关于溃坝问题水动力特性的实验研究

摘要

溃坝通常指蓄水库围堰突然坍塌进而在水库下游形成溃决洪水造成人类生命、生态环境和生产经济巨大损失的灾害性事件。溃坝问题的研究并不局限于内陆区域，在海岸工程方面也存在十分重要的研究意义。研究溃坝水流的演变过程有利于理解海啸与涌潮的水动力传播特性，从而为海岸带防灾减灾策略的制定提供科学依据。本文采用物理模型试验研究了溃坝波的水动力特性。
　　实验中，将多种设备连接至计算机并辅以相关软件，通过观察高速相机记录的图像，解决了高采集频率下的波高仪、流速仪和高速相机的时间同步问题。同实验条件下多次的实验结果表明本研究的实验具有足够的重复性和可靠性，满足研究分析要求。
　　对室内实验而言，闸门开启速度是影响溃坝波水动力特性的重要因素。相对于距离闸门较远的位置而言，闸门开启速度对距离闸门较近位置的水位和流速的影响更大。而随着时间的推移，这种影响逐渐减小。在此基础上，本研究进行了一系列的闸门快速开启的溃坝实验，包括下游初始干床和湿床两种情况，研究了下游初始水深、上下游水头差、上游水箱长度等因素对溃坝波水位和流速的影响。干床与湿床情况下的溃坝波水位和流速存在显著不同。上下游水头差相同时，湿床情况下的正向波前速度明显小于干床情况的。此外，下游观测点的最大水位和流速主要受上下游水头差的影响，而水位和流速较大值的持续时间则主要由上游水箱长度决定。考虑到闸门处是一个非常特殊且重要的位置，本文利用高速相机记录的图像，得到了闸门处的水位随时间的变化。在对比了实验结果与既有理论结果的基础上，给出了各理论解的适用范围。总体而言，对于下游/上游初始水深比小于0.138的情况，Lin等的理论解与实验结果的吻合度较高。
　　本文利用物理模型实验，较为系统地研究了溃坝波的水动力特性。将实验结果与理论结果进行对比，归纳分析了理论解的适用性。与此同时，本研究的溃坝实验数据可以为数值模型提供精准可靠的验证资料，为进一步研究溃坝波特性打下了良好的基础。

目录

声明

致谢

摘要

附图

表格

物理量

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 理论分析

1．2．2 数值模拟

1．2．3 实验研究

1．3 研究内容

2 溃坝物理模型实验

2．1 实验设备

2．1．1 实验水槽

2．1．2 开门设备

2．1．3 测量仪器

2．2 时间同步化

2．2．1 存在问题

2．2．2 解决方案

2．3 实验设置

2．3．1 机械式开门

2．3．2 重力式开门

2．4 实验重复性

3 实验模型比尺效应分析

3．1 相似原理

3．2 相似准则

3．3 相似分析

4 闸门开启速度影响分析

4．1 实验设置

4．2 下游干床情况

4．3 下游湿床情况

4．4 本章小结

5 溃坝波水动力特性分析

5．1 下游初始水深的影响

5．2 上下游水头差的影响

5．3 上游水箱长度的影响

5．4 正向波前运动速度分析

5．5 测量点最大水位分析

5．6 干床条件下波形变化

5．7 本章小结

6 闸门处水位变化分析

6．1 实验情况

6．2 水位数据验证

6．3 闸门处水位变化

6．4 实验结果与理论结果对比

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历