金沙江堰塞湖溃决后淤积河段疏浚措施实验研究

2018年金沙江上游因强降雨发生大型山体滑坡形成堰塞湖,堰塞湖溃决后大量泥沙随溃坝洪水向下游输移,导致下游河道形态及水流特性突变。某规划电站尾水河段受该事件影响,床面淤积6~10 m。为保障该电站如期正常建设,针对尾水河段上下游3 km河道,开展动床物理模型试验研究,探索尾水河段设计水位恢复方案。河道演变分析表明,堰塞湖溃决后的第1年,工程河段河床单向显著冲刷;至2022年汛前,河道整体表现为上冲下淤,尤其弯道下游石滩显著生长发育。通过模型试验预测了工程河段2027年地形,届时河道床而仍较堰塞湖溃决前高1~6 m,需要采取疏浚措施才能保障规划电站尾水口水位降低至设计水位。为有效减小疏浚范围及疏浚量,详细分析了弯道下游新生石滩段的水沙特性及演变趋势,提出了下游先期局部疏浚,通过自然演变调整床面,再开展整体疏浚的整治方案。试验证明,该方案较直接疏浚方案缩短了疏浚长度,可减少约6.88万m3疏浚量。继续针对新方案开展淤积试验,由于上游电站已陆续建成使用,其拦蓄作用大幅减少了研究河段来沙量,在5个典型年的水沙作用下,研究河段床面整体保持相对稳定,仅尾水出口下游左侧呈现一定程度淤积,建议管理单位定期按需要进行必要的局部疏浚维护,以保障电站安全运行。

急弯河段新建船闸上游引航道通航条件研究

在急弯河段已建枢纽上新建船闸工程,船闸布置受限因素众多,通航条件复杂。为分析船闸引航道通航水流条件,建立袁河石洲枢纽1:80正态物理模型,开展急弯河段船闸上游引航道通航水流条件试验,对比隔流堤不同长度口门区的流速分布,同时结合自航船模试验分析船闸口门区通航条件。结果表明,延长隔流堤对减小口门区横向流速峰值、改善流态作用明显;隔流堤延长250 m时,石洲船闸上游引航道最高通航流量可达到规范要求的20 a一遇洪水。

平陆运河牛江河下底河入汇方案研究

支流与干流的交汇区水流流态复杂,而人工开挖运河存在交角大、汇入流量大的特点,对航道通航影响显著,需对支流口实施河道治理工程。针对平陆运河中牛江河、下底河支流汇入运河后入汇河段的干流通航问题,进行入汇河段水流运动特性的研究。基于RNG k-ε紊流模型,采用三维数值模拟方法模拟不同设计工况下支流入汇情况,结果表明原设计方案不满足通航条件。因此,在设计方案基础上提出调整入汇方向、扩大入汇断面的优化措施,显著改善了通航水流条件,达到规范要求。研究成果可为类似工程提供借鉴。

水力式升船机组合阀流量比优化研究

景洪水力式升船机阀门段采用“并列三阀+矩形突扩体”的布置形式,目前组合阀流量分配暂无科学的指导依据。以景洪水力式升船机为依托,建立阀门段三维数值模型,研究组合阀不同流量比下的阀门段流场特性。结果表明,三阀联合运行时,突扩体内流场均匀度最佳;三阀联合运行时,主辅阀流量比为31时,流场内最低压力最高、最大流速最小、紊动较弱,最有利于抑制空化;组合阀合理流量比与流量系数比正相关,景洪工程组合阀较优的主辅阀流量比约为31。

考虑阻力作用的碎石土滑坡涌浪数值模拟方法研究

滑坡涌浪是库区水灾害的风险来源之一,开展涌浪预测研究对提升航道安全,减小近岸洪水风险具有重要的工程应用价值,但滑坡体入水形成涌浪的动力过程十分复杂,目前对其进行准确模拟仍是棘手的问题。基于等效流体假设,将非均质的碎石土滑坡视为连续的特殊流体,通过自定义函数编写滑坡体沿滑动面运动的摩擦阻力程序,利用Realizable k-ε湍流模型与VOF法建立了碎石土滑坡涌浪数值模拟模型。研究结果表明:该方法可较好地模拟碎石土滑坡体水下运动与堆积形态,且获得的涌浪波幅精度较高;阻力模型中摩擦系数与内摩擦系数同滑坡体的变形速率分别成反比关系,而湍流阻力系数增大仅能减缓滑坡后缘的变形速率。研究成果可为定量评估碎石土滑坡涌浪灾害风险、制定库区涌浪灾害紧急避险预案提供参考。

阀后管道突扩对控制阀门流阻特性的影响

为准确地描述非均匀流条件下控制阀门阀后采用突扩管道后的流阻特性,针对典型控制阀门(活塞式调流阀与固定式锥形阀),采用物理模型试验与理论分析方法,基于阀后突扩管道内的流场结构及试验段压力特性,研究阀后管道突扩对典型控流调压阀门流阻特性的影响规律。结果表明,不同阀型采用相同突扩体时的流阻特性变化程度不同,阀型的影响主要体现在改变了突扩体的入流、出流条件。在规范公式的基础上,考虑阀门出流流场结构(突扩体入流条件)与水流缩脉(突扩体出流条件)的影响,分析得到管道突扩比与阀门流量系数的定量关系,规范计算值与试验值的最大差异约为8%,优化公式计算值与试验值最大差异约为1%,说明改进后的突扩体流阻系数公式的计算精度较规范公式有所提高。研究结果可为高压差、大流量调流调压系统管路设计提供参考。

基于格子玻尔兹曼方法的附壁型空化泡演化模拟

依托热流耦合格子玻尔兹曼方法,探究了壁面润湿性与液相黏滞系数对附壁型空化泡演化的影响,并基于双粒子分布函数的热流耦合伪势LBM空化模型对接触点开展了受力分析。结果表明:对于润湿性壁面,演化过程中动态接触角持续大于平衡态接触角,导致其产生的非平衡杨氏力在空化泡生长期间产生迟滞效应,而在溃灭期间则加速了接触点的坍缩;对于非润湿性界面,非平衡杨氏力引发的迟滞效应在溃灭初期减缓了空化泡接触点的坍缩,而在最终溃灭阶段由于界面的剧烈形变,非平衡杨氏力加速了接触点坍缩;溃灭时刻微射流体积与平衡态接触角的余弦函数之间存在指数关系;黏滞系数增大会减小微射流体积,同时延长空化泡演化时间。

平陆运河老村河支流入汇段通航水流条件优化

支流入汇会导致主流局部出现横向流速及明显的水位波动,进而对运河安全通航产生不利影响。天然条件下,老村河汇入口的局部区域横向流速超过相关通航标准的要求,严重影响航道航行安全,因此需要对超标河段进行优化整治。针对汛期泄洪支流对运河通航水流条件的影响,采用重整化群(RNG)k-ε紊流模型开展三维精细数值模拟,对不同洪水流量组合下汇流区的通航条件进行研究。结果表明,原设计方案扩宽流速超标河段后,虽然能有效改善汇流区水流条件,但部分区域横向流速仍然超标。优化方案同时采用下移衔接段、设置导水挡墙和扩宽河道等措施,采用优化方案后,汇流区整体通航条件效果良好,水流、水位条件均能满足船舶安全通航要求。

深水库区急弯段航道通航能力提升方案

随着三峡和葛洲坝枢纽通航能力的提升,两坝间航道仍是制约长江干线航运发展的瓶颈,其中石牌弯段则是主要碍航段之一。针对石牌弯段采用原型观测和三维数值模拟方法,分别开展隧洞引流和通航隧洞方案的研究。结果表明,深水库区弯曲航道因分流隧洞进出口水面比降小、流速低,分流量极其有限,无法达到预期分流效果和改善急弯段通航条件的目的;采用隧洞通航方式,水力指标基本满足规范要求,可有效提升通航效率。研究成果可为深水库区急弯航道通航能力的提升提供理论支撑和技术参考。

向家坝日调节对中嘴码头运行的影响

为分析向家坝水电站日调节运行对下游中嘴码头通航水流条件的影响,建立1:100正态物理模型,对向家坝水电站典型日调节工况进行模拟,分析日调节非恒定流引起的中嘴码头水域流速、水位和比降等通航水力要素的变化过程,同时结合流场分布资料和自航船模试验,研究日调节对船舶航行以及进出港靠泊的影响。结果表明,电站按照拟定的水位变幅进行日调节时,码头河段水位变幅未超过电站运行调度规程允许值,水流条件满足船舶航行要求,船舶可以正常进出港靠泊作业,对码头运行影响较小。研究成果可为电站日调节调度运行提供参考。

基于格子玻尔兹曼方法的近壁区空化泡生长溃灭过程模拟

基于格子玻尔兹曼热流耦合模型,兼顾温度场与流场的相互影响,对近壁区空化泡的生长和溃灭过程开展了系统研究,分析了泡壁无量纲距离和初始输入温度对空化泡演化过程和溃灭强度的影响,并对比了被动标量模型与热流耦合模型的差异。结果表明:空化泡受壁面限制,生长过程中无法保持圆形,其最大半径与泡壁无量纲距离之间存在幂函数关系,当泡壁无量纲距离大于1.6时,则为线性关系;空化泡最大半径与输入能量为线性关系,与初始输入无量纲温度之间存在幂函数关系;热流耦合模型考虑了高温对表面张力的影响,与被动标量模型模拟结果相比,其溃灭阶段获得的射流体积更大,微射流更集中,但溃灭强度更小。

茅坪河入汇平陆运河汇流方案优化

天然条件下平陆运河支流茅坪河入汇对运河通航条件有明显影响,汇流区域存在严重的横流、回流等不利水力现象,影响通航。针对茅坪河入汇平陆运河汇流区域的通航条件问题,采用三维数值模拟对不同流量组合下汇流区域的通航水流条件进行研究。结合设计整治方案在通航条件方面存在的不足,在调顺支流来水、拓宽汇流断面两个方面进行优化。结果表明,优化后的整治方案效果良好,改善了运河通航条件,横向流速、回流流速等水力指标均能达到相应标准的要求。

徐家坝乌江特大桥通航净宽计算方法研究

横向流速对于大桥通航净宽尺度的计算确定有一定的影响,当最大横向流速小于0.8 m/s时,可根据相关规范进行计算论证。但当最大横向流速大于0.8 m/s时,并无相关方法进行计算论证大桥通航净宽。因此,为了确定大桥通航净宽在横向流速大于0.8 m/s下的计算方法,以徐家坝乌江特大桥为例,通过建立工程河段平面二维水流数学模型,对桥区工程河段建桥前后的水流运动特性进行了模拟,分析了桥区河段建桥前后的流场变化情况。从通航水域宽度的角度,对徐家坝乌江特大桥通航净宽尺度进行了计算分析论证。结果表明:当桥区最大横向流速大于0.8 m/s时,徐家坝乌江特大桥一跨跨过通航水域,通航净宽尺度大小符合要求,对通航条件影响较小。此研究对山区河流桥梁通航净宽计算论证具有借鉴意义。

大型通航隧洞建设发展现状分析与拖曳通航演进趋势

通航隧洞作为打通山区航道关键卡口及实现通航建筑物间有效衔接的通航方式,成为了乌江等多条高等级航道枢纽提档扩能的首选方案。笔者调研了大型通航隧洞的行业需求与发展现状,分析了自航式通航隧洞面临的断面尺度要求高、施工开挖难度大、船舶通航安全不可控等技术瓶颈;针对自航式通航隧洞技术瓶颈,总结了顶部拖曳式、岸侧拖曳式等拖曳式通航隧洞方案,对比分析了各种方案在隧洞断面尺度、安全风险、通航效率、环境友好等方面的适用特点,针对拖曳式通航隧洞内船水复杂流固耦合作用分析,提出了亟待解决的4个层面的关键技术难题;展望了通航隧洞将船舶“自航方式”向“非自航拖曳方式”转变带来的4个“标准化”要求;最后,通过1:40的拖曳通航隧洞物理模型试验得出:在隧洞宽度30 m,不同水深条件下,船舶拖曳航行总阻力随弗劳德数增大而增大,相同拖曳速度下,船舶拖曳航行总阻力随水深的增加而减小。为通航隧洞在乌江航道扩能提供了些许思路。

基于数据融合的中国东部降水氢稳定同位素数据集

降水氢稳定同位素在气候和水文研究中是一种有效的环境示踪剂.然而,中国目前仍然缺乏高精度的降水氢同位素数据.本研究使用基于卷积神经网络(CNN)的数据融合方法,将观测和引入同位素的大气环流模式(iGCM)模拟的氢同位素组成进行融合,建立了中国东部地区1969~2017年降水氢同位素数据集.该数据集的时间分辨率为逐月,空间分辨率为50~60km.在构建数据集之前,比较了三种数据融合方法和两种偏差校正方法的性能.结果表明,基于CNN的融合方法表现最好(与观测数据的相关系数大于0.90,均方根误差小于10.5‰),误差反向传播神经网络和长短期记忆人工神经网络的表现相近,且优于偏差校正方法.因此,使用CNN方法建立数据集并基于此分析了中国东部降水氢同位素的时空分布特征.数据集的降水氢同位素分布与观测数据分布相似,在空间上与北方地区的温度效应和南方地区的降水量效应一致,时间序列变化趋势与降水和气温的观测变化趋势一致.综上所述,构建的数据集能较好地再现观测数据,且具有时间连续和空间相对规则的特点,能为追踪大气和水文过程提供有效的数据支撑.