复杂环境条件下,水利工程泄洪建筑物会出现正向和侧向进水并存的复合式进水工况,导致其进水口方向与河流主流方向不一致,进水口前产生的漩涡特性复杂,使得常规消涡措施效果并不理想。针对复合式进水工况下泄洪洞存在的漩涡问题,依托某抽水蓄能电站开展模型试验研究,分析漩涡产生原因并提出消涡思路,设计消涡措施。结果表明:在水流进口侧,缩短消涡梁间距可有效截断漩涡增大路线;同时,在布置3根消涡梁基础上,增设3块贴合进口形状的30°三角消涡板,并延长中间消涡竖梁宽度的方法可增加消涡能力。该方法可将直径7.5 cm的吸气漩涡彻底消减为直径0.1~0.3 cm的表面漩涡,达到完全消除复合式进水工况下吸气漩涡的目标。研究成果可为类似进水口的消涡设计提供有效参考。

调整段作为抽水蓄能电站侧式进/出水口的重要组成部分,其长短直接影响到进/出水口双向过流条件下的水力特性及工程造价,因此开展相关研究具有重要意义。在两河口抽蓄电站侧式进/出水口体型的基础上,分析了调整段长度对侧式进/出水口水力特性的影响规律。结果表明:①发电工况(出流)下,调整段长度的增加,可降低进/出水口水头损失,均化拦污栅断面流速;抽水工况(进流)下,调整段长度的增加,可降低进/出水口水头损失。②当调整段长度L与扩散段长度T满足L≥0.3T时,进/出水口双向过流的水力特性较好;当0.1T≤L<0.3T时,进/出水口双向过流水力特性略差但满足规范设计要求。研究成果可为调整段的设计及优化提供支撑。

采用Bently Hammer软件分析了事故工况运行条件下奇台高压自流输水工程5种不同支管布置方案下的水力过渡过程。结果表明,在符合支管额定供水量的前提下,小管径支管并联布置代替单根大管径支管输水,能有效减少水锤波在管内反射、叠加次数,降低输水系统水锤压力,缩短压力波动时长。并联支管数从2根增至5根的过程中,最危险事故工况下主管、支管内最大水锤压力相较于单根大管径输水方案最大减幅为10.32%和48.75%;各事故工况下主、支管管内压力波动时长最大减小了63.16%和46.15%,同时消除管线负压力水头防护负压力水锤。研究发现当支管与支管连接位置处主管管径比值(β)满足0.12<β<0.28区间时,能稳定输水系统水力过渡过程又兼具经济实用性。

某引水发电枢纽兼具引水和发电功能,但其引水闸和电站机组间尚未建立流量自适应调节机制,在发电机组紧急停机的情况下无法快速启动引水闸进行流量的平衡补充,因此会造成引水渠内水位和流量的大幅波动。按照在最短时间采取最有效应对措施恢复进入总干渠流量的目标要求,确定了引水发电枢纽的应急调度原则,结合电站机组和引水闸的水位流量关系以及发电机组限制条件和引水闸门开启条件,提出了自适应应急调度策略。选取机组甩负荷的典型案例进行模拟计算,分析了应急调度扰动下明渠内水力响应过程,研究表明:通过建立的自适应应急调度策略进行调度调控能明显缩短决策反应时间,减小渠道水位波动,典型断面最大水位波动降幅达到40%以上、最大流量波动降幅达到58%。

卜形岔管在含沙条件下运行易受泥沙颗粒冲蚀磨损破坏,直接威胁管线安全运行。采用数值模拟方法,结合物理模型试验,研究了岔管内部固液两相流动。分析了岔管的磨损特性和关键影响因素,并探索了椭圆弧形倒角对岔管磨损分布的影响机制。结果表明:岔管的主管进口、出口附近磨损较严重,裆部次之,支管最轻;颗粒质量流量对岔管磨损分布影响最大,颗粒冲击速度次之;通过设置椭圆弧型倒角,可顺畅水流运动、降低颗粒作用于管壁的质量流率,从而减轻主管出口和岔管裆部的磨损,相应位置的平均磨损量较圆弧形倒角岔管分别降低了22.26%、21.03%;数值模拟结果与试验结果吻合良好,证明了数值模拟方法的可靠性。研究成果可为岔管设计提供参考。

基础冲刷是导致跨河桥梁水毁的主要原因之一。归纳了跨河桥梁基础冲刷近60 a来的研究成果,总结了一般冲刷、束窄冲刷和局部冲刷3个方面的研究进展,并分析了现有研究的不足。过去60余年,国内外学者基于水槽试验、原型观测、数值模拟等方法,围绕跨河桥梁基础冲刷开展了大量研究,取得了一系列研究成果,显著提高了跨河桥梁基础冲刷的设计水平。由于已有跨河桥梁基础冲刷研究多局限于顺直河道、非黏性河床、单桩结构等简单边界条件,研究方法多基于水槽试验和特定桥梁的原型观测结果,较少考虑人类扰动对河床演变的影响,相关结论和设计方法的适用性和可靠性有限。未来研究需要更好地将水槽试验、原型观测、数值模拟、理论分析、人工神经网络、深度学习等方法进行融合,系统深入开展受人类扰动影响和复杂边界条件的跨河桥梁基础冲刷研究,完善跨河桥梁基础冲刷的理论体系,提出适用性更广、可靠性更高的冲刷设计方法。

涵洞是沟通河系、连接生物生境的重要通道,在其中布置小型挡水结构可有效减小局部流速,增加弱游泳能力鱼类上溯成功率,提高涵洞的生态效益。为明确设置三角形挡水隔板涵洞内水力特性,在水槽单侧布置多个三角形挡水隔板模拟涵洞中的小型挡水建筑物开展水槽试验研究,利用SonTek声学多普勒流速仪(ADV)采集三维流速数据,分析挡水隔板后流速分布、湍流特性、动量输运模式等,论证增设三角形挡水隔板系统对促进弱游泳能力鱼类(小鳈)上溯行为的可行性。研究结果表明:增设三角形挡水隔板,主流区流速仍能维持为25~30 cm/s,对主流区流速影响较小;在隔板边壁产生稳定的低速区(LVZs),其流速为-4~15 cm/s,相较光滑侧壁水槽低速区的面积占比由5%~10%增加为14.80%~18.07%;挡水隔板下游低速区水流湍动能和雷诺应力明显大于无挡水隔板侧的高速区,但未超过相应的鱼类游泳偏好阈值;水流动量交换以喷射和扫掠形态为主,该瞬时形态可提供更适宜弱游泳能力鱼类游动的流动环境。

弯道水流引起的凹岸侵蚀、凸岸淤积是河道治理的主要问题之一。为探明新型河道整治构筑物——调流桨片系统在弯道河流治理中的适用性,通过三维数学模型模拟180°U型弯道设置调流桨片前后的水流流场。结果表明,调流桨片顶部位于自由面以下0.3倍水深时,凸岸区纵向流速增大13.64%,弯道中心区最大横向流速减小37.63%,当调流桨片顶部上升至自由面附近时,凸岸区纵向流速增大21.67%,弯道中心区最大横向流速减小70.33%。调流桨片截断了横向环流,使顺时针旋转的单涡环流结构分解为与原单涡方向相同的2个涡体,加剧水流能量耗散,减小水流横向输移强度。横向流速减小、凸岸纵向流速增大有利于凸岸疏浚,为弯曲型河道治理提供了新的方法。

洞内消能即在隧洞内布置消能工,可优化枢纽布置、降低造价,在引调水工程中应用较为广泛。然而洞内消能水流流态复杂,理论性计算无法满足设计要求。以某灌区渠首引水隧洞洞内消能工为研究对象,通过大比尺水工模型试验,验证渠首引水隧洞洞内消能设计参数的合理性;并通过优化试验,提出适用于洞内消能的“消力池+消波梁”组合消能布置型式,解决洞内波浪高、洞顶余幅不足、空蚀空化等问题。研究结果表明:①无压洞内最大波浪高度减小67%,洞顶余幅可满足安全输水条件;②工作闸门后底板堰面曲线段和边墙扩散段局部最小水流空化数约0.37,堰面出现空蚀空化的可能性较低;③消力池底板沿程测点水流脉动压力均方根均未超过1.0×9.81 kPa,满足结构设计要求。与传统下沉式消能工相比,本文提出的“消力池+消波梁”组合消能型式消能效率显著提高,具有更好的消能特性,水工模型试验验证了优化方案的可行性。消能方案对于解决类似工程洞内水面波动大、难以满足洞顶安全余幅的问题效果显著,消波梁作为洞内消能工,对隧洞过流能力几乎不构成影响,具有一定的普适性。研究成果可为大型灌区渠首消能设计提供参考和借鉴。

长距离重力流输水系统在大流量输水期间需开启首部泵站加压供水,形成重力流加压联合输水,如遇事故停泵极易引起管线内水柱分离,产生弥合水锤威胁工程安全。采用特征线法对空气阀、空气阀+末端阀联合、空气阀+末端阀+溢流管联合、空气阀+空气阀调压室联合4种水锤防护方案开展水锤数值模拟。结果表明:对长距离重力流加压联合输水系统,利用末端阀关闭形成增压波无法有效改善管内负压效果,还可能带来管内最大压力超标问题;利用调压管和空气阀组合的空气阀调压室兼顾了补水和补气功能,与空气阀联合防护对于管内正、负压均有良好的防护效果,可作为长距离重力流加压输水系统的首选防护手段。

为了解桑河二级仿自然鱼道的过鱼效果,采用水力学条件监测、红外线水下视频监测和下闸排空捕捞的方法对鱼道内的水力学参数及过鱼种类组成、体型分布等进行统计分析。结果表明:鱼道内蛮石缝间的平均流速为0.79 m/s,通道内的平均流速为0.635 m/s,符合流速设计要求。监测期间调查统计到过鱼数量共计3 954尾,隶属9目、14科、21属、24种,种类组成以鲤形目为主,占75.99%,鱼类个体数量以头孔无须魮最多,黄尾短吻鱼、裂峡鲃次之,过鱼体型集中在体长10~20 cm、体宽0~5 cm范围内。鱼类洄游游向不同并具有昼夜差异和季节差异,监测到的鱼类中有68%通过鱼道上溯,白天(6:00~18:00)过鱼效果显著优于其他时段,过鱼季节集中在7—8月份,原设计过鱼季节选在4—8月份基本合理。桑河二级仿自然鱼道为鱼类洄游提供了通道和适宜的水流环境,具有良好的过鱼功能,对该流域的鱼类保护具有重要的意义。

基于两河口泄洪洞进行机理试验,研究了在不同过流条件下3种掺气坎的水流流态、动水压强、通气空腔、风速及水体掺气浓度的变化规律,分析了现有空腔长度、气水比及含水比计算公式对本工程试验的适用性,为后续工程开展及本领域研究提供基础。研究结果表明:泄洪流量越大,水流掺气现象越明显,时均压强与脉动压强均方根峰值越大,气水比、空腔负压、空腔长度等水力参数越大。在相同流量下,掺气浓度沿程逐渐增大,且垂向掺气浓度分布依次出现“C”形、“S”形及“一”字分布规律;在同断面不同流量下,掺气浓度随着流量的增大而增大,且垂向掺气浓度分布依次出现“一”字、“S”形及“C”形分布规律。通过对现有计算公式的分析和探讨,认为时启燧空腔长度计算公式、陈肇和气水比计算公式及Hall含水比计算公式对本工程适用性最好。

研究分水口对闸前流态的影响以及不同边坡和分水角下梯形节制闸的流量系数和水头损失的变化规律,建立梯形节制闸流量公式,探究梯形节制闸水头损失规律,为灌区量水控水精确化提供支持。试验设置了3个边坡(m=1.5、1.75和2)、5个分水角(θ=30°、45°、60°、75°和90°)、不同开度、不同水头共495组试验,进行梯形节制闸门在分水条件不同时的过流试验,观察分水口流态并分析成因;运用量纲分析法建立梯形节制闸流量公式,计算节制闸的相对水头损失。在节制闸前形成了回水区,节制闸流量计算公式的决定系数R²=0.934,流量的平均相对误差为2.83%,相对水头损失随节制闸的相对开度增大而减小。梯形节制闸门的流量公式精度较高,可为灌区梯形渠道流量测量提供依据。

运河通航水流条件直接关系着船舶航行安全,通过整治工程能够有效改善对通航不利的水流条件。平陆运河工程对原河道加宽挖深后,原河道沿线汇入支流会与运河产生较大河底高程差,支流直接以高落差入汇会对干流通航水流条件产生不良影响。新坪水支流是其中与运河具有较大河底落差与较大交汇角度的代表性支流之一,为确保平陆运河通航顺畅,通过定床河工模型试验,研究新坪水支流汇入口河段通航水流条件,提出整治方案。结果表明:在运河修建基础上,加宽干支流河道、沿支流口增设消力池及导流堤后,各洪水工况下的通航水流条件均得到显著改善。研究结果能为类似河段航道整治提供参考。

基于三峡和葛洲坝电站2018年实测水位、流量数据和一维解析模型,重点讨论了梯级电站调峰驱动的洪水波在两坝间河道的传播过程。在三峡和葛洲坝同时进行日调峰的背景下,2个电站的出库流量均呈显著的日波动和半日波动现象,两电站的流量日波动幅度平均分别在1 500~2 000 m³/s和1 200~1 500 m³/s之间,黄陵庙和南津关两个水位站的水位日波动幅度均在0.5~0.8 m之间。基于一维解析模型能够很好地模拟和再现两坝间河道的水位和流量波动过程。模型模拟结果分析表明,两坝间河道洪水波以周期为1.2 h的高频驻波进行传播,驻波的最大水位和流量振幅分别约为2.1 cm和210 m³/s。该洪水波是由两个电站调峰流量共同驱动和叠加生成的,下游葛洲坝电站调峰时间对河道洪水波有显著影响,若将调峰时间由现行的0.6 h调整到1.2 h,洪水波振幅将显著增强。河道底摩擦因数对洪水波生成时的波高影响较小,但会影响洪水波在传播过程中的衰减速度。

三峡大坝自2003年建库蓄水以来,泄洪消能建筑物经历了多场大洪水考验。为进一步总结三峡泄洪消能建筑物设计及实际运行情况,在三峡水利枢纽大坝安全首次定期检查期间,对三峡工程的泄流能力进行了全面复核。通过黄陵庙水文站实测数据复核了电站机组过机流量曲线,实测电站出流数据表明,水轮机出力曲线计算得出的左岸电站、右岸电站和地下电站机组流量均能准确反映真实的电站过机流量。复核了深孔和表孔的实际泄流能力,并和设计值与模型试验值进行了对比,通过对比可知,深孔实测泄流能力和设计值相当;表孔实测泄流能力,较设计值略微偏大;深孔和表孔实测联合泄流能力和设计值基本一致。

针对原消力池流态紊乱、水面波动大,形成的远驱式水跃对护坦造成冲刷破坏等问题,采取趾墩-梯形墩联合消能的方式,对水力特性展开研究。通过模型试验结合数值模拟方法,研究了不同流量下的消能变化规律,分析了水流能量转化过程,计算了流速减速比。结果表明:趾墩-梯形墩联合消能工,当双排梯形墩交错布置时,在3种流量工况下,减速比分别为60.00%、75.34%、73.75%,相较原消力池,跃长依次缩减11.29%、14.17%、10.22%。按照消能方式可分为4个区域:收缩分流区、水跃旋滚区、两侧漩涡区和跃后主流区。该研究可为联合消能工设计及消力池体型优化提供参考依据。

目前鱼道效果评价多采用网捕、PIT跟踪等手段直接评价过鱼数量和效率,存在工作量大、周期长、诊断识别非生物工程问题困难等不足。基于我国鱼道效果已有监测数据,构建鱼道效果评价指标体系,涵盖水力条件适宜度、环境因子适应性、内部结构符合度等非生物指标和过鱼有效性等生物指标。典型相关分析表明,进口流速指数、孔缝宽度指数和池室消能指数等水力与结构指标对鱼道效果影响较大,指标权重分别为0.23、0.16和0.15;耦合模糊评价理论,构建了基于非生物指标的鱼道效果评价模型。案例分析表明,模型评价结果与直接监测结论相符,模型可靠性较好,可为我国鱼道运行管理提供技术支撑。

溢洪道转弯段消力池受弯道离心力和惯性力影响,往往会出现流态不佳、两岸水深和流速分布不均等不良水力现象。为探索该复杂水流问题,以新疆XBT水库溢洪道消力池为研究对象,设计17个模拟方案,将流态、水深、平均流速和消能率作为研究指标进行分析与评价。研究表明:不同模拟方案对转弯段消力池内部水力特性影响不同;为改善转弯段消力池内不良水力现象,将池深加深至6.55 m、采用矩形敞口出口型式并联合9根交错糙条可取得最佳流态,即中后段壅水问题得到解决并消除了凹岸水流溢出边墙现象,此时凹岸水深相较原方案降低30.22%,两岸水位差仅为0.02 m;通过对消力池内典型断面平均水深和动能计算,消力池出口断面平均水深相较原方案降低了49.97%,消能率由18.97%提高至62.63%。

为了揭示相向对撞壁面射流中径向和垂向射流特性,采用RNG k-ε模型对相向对撞壁面射流进行三维精细模拟,分析相向对撞射流产生的径向射流、垂向射流的分区结构和扩展率,探讨初始雷诺数和喷嘴间距对射流扩展率的影响。结果表明,径向射流和垂向射流分区结构类似,但流场中形成的径向和垂向漩涡影响范围不同。射流初始雷诺数对径向射流扩展率影响不明显,喷嘴间距对径向和垂向射流的扩展率影响明显,且喷嘴间距越大,径向射流和垂向射流的扩展率越大。此外,喷嘴间距对射流发育过程有一定影响,喷嘴间距越小,射流到达最大速度点所需时间越短、射流发育过程越快。