非恒定流作用下丁坝水毁试验研究

摘要

丁坝是航道整治的常用工程措施之一，但建成运行后往往在汛期出现水毁现象，需要经常性维护，为了减少后期维护量，急需要开展非恒定流条件下的丁坝水毁研究。本文在长江上游来流过程特征分析的基础上，采用概化水槽的定、动床模型试验，研究了7种非恒定流条件下丁坝周围的水力要素的变化过程，以及坝体周围的冲刷坑发展过程、丁坝的水毁过程，分析了丁坝水毁机理，并进行了对应恒定流的对比试验，研究成果可供丁坝优化设计及维护管理参考。论文取得的主要成果有:
　　 (1)长江上游天然年日均流量过程是一个非对称、非平衡的随机过程，具有单峰、双峰和多峰型态特征，一般峰数越少，最大峰值越大。本文利用一维一阶概率模型确定了不同频率洪水过程。
　　 (2)根据原型河道特点与丁坝特征，进行了水槽与丁坝概化设计。采用非恒定流控制与量测试验系统，实现了日均非恒定流量过程的控制与水位、流速过程的量测。
　　 (3)枯季流量较小时，丁坝多处于非淹没状态，坝头冲刷坑较小、坝体完好;随着流量增加，水流漫过坝顶，坝上下游出现大水位差，同时坝头前沿出现跌水，坝上下游及坝头前沿比降很大，但坝顶流速较小，易损部位主要在坝头;洪峰来临时，坝头前沿纵向水面比降较大、流速梯度较大，但坝顶流速及比降甚至超过坝头及主流区的流速和比降，易损部位主要在坝头与坝身。因坝头大流速水流持续作用的时间长，坝顶汛期水流作用力较大，坝头与坝身均为坝体易损部位，是丁坝结构设计和维护中应加强和重点防范的部位。
　　 (4)非恒定流条件下，坝体周围水面比降极值出现时间在流量极值出现之前，且同流量下涨水期纵比降要大于落水期纵比降;坝头极限冲深、范围及坝体的水毁程度远大于径流总量相同下的恒定流水体的作用。
　　 (5)随着流量增加，坝头流速增大，坝头冲刷坑逐步发展，坝头块石因失去河床的依托，开始失稳滑落;当首次洪峰来临、流速陡增，冲刷坑发展迅速，坝头、背水坡和坝顶往往出现突发性的块石坍塌水毁;随着后续水流的涨跌，坝头冲刷坑的发展相对平缓。
　　 (6)坝体水毁是周围河床变形与汛期流量增大的自身适应性反应;坝头螺旋流、主流、翻坝水流的综合作用下，坝顶处流速与比降迅速增大，坝头涡体随着下潜水流运动到坝头与坝面后破碎、撞击、分离，形成很大的能量，脉动流速很大，使坝头松动的块石直接被水流带走，形成突发性坝体溃缺。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 丁坝水毁研究现状

1．2．1 丁坝周围水流结构

1．2．2 冲刷坑深度和范围

1．2．3 丁坝水毁原因

1．3 非恒定流研究现状

1．3．1 非恒定管流研究现状

1．3．2 明渠非恒定流研究现状

1．4 本文的研究思路和主要内容

1．4．1 本文的研究思路

1．4．2 本文的主要工作

第二章 长江上游丁坝水毁特征与非恒定流过程分析

2．1 丁坝水毁特征分析

2．1．1 坝体水毁部位及破坏程度

2．1．2 坝体水毁的主要影响因素分析

2．2 非恒定流过程分析

2．2．1 资料的审查

2．2．2 非恒定流过程

2．3 本章小结

第三章 模型设计、量测设备与试验内容

3．1 非恒定流概化模型设计

3．1．1 原体河段丁坝特征分析

3．1．2 模型丁坝设计

3．1．3 模型其它比尺确定

3．1．4 模型沙的选择

3．1．5 非恒定流过程的一维一阶概率模型

3．2 非恒定流量测系统

3．2．1 流量测量

3．2．2 水位测量

3．2．3 流速测量

3．3 水流运动特性试验

3．4 清水定床试验

3．4．1 定床试验方案

3．4．2 试验观测内容

3．5 清水动床冲刷试验

3．5．1 动床试验方案

3．5．2 试验观测内容

3．6 本章小结

第四章 非恒定流下丁坝附近水流特性

4．1 丁坝附近水流结构

4．2 水面的变化

4．2．1 水位变化

4．2．2 横向水面线的变化

4．2．3 纵向水面线的变化

4．2．4 水面比降的变化

4．2．5 水面线的平面分布

4．3 流速的变化

4．3．1 各测点流速变化特征

4．3．2 流速横向变化

4．3．3 流速纵向变化

4．3．4 坝体周围二维平面流场

4．3．5 翻坝水流速

4．4 本章小结

第五章 非恒定流下丁坝水毁机理

5．1 丁坝局部冲刷机理分析

5．2 非恒定流下丁坝冲刷坑形成过程

5．2．1 坝头冲刷及床面变形过程

5．2．2 冲刷坑的发展过程

5．2．3 坝头最大冲刷深度

5．2．4 影响冲刷坑大小的主要因素

5．3 非恒定流下丁坝水毁过程

5．3．1 丁坝水毁过程

5．3．2 丁坝水毁特点分析

5．3．3 与恒定流丁坝水毁对比

5．4 非恒定流下丁坝水毁机理分析

5．4．1 坝头水毁机理

5．4．2 坝身水毁机理

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文主要结论

6．2 创新点

6．3 研究展望

参考文献

致谢

在学期间发表的论著及取得的科研成果