岷江都江堰河段交汇区水流运动特性数值模拟

明渠河流交汇常形成复杂的水流结构,从而影响该区域的水沙运动及河床变形。采用实测资料验证的平面2维数学模型,对白沙河支流与岷江干流交汇区的水流运动进行了模拟分析。结果表明:干支来流变化将形成不同的壅水低速区、干支流掺混区、挤压高速区和水流分离区。随着汇流比(支流白沙河流量与岷江干流流量比值)的增大,入汇口干流上游受到支流顶托作用增强,产生的壅水低速区水位偏高;掺混区内,干支来流相互顶冲作用增强,流速降低,挤压高速区内支流对干流的挤压也增强,最高流速出现的位置越靠右岸,高速带越窄。直角入汇的白沙河支流受到干流的挤压作用,入汇后流向发生显著改变,而白沙河的弧形左岸使支流沿岸线流动的同时不断调整流向,降低了支流脱壁流动的可能性,可有效抑制分离区的形成。在支流白沙河流量不变,岷江干流流量改变的情况下,干支流量差越大,干流对支流的顶托作用越强,即干流向支流上游顶冲的距离越长,产生的壅水范围越大。通过揭示白沙河入汇岷江时干支流相互顶托、挤压和掺混的水流运动特征,可为都江堰河段的防洪及河道整治等提供理论依据。     

明渠水流交汇区流动特征试验研究

天然河流中存在着大量的主支交汇河流,在干支流交汇处,水流结构变得十分复杂。通过水槽试验,应用声速多普勒测速仪（ADV）,观测了入汇角为30°时,支流斜接主流入汇型河道的三维水流结构。试验表明：入汇上游受支流顶托影响,产生一定的壅水,出现低速区,而对侧由于束水作用产生高速区。在入汇一侧下游较短的距离,产生回流现象,并形成分离区,而在下游一定范围内,靠支流入汇侧出现水流高速区,并形成二次流结构。交汇区水流流动主要有水流分离区、高流速带、低流速带及剪切面等。     

黄河上游高含沙支流入汇与交汇区淤积形态试验研究

黄河上游支流十大孔兑高含沙洪水入汇干流、在交汇区形成沙坝淤堵黄河是一种特殊的干支流交汇现象。通过模型试验对孔兑高含沙洪水入汇过程和交汇区沙坝淤积形态进行了初步研究。结果表明：相较于一般水流入汇,高含沙水流入汇造成的交汇口上游壅水程度更高,下游回流区范围更大;壅水区发生强烈的高含沙水流逆行扩散和异重流潜入运动,异重流运行长度是干流流量和干支流动量比的函数。壅水区形成具有倒坡降的楔形淤积体,回流区形成带状淤积体,水流偏转区和高流速带形成凹坑。支流总来沙量是影响淤积规模的重要因素,各部分淤积体几何特征与支流来沙量有很好的正相关关系。     

明渠交汇区水位变化特性试验研究

交汇河流在自然界中普遍存在,水流相互作用突出,水位流量关系变化复杂。本文基于物理模型试验探讨了天然河流交汇区水位变化特性,分析了不同干支流来水条件下的水位沿程变化、交汇区典型断面水位流量关系、交汇区泥沙起动流速变化等特性。结果表明,交汇区水位变化的强弱与干支流流量等密切相关,交汇区泥沙起动流速随里程变化与单一河道有明显差异。     

嘉陵江与长江交汇水流顶托效应特性研究

干支河流交汇是河流水系发育与演化的重要形式,在河流交汇区常发生水流顶托现象。水流顶托显著影响着干支流交汇区水位、水面比降及床面切应力特性,从而制约着交汇区水沙运动特性及河床演变过程。本文以嘉陵江与长江交汇区为例,基于实测资料与不同组合干支来流的数值模拟结果,突出分析了不同干支来流条件下典型区域水位、水面比降及床面切应力变化特性,结果表明嘉陵江对长江的顶托作用随汇流比的增大而增大,长江上游水面比降随汇流比增大而减小,床面切应力随汇流比增大而减小。     

嘉陵江与长江交汇水流顶托效应特性研究

干支河流交汇是河流水系发育与演化的重要形式,在河流交汇区常发生水流顶托现象。水流顶托显著影响着干支流交汇区水位、水面比降及床面切应力特性,从而制约着交汇区水沙运动特性及河床演变过程。以嘉陵江与长江交汇区为例,基于实测资料与不同组合干支来流的数值模拟结果,突出分析了不同干支来流条件下典型区域水位、水面比降及床面切应力变化特性,结果表明嘉陵江对长江的顶托作用随汇流比的增大而增大,长江上游水面比降随汇流比增大而减小,床面切应力随汇流比增大而减小。     

陡坡河段变动回水区推移质运动特性的试验研究

基于物理模型试验,探讨典型河段变动回水区推移质的运动特性,分析在库水位消落及来流增大过程中,淤积体平面形态及淤积体推进轨迹变化等特性。试验结果表明,由于河段比降较大,水库回水尖灭点上下游呈现不同的流态,从急流变为缓流的过程中,输沙能力会陡然下降。在库水位消落过程中,保持上游来流不变,泥沙淤积体输移的距离大致与水库回水尖灭点前行的距离相当,且下游水位降至875 m时,淤积体在河道湾顶附近被水流切割分成上下两部分,两级淤积体间泥沙颗粒级配差异较为明显,反映出水流的分选作用。在来流增大过程中,当推移质来沙量不变时,保持下游库水位不变,增大上游来流量,推移质淤积体向下游推进的幅度相对较小,表明研究河段变动回水区内的推移质运动受下游回水作用影响较大。对于陡坡性变动回水区,在给定上游来沙总量的前提下,泥沙淤积体前沿的推进幅度主要受到库水位降低的影响,而受上游流量的影响相对较小。     

明渠干支河流直角交汇区整流方法探讨

由于便利的水运条件,有相当一部分重要的城市和乡镇位于河流交汇处,但由于交汇水流结构的复杂性,在交汇区常形成冲击河岸和泥沙淤积等一系列问题,因而对交汇区水流进行有效地整治是非常必要的。本文利用数值模拟试验,对入汇角为90°的河流交汇处产生的分离区水流特征进行了研究,并在此基础上提出了一种可以减小或消除分离区的优化堤线的整流方案,即优化后的堤线满足椭圆方程,椭圆长半轴长度为分离区长度,短半轴为分离区宽度,以改善交汇区的泥沙淤堵及水位抬高等灾害问题。通过对不同干支流动量比堤线整流效果对比分析,结果表明：当动量比M*=0.40时得出的椭圆型堤线为最佳整流方案。     

堆积体作用下水流水力特性变化试验研究

河道中存在堆积体时,水流水力特性将会改变。为分析堆积体不同阻水作用下的作用机理,进行水槽试验。通过对床面比降、堆积体尺度和上游来流条件的控制,研究不同堆积体尺度条件下的水位变化,分析堆积体对附加比降的影响,探讨堆积体附近水流流态的变化规律。结果表明:河道比降相同时,流量越小、堆积体尺度越大,壅水高度和影响范围越大。其他条件相同时,随着河道比降的增大,水流从缓流向急流发展,附加比降值随堆积体尺度的增大而增大;但达到急流条件后,水面附加比降随堆积体尺度增大反而有减小的趋势。     

受堆积体影响的河道3维水流结构试验研究

通过水槽试验研究了河道在堆积体影响下的三维水流结构,采用ADV测量了堆积影响河段的三维流速,分析表明：断面纵向最大流速从堆积体段逐渐偏向右岸,且逐渐向河床底部移动,往下游又逐渐上升并恢复至天然状态。主流受收缩加速影响,越过堆积体后,呈水跃流态。受堆积体挤压流路和水流惯性的影响,主流流速在靠近堆积体略下游位置出现最大值。横向流速在堆积体段出现了正负值交替,某一水深处的流速为零,在该水深的上层,水流偏向堆积体岸流动,在该水深的下层,水流偏向右岸流动,上下层水流出现了反向流动,同时垂向流速在堆积体段也出现了正负值交替,表明在试验段水流呈类螺旋流流态。受堆积体作用,水流从表层到床面不等宽收缩,在堆积体段水流呈逆时针螺旋流与纵向水跃交互作用,水流呈复杂的三维状态。     

交汇角度对黄河上游高含沙交汇区淤堵影响的试验研究

黄河上游支流——十大孔兑的高含沙洪水在入黄交汇区形成沙坝、淤堵干流的过程是一种典型的干支流交汇现象,对交汇区河床演变、防洪和工农业生产有重大影响,因此研究减轻高含沙交汇区沙坝淤堵的治理措施是一项十分必要和迫切的工作。本文通过模型试验研究了干支流不同交汇角度对孔兑与黄河高含沙交汇区沙坝淤堵规模的影响。模型试验以产生的高含沙洪水淤堵黄河干流次数最多、危害最大的孔兑之一——西柳沟与黄河交汇的干支流河段为模拟对象,采用黄河高含沙水流动床模型相似律进行模型设计,选取90°、60°、30°和15°作为试验交汇角度,分别开展了清水和浑水交汇试验,获取交汇区水流分区特性和沙坝淤堵规模特征。研究结果表明：随着交汇角增大,支流对干流的顶托作用增强,交汇口上游壅水区流速逐渐减小,水深增大;交汇角较小时交汇口下游形不成回流区,交汇角增大到30°以后回流区形成并随交汇角增大而增大,伴随着高流速带向对岸移动;壅水区和回流区沙坝尺度随交汇角增大而增大,交汇角较小时形不成壅水区淤积体和回流区淤积体,但易形成交汇口对岸淤积体,其尺度随交汇角增大而减小,与回流区淤积体互为消长。交汇口以上主槽的淤堵由壅水区淤积体构成,交汇口下游主槽淤堵由回流区淤积体和对岸淤积体共同构成,当交汇角为30°时交汇口上下游主槽总体淤堵规模最小。从河道淤堵规模和河岸稳定方面综合分析认为,在现状河道和水沙条件下,30°是有利于减轻孔兑与黄河高含沙交汇区淤堵的较优交汇角,这对交汇口河道整治具有重要指导作用。     

受支流入汇作用主河推移质运动演化特征试验研究

天然河流中存在着大量的主支交汇河流,在主支流相汇处,由于河相关系的变化,主支河流原有的水沙平衡状态被打破。通过一系列的水槽试验研究了交汇角为30°时支流来水、来沙对主流输沙特性的影响,获得了在支流有无来水、来沙时不同主支汇流比下的主河输沙率和累积输沙量随时间演化过程。试验表明:单一主河推移质呈“波”状输移,具有时空不连续性;支流仅来水时,由于无泥沙补给,交汇口及其下游会形成冲刷深槽,主流输沙率和输沙量强度在初始阶段很大,随着时间的推移,其值逐步衰减并趋于稳定;支流来水又来沙时,主河输沙特性与主支汇流比密切相关。     

Theoretical Study on the Confluence of Debris Flow and the Main River

Because of the high momentum of debris flow,when it confluences with the Main River,the water level in the upstream of the conjunction point will increase and a portion of sediment will deposit in the con- junction area.The discharge of downstream will be less then the summation discharge of main river and side channel,and the density of downstream will be difference from both the density of the fluid of main river and tributary.Based on momentum theory,and with the transport coefficient and deposit coefficient,the water ris- ing and sediment depositition characteristic within the conjunction area are studied.An equation that expressed by Froude number is deduced,which can reflect the hydraulic relation and confluence characteristic in the confluence area after the confluence of main river and side channel.The equation is verified with experiment data.The result shows that,if the parameters are used correctly,the calculation value is coincide with the one get from experiment.     

改善泄洪放空洞挑流消能效果的试验研究

采用水力模拟方法研究了某水库泄洪放空洞泄流状况及下游消能、冲刷、流态等问题.由于该泄洪放空洞属改建,轴向布置与下游河道边界不相适应,挑射水流入河后顶冲下游河道右岸防护堤,引起强烈的涌浪波动,以致壅高水位并造成流态紊乱,直接威胁堤防.通过分析研究,提出了将挑流鼻坎向左转角32°的优化方案,并采用束窄出口及圆弧扭面衔接的技术,调整挑射水流方向,有效保证了下游消能安全,同时避免了主流顶冲右岸堤防;由于消除了拦沙坎,下游出流平顺,边岸涌浪基本消失,大大降低了下游洪水位,削减了边岸回流强度与淘刷,保证了右岸施工营地的安全.     

龙开口水电站的泄洪消能防冲试验

龙开口水电站泄洪流量大且坝址处主河床狭窄,泄水建筑物布置在主河床,电站置于右岸紧靠泄水建筑物．对于此类工程,消能防冲是主要问题．以水工模型试验为手段,通过多个试验方案,研究了溢流坝和泄洪中孔的消能效果、挑射水流消能后与下游河道水流衔接问题、下游河床及两岸的冲刷情况以及电站尾水出口水面波动情况．经对比分析并综合考虑消能防冲与发电相互影响因素,提出最优枢纽布置方案和泄水建筑物结构型式,另外也为岸坡防护提供了一定的依据．研究成果对大流量窄河床条件下的重力坝泄洪消能工程设计和同类型模型试验具有一定的借鉴意义．     

交汇水流分离区特征研究

交汇水流在天然河流中大量存在,分离区水流特性对泥沙输移和污染物扩散的影响极为显著.当前的研究一般是以流体力学理论为基础,从流线概念定义分离区,且仅分析分离区的二维特性,从工程应用和物理本质的角度,该方法尚不完善.本研究以较为详实的水槽实验资料为基础,提出了基于主流向流速的等值线法定义分离区,并采用流线法和等值线法对实验资料进行比较,发现水流分离区几何尺度随着水深及流量比的变化而变化,而这种变化取决于交汇区域内二次流对流速分布的影响,由此认为等值线法比常用的流线法具有更好的应用意义.