平面斜向射流冲蚀不同坡度沙床的试验研究

利用射流清淤在疏浚工程中已得到广泛的应用并发挥了重要的作用,探究工作射流条件和沙床边界条件对冲蚀效果的影响有助于疏浚设备的优化设计及提高疏浚效率。观测和分析了静止平面斜向射流在不同射流速度、射流角度及沙床坡度条件下冲蚀沙床的过程、冲坑形态、以及冲坑外浑水流动特征。结果表明:二维冲坑剖面存在几何相似性,几何形态不对称,整体向下游发展;冲坑发展过程可分为初始、发展和稳定三个阶段,冲坑的深度随时间的变化呈对数关系增长,在冲坑深度达到最大深度一半时冲蚀速率最大;二维冲坑面积随射流角度的增大呈先减小、后增大的关系变化,在45°时存在极小值;泥沙冲蚀量、坑外浑水流运动速度随着沙床坡度的增大而增加,而坡度大于10‰后冲蚀量增长趋势趋缓。     

平面淹没射流垂直冲刷泥沙试验研究

射流在水利工程中作为冲沙手段已有较广泛的应用,冲刷过程的射流冲坑特性与泥沙悬浮特性均是衡量冲刷效果的重要指标。通过改变射流速度、喷射靶距、泥沙粒径,进行了平面射流冲刷沙床的系列试验。结果表明:冲坑与泥沙的悬浮尺寸随时间均呈现快速增长期、缓慢发展期和动态稳定期3个发展阶段,在此过程中,泥沙悬浮尺寸会出现峰值,最终在某一数值上下波动;总体上冲坑深度与泥沙悬浮尺寸随射流速度和喷射靶距的增大而基本呈线性增大,短时间(1 s)内靶距的增加对冲坑深度的影响较小;冲坑深度与泥沙悬浮尺寸随粒径的增大有所减小;冲刷参数可以用来综合衡量射流的冲刷能力,随着射流冲刷参数的增大,无量纲化的冲坑深度、悬沙高度和悬沙宽度均呈线性增长趋势。     

白石水库泥沙问题的试验研究

白石水库是辽宁省大凌河干流上的控制骨干性工程，大凌河含沙量较高、输沙量较大、为多沙河流、泥沙问题较多。为此，采用整体和局部两个物理模型进行了较为深入的研究，解决了模拟全沙、异重流等技术难点，揭示了库区和坝区泥沙的冲淤规律，并进行了水库运用方式的确定、泄流排沙建筑物布置方案的选择，水库长期淤积发展的试验及坝前水流及泥沙特性研究等。     

自压式管道水力排沙的试验研究

对自压式管道排沙系统进行了试验研究,结果表明:①5～6 m/s为排沙系统的经济流速,出口水沙质量比随着流速的增大而减小,当流速增大到5 m/s后,水沙质量比减小幅度趋于平缓;②随着含沙量的增大,水流需要消耗的能量增大;③自压式管道排沙系统可在减少水量消耗的同时有效地排沙,可以根据水库自身的水能灵活地进行管道布置.     

泥沙粒径及射流速度对沙床冲刷的影响

射流冲刷在众多疏浚工程中应用广泛并发挥了重要作用,对其开展深入研究很有必要。基于Eulerian二相流模型和k-ε湍流模型,以粒径为0.04~0.23 mm的沙床为研究对象,进行了二维垂向淹没射流冲刷沙床的数值模拟,研究了粒径和射流速度对沙床冲刷的影响。结果表明,在研究的粒径范围内,最大冲刷深度和悬浮泥沙体积与流速成正相关,与粒径成负相关,且流速的影响更大。     

水下移动射流冲蚀沙床的试验研究

为研究移动射流冲蚀效果和泥沙输移的影响因素,开展了不同射流喷嘴移动速度和沙床坡度条件下的二维平面移动射流冲蚀沙床试验研究。试验记录了不同射流工况下的泥沙输移过程及异重流的运动规律,分析了泥沙输移及异重流运动随射流喷嘴移动速度、沙床坡度的变化规律,讨论了异重流运动和泥沙淤积形态的物理机制。结果表明:水下移动射流冲蚀沙床能够形成异重流,可实现淤积泥沙的起动并输移一定距离。泥沙淤积轮廓剖面具有相似性,各工况平均输移距离近似相等,沿程累计泥沙相对输移量分布与泥沙粒径分布相似。泥沙相对输移量与射流喷嘴移动速度和沙床坡度呈正相关,但当沙床坡度大于10‰后,坡度影响不再显著。     

等阻力树杈型冲沙管道的试验研究

多沙河流上修建的水库必然要面对泥沙淤积问题,合理科学的库容恢复和保持措施对于水库综合效益的正常发挥具有重要意义。排沙廊道是一种一次建设、可持续使用的排沙设施,但传统排沙廊道中各进口为顺序排列,不同部位进口抽沙能力不均,严重影响运行排沙效果。等阻力树杈型冲沙管道是近期提出的一种新型排沙方式,其各级管道采用树杈型布置,多口汇流的旋转流动可消除不同角度水流加速度影响,按每一个进口管至总出口的流动阻力相等为原则设计;在进口管顶部设置倒扣铁锅型防沙罩,防止进口管被落淤的泥沙所阻塞。本文在水槽中开展了树杈型冲沙管道试验,同时开展了相同条件下的进沙口顺序排列的对比试验,结果表明:当进沙口按传统廊道多口顺序排列布置时,位于远端的一半出口将被完全淤堵,难以达到预期的排沙效果;而树杈型冲沙管有效克服了传统廊道不同进沙口抽沙能力不均的缺陷,实现了对所覆盖区域的均匀排沙,正常情况下未发生淤堵;当高含沙水流集中流向某一进口时,会造成该进口淤堵,但由于不同进沙口独立运行,所淤堵进口基本不会对其他进口的正常运行造成影响。本文试验结果表明,等阻力树杈型冲沙管道的稳定排沙浓度可达400～700 kg/m3,远高于顺序排列方式的100 kg/m3;冲刷漏斗体积为多口顺序排列的1.5倍。     

硬质黏土淹没射流冲刷试验研究

近年来自吸式管道排沙系统以其省水、高效、廉价等优势,逐渐成为水库清淤的主要措施之一,然而在遇到土颗粒较细、淤积历时较长的硬质黏土时,它的清淤效果下降明显。为了探究硬质黏土的破土机制和起动影响因素,采用模型试验的方法,选取一种黏性泥沙,通过负压固结的方式制备硬质黏土样,然后进行了不同出口流速、喷嘴尺寸和射流靶距的直立淹没射流试验。试验结果表明,鉴于土样存在黏性,其受冲刷破土机制与无黏性土存在较大差异,冲坑发育过程存在一定的随机性和自相似性,并且射流冲刷效率与射流出口流速和喷嘴尺寸成正比、与射流靶距成反比,同时射流靶距对冲刷坑形态的影响最为明显。     

空气射流动力学特征与冲沙作用试验研究

针对空气射流冲沙方法目前相关理论研究还不够深入的现状,利用水下排气冲击细颗粒床沙,对空气射流的动力学特征与冲沙作用进行水槽试验。在空气射流清水试验中,总结归纳了羽流发展的4个阶段,通过正交试验信噪比分析发现气压是羽流下切长度的主要影响因素,局部紊动强度随空气射流压强的增大而增大,且沿横向迅速衰减。在气动冲沙浑水试验中,总结归纳了冲沙坑的3个发展阶段,通过正交试验信噪比分析确定了影响冲沙效果的显著因素,并利用方差分析建立冲沙效果回归方程,预测值与实测值对比结果表明该方程预测效果较好。     

水下高围压磨料射流装置及冲蚀性能的研究

提出了水下高围压磨料射流切割模拟试验装置并对其进行了试验，得到了冲蚀深度与靶距，模拟水深，射流管长度及冲蚀时间的关系。同时对空气中磨料射流与纯水射流的冲蚀性能也进行了比较，本文较全面地揭示了水下磨料射流的冲蚀性能，为实际应用提供了必要的依据。     

射流冲刷试验研究(之二)

根据室内试验结果 ,建立了一个能够统一表达圆形喷嘴和矩形喷嘴射流强度的公式 ,建立了由射流产生的冲刷坑的几何尺度与射流强度间的关系。对试验中发生的喷嘴临界提升高度从理论上分析了存在的合理性。依据分析建立的喷嘴在临界提升高度和最大提升高度之间的冲刷坑尺度与射流强度、倾角和提升高度间的关系能够较好地描述试验结果。     

水库横向冲蚀的初步研究

水库泥沙淤积一直是阻碍水库功能正常发挥的一个严重问题。在各种水库排沙的方法中,水库横向冲蚀技术就是一种很好的水库排沙方法 , 以往人们没有对该方法进行系统的总结与概括。依据头屯河水库 2001 年运用高渠排沙的成功经验,通过数据总结和规律分析,提出适合于该水库高渠排沙的宽深经验公式。同时,根据水库横向冲蚀的特性及规律,推导出用管道拉淤时,冲滩流量控制的一套简单公式及操作方法。其研究成果不仅有利于头屯河水库今后泥沙的管理,而且为相似水库的排沙提供了依据,更为水库横向冲蚀技术深入研究提供了理论依据。     

虹吸式管道排沙技术在西霞院水库清淤中的试验研究

为研究虹吸式管道排沙技术在西霞院水库清淤中的应用及效果,基于水库库区现场的清淤试验,利用西霞院水库上下游水位差的虹吸作用,辅以破土射流冲吸式吸泥头扰沙,通过对输沙管道沿程含沙量和流量等特征值的跟踪监测,研究单泵及双泵串联条件下,200m3/s、220m3/s、230m3/s、240m3/s、250m3/s、300m3/s和330m3/s共7个流量级不同试验工况下测点含沙量的变化范围、趋势及粒径级配等,并对试验清淤效果进行定量分析。水库清淤的现场试验结果表明:随着虹吸式管道排沙试验的工况流量不断增大,所测的平均含沙量呈现出增大趋势,而最大含沙量呈现先增大后减小的趋势,整个试验过程最大含沙量达到342.61kg/m3,清淤2 000m3泥沙的生产成本为10.56万元。     

床沙代表粒径与输移泥沙中值粒径的关系

本文分析了输移泥沙床沙质中值粒径D50i的变化规律和计算方法，指出由于水流的分选作用，输移泥沙的中径D50i一般较床沙中值粒径D50为细，且相对中值粒径D50i/D50随床沙标准方差σg的增大而减小。还分析了床沙非均匀性对输沙能力的影响，结果在相同的D50条件下，输沙能力随σg的增大而增大。此外，对采用D50i作为床沙代表粒径的输沙能力计算进行了探讨，结果可以大大提高输沙能力的计算精度。研究表明，用于非均匀沙输沙能力计算的床沙代表粒径，不应是一个固定不变的粒径，床沙代表粒径及相应的沙重百分数应随σg的增大而减小，Einstein等建议的D35仅在σg值为1．5左右才适用。     

不均匀沙的推移质输移规律的研究

本文详细地分析了不均匀沙与均匀沙翅动和输移规律的主要不同点。指出：不均匀沙的起动和输移过程又是一个床沙粗化或细化过程，两者互相制约。具有不恒定的特性。使得不均匀沙的起动和输移复杂多变，与同粒径的均匀沙相比较，较细颗粒的动动流速高于均匀沙；较粗颗粒的起动流速又低于均匀沙。这一临界粒径的大小，随不同的床沙而异，床沙越粗、组成越不均匀。粗化作用越大，这临界粒径也越大。     

平面二维溃坝水沙输移动床数学模型研究

为数值模拟溃坝洪水作用下泥沙输移及河床变形,建立了无结构三角形网格的平面二维水沙耦合数学模型。水动力学模型采用浑水流动方程,考虑了泥沙输移及床面冲淤变化对水流动量的影响;泥沙输移采用不平衡泥沙输移模式。模型数值计算格式采用守恒性较好的有限体积法,单元界面的对流通量采用基于近似黎曼解的Roe格式计算,扩散通量采用中心格式,不平衡泥沙输移方程采用坡度限制的二阶空间精度格式离散。模型经经典算例和小尺度瞬间全溃的动床实验资料检验,水面、床面及流速等计算结果与实验资料或解析解等比较吻合,分析了动床与定床水面及洪水传播速度的差异。在上述检验的基础上,采用动床模型对某河道型水库溃坝诱发的水沙运动进行了数值模拟,结果表明溃坝洪水下水流、泥沙及河床变形发生强烈的相互作用,采用水沙及河床变形耦合的数学模型是必要的。     

平面二维溃坝水沙输移动床数学模型研究

为数值模拟溃坝洪水作用下泥沙输移及河床变形,建立了无结构三角形网格的平面二维水沙耦合数学模型。水动力学模型采用浑水流动方程,考虑了泥沙输移及床面冲淤变化对动量的影响;泥沙输移采用不平衡泥沙对流扩散方程描述。模型数值计算格式采用有限体积法,单元界面的对流通量采用基于近似黎曼解的Roe格式计算,扩散通量采用中心格式,不平衡泥沙输移方程采用坡度限制的二阶空间精度格式离散。模型经经典算例和小尺度瞬间全溃的动床实验资料检验,水面、床面及流速等计算结果与实验资料或解析解等比较吻合。在上述检验的基础上,分别采用动床及定床模型对浙江省某河道型水库溃坝诱发的水沙运动进行了数值模拟,结果表明动床下的溃坝洪水的传播速度快于定床,动床与定床的水位、流速差异很大,这说明溃坝洪水下水流、泥沙及河床变形发生强烈的相互作用,采用水沙及河床变形耦合的数学模型是必要的。     

平原型水库泥沙清淤试验研究

为研究平原型水库泥沙清淤试验的效果,同时进行平原型水库清淤试验排沙效率和经济性的定量分析,以西霞院水库清淤试验为例,针对输沙管道南岸过坝方案,分析了平原型水库泥沙清淤试验中不同工况下的泥沙运动形式、实测阻力及输移泥沙悬浮情况等,分析计算了各种工况下输沙耗水率及试验清淤成本。结果表明:平均含沙量越大,排沙耗水率越低,最低耗水率为3.53,清淤成本约为52.28元/m~3。     

射流冲吸泥装置形成的人工异重流研究

提出了利用射流泵冲吸库底泥沙,形成人工异重流的原理及设计计算理论。结合小浪底水库清淤,对射流泵冲吸泥装置进行了模拟试验研究,并对其产生的人工异重流,进行了分析计算。     

小浪底水库拦沙初期泥沙输移及河床变形研究

应用物理模型试验对小浪底水库运行初期的泥沙输移和河床变形进行了一系列的研究预测,结果表明水库运用初期基本上为异重流排沙;库区干流淤积形态为三角洲且不断向下游推进;支流淤积主要是干流倒灌的结果,在沟口可形成拦门沙;库水位大幅下降,干流河床将产生溯源冲刷和沿程冲刷,支流淤积面随之下降。水库投入运用以来的实测资料分析表明,尽管预报试验所采用的水沙条件与水库运用以来的实际情况不尽相同,但两者在输沙流态、淤积形态及变化趋势方面基本一致,从而证明了模型试验得出的结论是符合实际的。