化现象;4)南导堤两侧高滩起动的泥沙主要朝北槽方向输移且进入北槽,具备成为北槽深水航道回淤沙源的条件;5)对于北槽,南导堤两侧高滩犹如一个仓库,枯季蓄存泥沙,洪季释放泥沙;6)南导堤两侧滩面变化是受波浪、水流两种动力综合作用驱动的,其中波浪动力是引起高滩冲刷的主要原因。

长江口12.5米深水航道南坝田挡沙堤加高工程总平面方案研究

长江口12.5米深水航道2010年贯通后,发挥了巨大社会经济效益,同时航道回淤量大、维护压力大、维护费用高的问题突出。本研究基于北槽四边界水沙通量观测成果,分析提出了北槽航道回淤泥沙来源;针对回淤原因,在已建减淤工程经验总结的基础上,提出了本次减淤的研究思路,优化了减淤工程方案的比选指标体系;采用三维潮流泥沙数模、清水动床物模、经济技术综合分析等手段,通过“加高范围”、“加高高程”及“加高位置”比选,研究推荐了减淤工程方案。利用实测回淤量分析了工程减淤效果。研究结果表明,南导堤越沙是洪季北槽的重要泥沙来源,对北槽高浓度含沙量场有一定贡献。提出了可通过加高北槽南侧的导堤,实现减少通过南导堤越堤进入北槽的泥沙量,从而减小北槽含沙量水平,同时改善北槽下段流态,降低水沙横向输移,进而降低航道回淤的减淤思路。研究推荐的长江口12.5米深水航道减淤工程为南坝田挡沙堤加高工程及先期工程方案。先期工程位于S4~S9丁坝坝田,在现有南坝田挡沙堤的基础上加高S4~S8区段,并延长至S9丁坝,工程全长约23.8 km,高程+3.5 m。工程于2015年11月开工建设,2016年7月主体工程完工,工程减淤效果显著,2016—2018年年均减淤量约954×10^5 m^3/a,近三年已节省航道维护疏浚费用约5亿元。

复杂形体大跨叉筒网壳结构的风场风载模拟

风荷载是大跨度网壳结构设计的控制荷载。但网壳结构造型日趋复杂,致使结构表面的风压和风载体形系数的确定愈加困难。本文针对典型的复杂体型多向叉筒网壳结构,采用数值风洞技术研究结构表面的风压分布和风载体型系数,分析交叉柱筒的数量、交叉柱筒曲率、矢高比、下部开敞或封闭等不同工况对风压分布和风载体型系数的影响。根据节点风载体型系数划分子区域,利用加权平均法计算各子区域的平均风载体型系数,进而为大跨度复杂体型网壳结构的抗风设计提供依据。

黄河禹潼河段控导拐头坝长度比选研究

禹潼河段是黄河进入下游前最后一段宽河道段,自然滞洪沉沙作用明显。为协调河道防洪、生态环境保护、滞洪沉沙、护滩护站、控导河势等治理任务及目标,新一期河段防洪治理工程中,新建续建控导工程采用了新型控导拐头坝方案,在控导工程上首布置拐头坝,可调整坝后水流流场,预防回淤口进水导致水流抄工程后路。通过构建控导拐头坝三维模型,采用数值模拟分析、比选、论证并确定拐头坝长度,结果表明:工程长度1000 m布置500 m回淤口方案最优,拐头坝长度采用200 m。