【摘 要】
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堆积体是地质灾害频发地区中潜在风险较大的河道障碍物,尤其以汶川地震后四川地区各流域范围内分布较为密集。当处于有利的地形条件时,堆积体在暴雨季节很可能发生失稳成为灾害点,并对流域内电站的安全运行产生威胁。在暴雨频发的汛期内,许多堆积体便处于淹没状态中,研究淹没堆积体附近的水流特性,能丰富堆积体附近水流结构的研究成果,为汛期受堆积体影响的河道治理优化方案提供支持,还可为后续堆积体起动试验打下基础。本文
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堆积体是地质灾害频发地区中潜在风险较大的河道障碍物,尤其以汶川地震后四川地区各流域范围内分布较为密集。当处于有利的地形条件时,堆积体在暴雨季节很可能发生失稳成为灾害点,并对流域内电站的安全运行产生威胁。在暴雨频发的汛期内,许多堆积体便处于淹没状态中,研究淹没堆积体附近的水流特性,能丰富堆积体附近水流结构的研究成果,为汛期受堆积体影响的河道治理优化方案提供支持,还可为后续堆积体起动试验打下基础。本文以数值模拟为主,并以水槽试验验证数值模型,设置不同流量、堆积体进占比以及堆积体侧向坡度,分析堆积体附近的时均水流特性、紊动特性及下游回流区特性,主要研究成果如下:(1)分析了淹没堆积体附近的水面线变化。淹没堆积体与非淹没堆积体的沿程水面线变化规律并无明显差异。在淹没状态下,堆积体对低于其顶部的水流仍起到调节作用,但这种调节作用随着淹没系数增大而减小。另外,虽然淹没堆积体的滞留区在水流实景上不易观察,但阻水作用仍然存在,并且淹没状态下的回流区紊动将进一步扩散到堆积体段内。(2)分析了淹没堆积体附近的纵向流速变化。淹没堆积体与非淹没堆积体的弗劳德数沿程变化规律并无明显差异,但淹没状态下的弗劳德数普遍小于1,因此很难产生水跃现象。动力轴线在堆积体段内会向堆积体侧偏移,因此堆积体段内水流对堆积体冲刷作用较为明显。与非淹没状态相比,淹没堆积体在回流区的流速变化区别较大,淹没系数通过改变回流区范围影响流速变化规律,并且只在一定流层以上受到回流区的影响,流速沿水深呈先增大后减小的趋势,越靠近表层,受到回流区的影响越强。(3)分析了淹没堆积体附近的水流偏转变化。偏转主要发生在堆积体段,偏转方向在堆积体中轴线处发生改变,在渐缩段内向右岸偏转,在渐扩段内向左岸偏转,回流区内越靠近左岸边壁偏转越大。与非淹没堆积体相比的偏转规律同样在回流区的区别较为明显,淹没系数通过改变回流区范围影响偏转沿水深的分布规律,使得某一流层上下偏转角正切值出现正负交替或在近水面产生突变。(4)分析了淹没堆积体附近的紊动能变化。受回流区影响以下的流层,紊动能主要受水流扩散影响,强紊动区位于堆积体段及下游主流区,越往下游,紊动能会逐渐减小,但仍大于上游区域。受回流区影响以上的流层,回流引起的紊动能大于水流扩散引起的紊动能,强紊动区转移到回流区附近,并且流层越高,回流区的紊动能和影响范围也越大。对于近底层紊动能,淹没系数较小时,受到回流区的影响相对明显,其最大紊动能主要出现在回流区附近,随着淹没系数增大,回流区对底层产生的影响逐渐减小至消失,此时水流扩散引起的紊动成为主要因素,强紊动区位于主流区内。(5)分析了淹没堆积体下游回流区特性。水流只在一定流层以上受到回流影响,并且流层越高,回流现象越明显。水流在绕过堆积体顶部后下泄,会沿着堆积体表面形成下沉水流,在堆积体出口段底部发生折冲后向上流动,并与主流区向左岸的扩散水流结合,最终在回流区下边界形成朝向上游的逆流。因此,淹没堆积体下的回流区是由主流区高速水流与回流区下沉水流共同影响而成。淹没系数越大,逆流位置越靠近堆积体,进而推动回流区向上游发展,涡流区的长度和宽度减小,回流区范围随之减小,最后因为堆积体本身阻挡而消失。同时,逆向流动不断变弱,最终回流区会逐渐消失,并且涡流区相对长度与宽度与阻水率具有较好的正相关关系,随着阻水率增大,回流区的范围也增大。另外,下沉水流还会使得回流只在一定流层以上产生影响,受回流影响的流层高度与淹没系数成正比。
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