非恒定流條件下丁壩水力特性及沖刷機(jī)理研究.pdf

1、丁壩是山區(qū)河流最常用的航道整治建筑物，但山區(qū)河流坡陡流急且其屬于典型的阻水建筑物，實(shí)際工程中水毀現(xiàn)象十分嚴(yán)重，現(xiàn)有研究多基于恒定流條件進(jìn)行，與實(shí)際過程中造成丁壩水毀的水沙邊界條件不盡一致，因此，研究非恒定流作用下丁壩水毀問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文采用水槽概化模型試驗(yàn)、理論分析和仿真模擬等手段，在對(duì)寸灘水文站日平均流量過程進(jìn)行隨機(jī)模擬的基礎(chǔ)上，研究了非恒定流條件下丁壩水流結(jié)構(gòu)、紊動(dòng)特性、受力分布、壩體及其周圍河床沖刷的變化規(guī)律，取得的主

2、要研究成果有以下幾個(gè)方面:
　　(1)在對(duì)長(zhǎng)江上游寸灘水文站1954～2008年日均流量過程分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用兩變量Gumbel-logistic模型和自回歸馬爾可夫模型(AR模型)，對(duì)寸灘水文站日均流量過程進(jìn)行了隨機(jī)模擬，得到了不同影響因素遭遇組合下不同重現(xiàn)期的洪水過程。
　　(2)分別建立了漲水期與落水期丁壩上下游跌水高度、壩頭流速及壩軸線斷面主流區(qū)流速分布公式。
　　(3)縱向流速在壩頭下游沖刷坑區(qū)域、壩軸線斷面

3、主流區(qū)和壩頭流速較大，背水坡坡腳在流量較大時(shí)也較大;橫向流速在迎水坡較大，壩頭橫向流速達(dá)到25cm/s（原型約1.5m/s）左右;壩頭垂向流速變化較大，背水坡流量較大時(shí)垂向流速比較大，壩頭下游沖刷坑區(qū)域整個(gè)過程垂向流速基本為正值（指向水面），垂向流速極大值出現(xiàn)在落水期，且落水期大值出現(xiàn)頻率較大，相對(duì)無丁壩時(shí)，同一位置丁壩布置后壩頭處縱橫向流速較大，且流速沿垂向變化也較大，由此說明了壩頭沖刷坑區(qū)域泥沙易于起動(dòng)、壩頭及背水坡容易水毀的原因。

4、
　　(4)縱向紊動(dòng)強(qiáng)度由大及小的區(qū)域依次為壩頭下游沖刷坑區(qū)域、背水坡及壩頭、壩軸線斷面主流區(qū)和迎水坡;橫向紊動(dòng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在壩頭，流量較大時(shí)背水坡橫向紊動(dòng)強(qiáng)度也較大;垂向紊動(dòng)強(qiáng)度最大區(qū)域位于背水坡，壩頭和壩頭下游垂向紊動(dòng)強(qiáng)度也較大;由此說明丁壩及其周圍床面沖刷不是由某一方面的原因造成的，是受縱向、橫向及垂向流速、紊動(dòng)強(qiáng)度及漩渦尺度綜合作用的結(jié)果，即某一區(qū)域的流速大或紊動(dòng)強(qiáng)并不能說明該區(qū)域一定遭受強(qiáng)沖刷，反之亦然。
　　(

5、5)從時(shí)間序列上看，丁壩各部位動(dòng)水壓力變化過程與流量變化過程保持了較好的同步性，脈動(dòng)壓力的變化則不然;不論流量過程如何，動(dòng)水壓力最大值均出現(xiàn)在最大洪峰流量附近，脈動(dòng)壓力最大值多數(shù)出現(xiàn)在洪峰流量過后的落水期;壩頂頭部與迎水坡交界區(qū)域、壩頂上游側(cè)及壩頭迎水坡一側(cè)中間區(qū)域所受動(dòng)水壓力較大，流量較大時(shí)壩體背水坡坡腳處所受動(dòng)水壓力較大，落水期壩體所受動(dòng)水壓力明顯大于漲水期動(dòng)水壓力;恒定流時(shí)脈動(dòng)壓力最大值出現(xiàn)在壩頭背水坡一側(cè)，非恒定流時(shí)脈動(dòng)壓力最大

6、值出現(xiàn)在背水坡或壩頂頭部;流量較小時(shí)漲水期脈動(dòng)壓力大于落水期脈動(dòng)壓力，流量較大時(shí)落水期脈動(dòng)壓力大于漲水期脈動(dòng)壓力，表明丁壩水毀主要發(fā)生在洪峰流量及流量較大的落水期。
　　(6)壩頭塊石從迎水面靠近河床表面處開始發(fā)生運(yùn)動(dòng)，隨著沖刷的不斷進(jìn)行，底部基礎(chǔ)不穩(wěn)導(dǎo)致坡面上的塊石不斷滾落至坡腳造成壩頭大面積水毀，最大洪峰過壩時(shí)，短時(shí)間內(nèi)壩頭基本全部水毀;水流由未翻壩至翻壩時(shí)，壩項(xiàng)靠下游一側(cè)塊石大面積滑動(dòng)至背水坡，局部透水率較大的區(qū)域，在翻壩下

7、潛水流和內(nèi)部紊動(dòng)水流的綜合作用下，造成壩頂局部區(qū)域凹陷和坍塌現(xiàn)象，形成壩頂沖刷坑;散落塊石在運(yùn)移至沖刷坑底部時(shí)，一部分大粒徑塊石沿著沖刷坑下游邊坡攀爬至沖刷坑下游淤積體并停留在此處，小粒徑塊石在水流的帶動(dòng)下繼續(xù)向下游行近直至滑落到淤積體邊緣，部分停留在沖刷坑內(nèi)的塊石，在漩渦及自身重力作用下逐漸下沉并被包圍或覆蓋。
　　(7)壩頭型式不同時(shí)，壩頭損毀體積由小到大依次為扇形勾頭、圓弧形勾頭、圓弧形直頭;對(duì)于同樣重現(xiàn)期的洪水過程，年最大

8、洪峰流量與半月最大洪量遭遇時(shí)，洪峰流量對(duì)沖刷深度起主導(dǎo)作用，洪水總量對(duì)壩頭沖刷坑范圍起主導(dǎo)作用，年最大洪峰流量與洪水有效周期遭遇時(shí)，洪水有效周期個(gè)數(shù)對(duì)沖刷坑范圍及沖刷深度均起主導(dǎo)作用。沖刷坑范圍發(fā)展最快的時(shí)刻出現(xiàn)在前兩個(gè)較大的洪峰流量前后;壩長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)沖刷坑的寬度在沖刷初期較大，但在沖刷后期反而較小;挑角較大時(shí)沖刷寬度較小，沖刷長(zhǎng)度與挑角大小關(guān)系不大;非恒定流作用下，整個(gè)床面抗沖刷能力是一個(gè)不斷變化的動(dòng)態(tài)過程。
　　(8)通過沖刷坑