Local Scour and the Laws of Scour Pit's Shape Downstream of Debris Flow Sabo Dam

The erosion shape and the law of development of debris flow sabo dam downstream is a weak part in the study on debris flow erosion. The shape and development of scour pit have an important effect on the stability and safety of debris flow sabo dam, which determines the foundational depth of the dam and the design of protective measures downstream. Study on the scouring law of sabo dam downstream can evaluate the erosion range and reasonably arrange auxiliary protective engineering. Therefore, a series of flume experiments are carried out including different debris flow characteristics （density is varying from 1.5 t/m3 to 2.1 t/m~） and different gully longitudinal slopes. The result shows that the scour pit appears as an oval shape in a plane and deep in the middle while superficial at the ends in the longitudinal section, the position of the maximum depth point moves towards downstream with an increase of flume slope angle. The maximum depth of scour pit is mainly affected by the longitudinal slope of gully, density of debris flow, and the characteristics of gully composition （particle size and the viscosity of soil）. The result also indicates that the viscosity of soil will weaken the erosion extent. The interior slopes of scour pit are different between the upstream and the downstream, and the downstream slope is smaller than the upper one. For the viscous and non-viscous sands with the same distribution of gradation, the interior slope of non- viscous sand is smaller than the viscous sand.According to tbe regression analysis on the experimental data, the quantitative relationship between the interior slope of scour pit, slope of repose under water and the longitudinal slope of gully is established and it can be used to calculate the interior slope of scour pit. The results can provide the basis for the parameter design of the debris flow control engineering foundation.

三峡大坝泄水建筑物水力学原型观测与分析

三峡大坝泄水建筑物具有下泄流量大(102 500 m3/s)、泄洪落差大(97.3 m)、孔口数量多(22个表孔和23个深孔)、运行水头高(90 m)、库水位变幅大(135~180 m)等特点,其泄洪运行备受关注。采用现场原型观测手段,2003年以来历时十余年,系统观测了深孔135 m、156 m、172 m和表孔162 m、172 m特征库水位泄洪消能水动力特性,重点考察了水流流态、动水压强、水流流速、水流空化噪声、通气风速、水流掺气浓度、坝下冲刷等参数,获得了宝贵的原型系列观测数据,并与模型试验成果对比分析补充完善。观测显示,泄水建筑物过流面虽有初生空化信号但未见空蚀和泥沙磨损破坏,坝下消能区冲坑最深点高程20.8 m,折算其上游坡比1∶6,表明三峡大坝泄水建筑物布置总体是成功的。

多波束测深在漾头水电站下游冲坑测量中的应用

水电站经过长期运营,在水力因素和河床地质的综合作用下,大坝下游很容易形成冲坑,传统的坝后冲坑范围界定常采用人工巡查和逐点测量的方式,分辨率和测深精度较低。利用多波束测深技术进行全覆盖测量,对水下高精度点云数据进行三维建模,可以全面客观地反映冲坑现状。以漾头水电站消力戽下游冲坑测量为例,利用Kongsberg EM2040C(双探头)多波束测深系统和水下机器人,得到了冲坑水下三维地形图和视频资料,并与消能戽下游冲刷坑深度经验公式计算结果进行对比,为该电站冲坑的稳定性评价和发展演化提供了可靠的数据资料。应用成果对类似坝后冲坑的现状测量和加固修复具有一定的借鉴意义。

泥石流坝后侵蚀坑内部边坡规律实验研究

侵蚀坑内部边坡的大小决定着侵蚀坑的形态和发展,研究侵蚀坑内部边坡的变化规律可为合理估算冲刷范围提供依据。通过室内水槽实验观测,侵蚀坑纵剖面坑内坡度总体表现为上游坡较下游坡陡,并且随着水槽原始坡度以及沟床组成物质的变化而变化。对于具有相同级配的粘性砂和无粘性砂,粘性砂的侵蚀坑坑内坡度较无粘性砂的要陡。定义侵蚀坑上下游出口与其最深点连线的倾角为侵蚀坑坑内上下游坡度,通过对实验数据进行回归分析,建立了侵蚀坑坑内坡度与泥沙的水下休止角以及沟床原始纵坡之间的定量关系。

三峡水利枢纽泄洪调度运行水力学试验研究

三峡水利枢纽泄洪运行具有水头高、洪水流量大、泄洪设施多等特点。如何对泄洪设施进行合理调度运用,确保枢纽建筑物及下游设施安全,是三峡工程枢纽运行重要研究课题。通过水工模型研究了三峡枢纽泄洪调度方案,提出了对深孔、表孔泄洪调度优化方案,即各孔按均匀、间隔、对称的原则开启闸门。试验结果表明:泄洪坝段下游主流流速分布更趋均匀;防冲墙边冲刷大有改善,冲刷最低高程高于该处30 m建基面高程。优化方案达到了预期的目的。

三峡水库蓄水后宜昌枯水位的时变特征及成因

三峡水库蓄水后,葛洲坝枢纽下游近坝河段内枝城枯水位降幅较小,但宜昌及宜都等位置枯水位降幅较大,且随时间变化显示出非均匀下降的特征。为揭示该现象成因,依据宜昌至枝城河段内枯水位、地形、河床组成等实测资料分析了各因素的时变特征,并采用分离变量法计算分析了枯水位非均匀下降的机理。结果表明:宜昌枯水位在2008年前降幅小且下降速度慢,2008年以后降幅增大且下降速度加快;宜都至枝城区间冲刷是引起宜昌枯水位下降的主导因素,宜都以上河床变形、枝城水位下降为次要因素;宜都以上河床粗化引起阻力调整,是导致2008年前宜昌枯水位降幅小的主要原因;2012年后,宜昌至枝城段河床变形和阻力调整余地都已不大,未来宜昌枯水位稳定性主要取决于枝城水位变幅。

周宁抽水蓄能电站下水库挑流消能方案研究

周宁抽水蓄能电站下水库大坝下游河道具有河道狭窄、边坡高陡、天然水深浅的特点,消能建筑物布置条件比较差,且大坝紧靠已建的龙溪二级电站地面厂房,泄洪对其存在不利影响。可行性研究阶段,为研究挑流消能方案的可行性,采用水工模型试验对设计方案进行优化,并对外部影响进行试验分析。通过采取底孔扭曲鼻坎、表孔俯角、下游二道坝+预挖冲坑等多种工程措施成功解决了上述技术难题。试验成果表明,挑流消能造成的下游冲刷、雾化等影响均在合理范围之内,满足本工程要求。

汉江兴隆水利枢纽下游近坝段水位下降成因及防治对策

汉江兴隆水利枢纽2013年运用以来,坝下游近坝段中、枯水期水位较建坝前发生了不同程度的下降,到2018年枯水位最大下降1.67 m,造成船闸闸槛水深不足,影响船舶顺利过闸。基于对该河段实测水文、地质、河床地形资料分析,对坝下游近坝段水位下降的原因和防治措施进行了研究。结果表明:枢纽的清水下泄和河床床沙易被冲动,使河床平滩河槽冲刷下切和展宽,是造成坝下游中、枯水期水位下降的主要原因。为此,提出了对坝下游近坝段平滩河槽进行护底、修筑潜坝等工程措施来防治河床冲刷并适当抬升河道枯水位,同时建议尽快修建引江补汉工程增加汉江中下游枯水期来水流量,从根本上解决船舶过闸问题和坝下游河道中、枯水期水位下降带来的不利影响。

中小型拱坝表孔大流量泄洪消能建筑物体形研究

依据圆满贯工程水工水力学模型试验资料,对中小型拱坝表孔大流量泄洪建筑物体形问题进行研究,提出了一种复合消能工体形与设计思路,即采用宽尾墩窄缝纵向水舌与连续鼻坎横向扩散的综合形式,可使水舌在纵向与横向实现全范围的扩散,充分利用消能空间与水体,既适应了不同流量洪水泄洪的要求,又使消能率得到大幅度提高,大流量泄洪冲坑深度可减小28%。

三峡工程泄洪坝段下游动床冲刷形态演变过程研究

为验证模型试验坝下动床冲刷坑形态与原型之间的差异,探讨下游冲刷演变过程,用散粒料模拟冲刷岩基,选取3组典型工况复演三峡枢纽蓄水以来泄洪坝段下游冲刷情况。研究表明不同阶段的典型试验工况与相对应条件的原型实测地形整体形态基本相似,说明冲坑形态演变与岩基地质特性有关。

泥石流拦砂坝下游局部冲刷研究现状及展望

下游局部冲刷是影响泄水建筑物、泥石流拦砂坝安全运行的共同危害形式之一.对泄水建筑物与泥石流拦砂坝下游局部冲刷的准确认识,是防治下游局部冲刷的依据.以泄水建筑物与拦砂坝下游局部冲刷为研究对象,对下游局部冲刷坑深度计算、冲刷动力来源—水舌和泥舌的研究现状进行阐述与分析.总结得出:对泄水建筑物下游局部冲刷坑深度的计算已有较多计算公式及预测模型,关于其冲刷动力来源—水舌的水力特性也有较全面研究;拦砂坝下游局部冲刷的研究大多借鉴水利工程上的研究成果,然而泥石流属于非牛顿流体、不同于水流,并不能将泄水建筑物下游局部冲刷的研究成果简单应用于泥石流中。此外,对拦砂坝下游局部冲刷的动力来源—泥舌的水力特性认识不够充分.鉴于拦砂坝下游局部冲刷研究中存在的不足,探讨了未来可开展的工作:①基于物质组成和流速分布的泥舌水力特性研究;②基于动力演变过程的泥舌冲击力特征研究;③基于泥石流动力学过程的拦砂坝下游冲刷坑参数计算方法研究.

信江八字嘴枢纽坝下冲刷计算研究

针对枢纽下游河床冲刷这一水利航运界普遍关注的工程问题,为确保信江八字嘴航电枢纽工程的安全及下游通航条件,基于信江水文基本特性、河床演变特性分析,建立平面二维水沙数学模型,对八字嘴枢纽建成运行后可能引起的坝下冲刷进行了计算研究。结果表明:工程河段地处鄱阳湖影响范围,天然情况下洲滩小幅淤长,河道演变较为稳定,但近年来部分区域频繁的采砂活动造成局部河床显著下切,需要引起高度重视;经过10个水文年冲淤调整后,西大河坝下5 km范围内因大规模采砂作用河床深凹、水深较大,故冲刷幅度相对不大;坝下5～10 km范围冲刷较为明显,冲刷部位主要在河槽,平均冲刷深度约为0. 29～0. 93 m,边滩部分变化很小;东大河由于下游双港枢纽的抬水作用,坝下冲刷幅度整体较小。总体来看,八字嘴枢纽坝下河床冲淤变化的幅度随时间逐渐减小,河道河势基本保持稳定。

乌牛新闸下游冲刷模型试验及经验公式适用性

针对乌牛新闸闸下冲刷问题,建立水闸物理模型并观测闸下冲刷坑的形成及发展过程,研究冲刷坑位置及深度随时间的变化规律,并将试验成果与两种常用的冲刷公式计算结果进行对比分析,探索了冲刷公式在平原地区淤泥土质中的适用性。结果表明:当下游潮位较低时,过闸水流在防冲槽末端形成跌流,水流翻滚剧烈,对下游河道冲刷明显;随着汇合口河道地形的长期冲刷,汇合口附近的水跃逐渐消失;随着时间加长,冲刷坑位置整体有所下移,冲刷深度从快速增大逐渐趋于稳定;在平原地区淤泥土质中,毛昶熙公式计算的闸下最大冲刷深度与试验成果较为一致,具有较好的适用性。

泥石流泥舌水力特性的沿程变化实验研究

泥石流过坝泥舌的水力特性与拦砂坝下游冲刷坑的最终深度、长度和宽度等形态特征密切相关,准确认识泥舌下泄沿程上的水力特性对研究坝下游冲刷过程十分重要。通过进行6组泥石流容重条件、6组沟床纵坡条件泥舌下泄室内水槽实验,重点研究了泥舌在下泄沿程的运动轨迹、纵向厚度变化特征、横向宽度变化特征和下游入射角变化特征的水力特性,建立了泥舌水力特性与射距的关系,并通过分析泥舌水力特性与射距的相关关系得到泥石流容重、沟床纵坡对泥舌水力特性的影响。研究结果表明:(1)泥舌下泄运动类似于抛物体运动,在相同实验条件下,高容重泥石流和低沟床纵坡条件下对应的泥舌下泄运动轨迹曲线变化程度较大,低容重泥石流和高沟床纵坡条件下的泥舌下泄运动轨迹曲线变化程度较小;(2)泥舌纵向厚度随着射距的增大而增大,纵向厚度变化率与射距增大而增大并呈线性正相关性,二者线性斜率随着泥石流容重的增大先增大后减小、随着沟床纵坡的增大而减小;(3)泥舌横向宽度随着射距的增大而减小,横向宽度变化率随着射距的增大而减小并呈线性负相关性,二者线性斜率随着泥石流容重的增大而减小、随着沟床纵坡的增大先减小后增大;(4)泥舌下游入射角随着射距的增大而增大,下游入射角变化率随射距的增大而增大呈线性正相关,二者线性斜率随着泥石流容重的增大而增大、随着沟床纵坡的增大而减小。本研究着眼于泥舌下泄运动现象问题,研究了不同泥石流容重、沟床纵坡实验条件下泥舌在下泄沿程上的水力特性,以期准确认识泥舌水力特性,为研究坝下游防治冲刷提供参考。

圆满贯水电站拱坝泄洪消能问题的试验研究

利用水工水力学模型试验研究方法对圆满贯工程泄洪消能问题进行研究分析同时,为百米级拱坝在五表孔布置方面,提供了一种全新的泄洪消能工体型与设计思路,即采用宽尾墩窄缝纵向水舌与连续鼻坎横向扩散的布置形式,可以使水舌在纵向与横向实现全范围的扩散,消能率提高,适应不同运行方式需要的同时,缩短了RCC拱坝施工工期,节约了工程总投资。

预应力锚索在水利大坝下游冲坑边坡防护工程中的应用

结合了国外工程(巴基斯坦高摩赞水利大坝边坡防护工程)实例,详细介绍了预应力锚索技术在水利大坝下游防护工程的应用,有效提高了边坡的稳定性.

丹江口大坝二期规模运用后坝下冲刷坑变化分析

2017年汉江发生秋汛,丹江口大坝开闸泄洪达33 d,对坝下冲刷坑影响较大的主要是深孔泄洪。深孔射流的水量、挑距和抛射高度受坝上水位所控制,坝上水位越高,深孔下泄流量越大,水舌抛射越高,射流挑距也越远,而射流入水的倾角却越小。丹江口大坝加高后,正常蓄水位由157 m提高至170 m,深孔泄流对坝下游冲刷距离及强度都较加高之前增强。本文主要依据丹江口水利枢纽坝区下游冲刷坑2017年地形及相关水文观测资料,对冲刷坑进行分析。结果表明,冲刷坑随着水力条件的改变而产生新的变化。

闸坝下游局部冲刷计算方法的对比分析

闸坝下游的局部冲刷是威胁水电站安全的主要因素之一。本文首先将现有的冲刷公式分7类进行归纳总结,根据各家公式的理论依据、分析方法、经验数据来源不同,对各家公式进行了量纲和谐分析和各自的适用情况分析;其次,推导出了一种基于剪切应力下闸坝下游局部冲刷深度的计算公式。为了验证该公式的适用性,选取了其他工程的冲刷资料进行验证。结果表明,计算公式的计算值与实测值吻合较好。