非恒定流條件下丁壩水力特性及沖刷機(jī)理研究

目 錄

第1章 緒論 1

1.1 研究目的與意義 1

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2

1.2.1 丁壩水力特性研究現(xiàn)狀 2

1.2.2 丁壩沖刷深度研究現(xiàn)狀 5

1.2.3 丁壩水毀機(jī)理研究現(xiàn)狀 7

1.2.4 明渠非恒定流研究現(xiàn)狀 10

1.2.5 隨機(jī)水文學(xué)研究現(xiàn)狀 11

1.2.6 小結(jié) 14

第2章 長江上游航道整治建筑物損毀類型及特征 15

2.1 整治建筑物類型及損毀基本情況 15

2.1.1 已建航道整治建筑物基本情況 15

2.1.2 已建壩體類型及功能 18

2.1.3 已建整治建筑物工程結(jié)構(gòu)特征 20

2.2 不同類型整治建筑物損毀特點(diǎn) 20

2.2.1 丁壩 20

2.2.2 順壩 23

2.2.3 潛壩 25

2.2.4 鎖壩 25

2.3 整治建筑物損毀影響因素及原因 26

2.3.1 整治建筑物損毀的主要影響因素 26

2.3.2 整治建筑物損毀主要原因 29

第3章 天然河流日均流量過程隨機(jī)模擬 33

3.1 寸灘站日均流量過程分析 33

3.1.1 水文資料的審查 33

3.1.2 日均流量過程統(tǒng)計(jì)參數(shù)估計(jì) 34

3.1.3 日均流量過程頻率計(jì)算 35

3.2 日均流量過程隨機(jī)模擬方法 39

3.3 兩變量聯(lián)合分布日均流量過程模擬 40

3.3.1 兩變量極值分布函數(shù) 40

3.3.2 兩變量聯(lián)合作用日均流量隨機(jī)過程 42

3.4 小結(jié) 43

第4章 概化模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)及儀器設(shè)備 44

4.1 水槽概化模型設(shè)計(jì) 44

4.1.1 模型丁壩設(shè)計(jì) 44

4.1.2 模型水流及時間比尺確定 46

4.1.3 模型沙材料及粒徑的確定 47

4.2 試驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)穩(wěn)定性 48

4.2.1 流量控制系統(tǒng) 48

4.2.2 水位自動測量系統(tǒng) 49

4.2.3 流速測量系統(tǒng) 50

4.2.4 丁壩受力測量系統(tǒng) 51

4.2.5 三維地形測量系統(tǒng) 52

4.2.6 儀器率定及系統(tǒng)穩(wěn)定性 52

4.3 試驗(yàn)方案及內(nèi)容 56

4.3.1 清水定床試驗(yàn) 57

4.3.2 清水動床試驗(yàn) 60

4.4 小結(jié) 62

第5章 非恒定流條件下丁壩水流結(jié)構(gòu)及紊動特性研究 63

5.1 丁壩附近的水流流態(tài) 63

5.1.1 非淹沒丁壩附近的水流流態(tài) 63

5.1.2 淹沒丁壩的水流流態(tài) 64

5.2 水面線分布規(guī)律 65

5.2.1 單個測點(diǎn)水位隨時間變化規(guī)律 65

5.2.2 縱向水面線分布 68

5.2.3 橫向水面線分布 71

5.2.4 壩身上下游跌水高度確定方法 73

5.3 縱向平均流速分布規(guī)律及計(jì)算公式 78

5.3.1 橫斷面流速分布 78

5.3.2 整個測區(qū)流速分布 82

5.3.3 壩軸線斷面流速計(jì)算公式 84

5.4 三維流速及紊動強(qiáng)度變化分析 89

5.4.1 丁壩周圍三維流速變化分析 89

5.4.2 丁壩布置前后壩頭處三維流速對比分析 90

5.4.3 丁壩周圍紊動強(qiáng)度分析 92

5.5 小結(jié) 94

第6章 非恒定流條件下丁壩穩(wěn)定性及受力特性研究 96

6.1 丁壩壩面塊體穩(wěn)定性分析 96

6.1.1 塊體受力情況分析 96

6.1.2 坡面塊石受力分析 98

6.1.3 水流脈動對塊體穩(wěn)定的分析 99

6.2 丁壩壩體受力沿時間分布 100

6.3 丁壩壩體在受力整個測區(qū)的分布 102

6.3.1 水流作用于壩體動水壓力分布 102

6.3.2 水流作用于壩體脈動壓力分布 104

6.4 水流對壩體作用力紊動強(qiáng)度變化 106

6.5 小結(jié) 108

第7章 非恒定流條件下丁壩沖刷機(jī)理研究 109

7.1 壩體塊石滾落和壩體塌陷的特點(diǎn) 109

7.1.1 壩頭塊石運(yùn)動特點(diǎn) 109

7.1.2 壩身塊石運(yùn)動特點(diǎn) 110

7.1.3 沖刷坑內(nèi)塊石運(yùn)動特點(diǎn) 111

7.1.4 丁壩水毀程度分析 112

7.2 壩頭局部沖刷的范圍和沖刷深度的變化規(guī)律 115

7.2.1 壩頭局部沖刷敏感因素分析 115

7.2.2 壩頭沖刷坑發(fā)展過程分析 117

7.2.3 壩頭沖刷坑長度及寬度變化規(guī)律119

7.2.4 壩頭沖刷深度變化規(guī)律 122

7.3 非恒定流作用下丁壩局部沖刷機(jī)理 124

7.4 非恒定流作用下山區(qū)河流散拋石壩沖刷坑深度計(jì)算公式 125

7.4.1 丁壩沖刷坑的影響因素 125

7.4.2 山區(qū)河流散拋石壩沖刷坑深度計(jì)算公式 127

7.4.3 丁壩沖刷坑計(jì)算實(shí)例 131

7.5 小結(jié) 132

參考文獻(xiàn) 135

彩圖 2100433B

本書以山區(qū)河流最常用的航道整治建筑物——丁壩為研究對象，在對山區(qū)河流壩體類整治建筑物水毀類型、特征及原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、仿真模擬和概化水槽模型試驗(yàn)的研究手段，對非恒定流條件下丁壩水流結(jié)構(gòu)、紊動特性、受力分布、壩體及其周圍河床沖刷的變化規(guī)律進(jìn)行了較系統(tǒng)和深入的研究。這些研究成果為山區(qū)河流丁壩設(shè)計(jì)及其周圍水沙運(yùn)動規(guī)律的研究提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，對于提高航道整治建筑物的穩(wěn)定性及確保航道整治工程的質(zhì)量和效果具有重要的參考價(jià)值與指導(dǎo)意義。

管道非恒定流的水力要素如斷面平均流速(V)、平均壓強(qiáng)（p）等均為時間（t)和沿流程的距離(s)的函數(shù)：根據(jù)流體質(zhì)量守恒和動量原理，同時計(jì)及流體的可壓縮性和管壁材料的彈性時，管道截面積（A）和流體密度也是時間（t)和距離（s）的函數(shù)：

可以導(dǎo)出管道非恒定流的基本微分方程如圖。

式中，g為重力加速度；α為管道軸線與水平面的夾角；λ為沿程水頭損失系數(shù)：D為管道直徑。

對于棱柱體管道和可壓縮性較小的流體（例如水），并引入水擊波速（a），連續(xù)方程可化為方程（3）

從運(yùn)動方程、連續(xù)方程出發(fā)，經(jīng)過不同程度的簡化，可以得出不同的管道非恒定流計(jì)算方法。常見的方法有解析法、圖解法、特征線法、隱式差分法、線性分析法等目前最常用的方法是特征線法，它把連續(xù)方程和運(yùn)動方程這一組雙曲型擬線性偏微分方程變換成四個全微分方程，然后沿特征線積分，離散為有限差分的形式，用規(guī)定時間間隔的方法，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解。

管道非恒定流分析計(jì)算廣泛用于水利水電、灌溉供水、能源化工、液壓傳動等工程中。例如：水電站、泵站的有壓輸水系統(tǒng)，供水管網(wǎng)，火、核電站的冷卻水系統(tǒng)，化工流體、天然氣和石油輸運(yùn)管路，液壓裝置，管路系統(tǒng)等 。

有壓管道中液體流速急劇變化時引起管內(nèi)液體壓強(qiáng)大幅度波動的非恒定流現(xiàn)象稱為水擊或水錘。管道系統(tǒng)中閥門的快速關(guān)閉及開啟，供水系統(tǒng)中水泵的突然停機(jī)或起動，以及水電站機(jī)組負(fù)荷變化使水輪機(jī)導(dǎo)水葉迅速啟閉等，都會在管道系統(tǒng)中產(chǎn)生水擊。水擊可能導(dǎo)致管道系統(tǒng)振動、噪聲和空化，甚至使管道嚴(yán)重變形、壓癟或爆裂。水電站壓力引水道較長時，常在引水道未修建調(diào)壓室，以減少水擊的強(qiáng)度和作用范圍。水輪機(jī)組引用流量變化時，除了在壓力管道中發(fā)生水擊外，引水道-調(diào)壓室系統(tǒng)中還產(chǎn)生水體振蕩，這種非恒定流現(xiàn)象常稱為涌浪。運(yùn)動要素變化快、幅值大、流體和管壁的彈性影響顯著是水擊與涌浪的主要區(qū)別 。

水力因素不隨時間變化，但隨沿程變化，又分為漸變流和急變流兩種。

(1)恒定漸變。

(2)恒定急變流。常見的明渠過渡流態(tài)有：從緩流到急流的過渡(如跌水、堰流等);從急流到緩流的過渡(如水躍);變寬度河渠中的流動;彎道水流(急流時可見沖擊波)等。明渠急變流常是三維流動，伴有明顯的能量損失，宜用動量原理或通過模型試驗(yàn)解決。