闸坝工程泄水及其下游覆盖层局部冲刷统一数值模拟

The water discharge capacity of water discharge structures and the local scour pit morphology of covering layer downstream of gate and dam projects are two important parameters for safety design, and the research now is mainly based on the physical model test. In view of the long test cycle of the physical model, high cost and the shortage which cannot analyses the effects of flow condition on scour pit, and other defects, this project aims to develop a mathematical model and calculation method focusing on the problem of scouring of the covering layer downstream of water discharge structures based on the reliable measured data, and fulfills the unified simulation of water discharge and scour pit morphology. Firstly we select the typical layout of water discharge structures, bed sediment gradation composition and other parameters, and then observe the velocity distribution, water depth, the bed shear stress, repose angle and sediment grain size and distribution on slope and other elements in scour pit as the foundation and the validation data, to rich and broaden the flow field information with the help of the hydraulics model, establish the incipient motion formulas of sediment on slope, and develop the mathematical model of sediment scouring and silting; through the prototype observation data and mathematical model to confirm each other, so that the prediction precision of mathematical model could achieve the requirement of engineering design. The entire research would enhance the overall forecast level of water discharge capacity and scour pit pattern, shorten the design cycle of gate and dam projects, reduce the investment, and make design and research rise to a new level.

闸坝工程泄水建筑物泄流能力及其下游覆盖层局部冲刷坑形态正确预测预报是闸坝安全设计的两个重要参数，目前该项研究工作主要建立在物理模型试验基础上。鉴于物理模型试验周期长，费用高及不能确切分析水流条件对冲刷坑影响等缺陷，本项目拟在可靠的实测数据基础上，发展针对泄水建筑物下游覆盖层冲刷问题的数学模型和计算方法，实现对枢纽泄流及下游冲刷坑形态统一模拟。首先选取典型的泄水建筑物布置型式、床沙级配等参数，观测研究泥沙典型断面流速分布、水深、床面剪切应力、水下休止角和斜坡上泥沙粒径大小和分布等要素，以此作为基础和验证数据，辅助以水力学模型丰富、拓宽流场信息，建立斜坡上泥沙起动公式，发展泥沙冲淤数学模型；通过原型观测数据与数学模型相互印证，使数学模型预报精度达到工程设计要求。整个项目研究将会提升枢纽泄流能力及冲刷坑形态预测预报整体水平，缩短闸坝工程设计周期，减小工程投资，使设计、研发上升一个新台阶。

观测分析了典型水电站枢纽下游的水流流态、流速分布、下游冲刷坑冲刷深度及形态，建立了下游冲刷坑冲刷深度及位置公式，分析总结了冲刷坑形成过程的几个主要发展阶段、特征、最终冲刷坑形态及冲刷坑最深点距护坦末端的距离等参数。该研究为水电站等工程消能防冲设计提供了设计依据。.基于ANSYS FLUENT软件，利用自编程序，采用动网格模型、弹簧光顺模型和局部重构模型，实现了泄水建筑物下游泄流能力及其下游覆盖层局部冲刷坑最终形态及冲刷深度的数值模拟。该研究将大大缩短闸坝工程设计周期，减小工程投资，使工程设计、研发上升一个新台阶。.通过自制的抽板泥沙休止角测量仪器，测量了泥沙在空气中和水中的休止角。试验发现，泥沙在空气中的休止角和水下休止角均随着粒径的增加而增大，空气中休止角大于水下休止角。此外，泥沙外形形态对休止角影响很大，同一粒径级椭球形卵石的休止角最大，扁平形卵石次之，接近圆球形卵石的休止角最小。该研究为数学模型计算中网格移动、动边界网格自动调整及数值计算顺利进行提供了技术支持。.通过自行设计的试验装置，测量并分析计算了均匀玻璃球及卵石纵向水平间距、暴露角、暴露度及其概率密度分布，首次从试验角度确定了相对暴露度的取值范围及概率密度分布规律。泥沙相对暴露度反映了泥沙在床面上的相对位置，就其分布而言，具有较大的随机性。相对暴露度的大小，直接决定着床面上泥沙颗粒所受到的作用力和起动力矩大小，最终决定着泥沙能否起动，因此，泥沙相对暴露度的研究具有重要的理论意义及实用价值，为进一步研究泥沙起动和输移规律奠定了坚实基础。.观测分析了冲刷坑内床面切应力分布、典型断面垂线流速分布，泥沙起动起动形式，分析研究了泥沙起动机理及起动模式，建立了正坡、负坡及正反坡、凹岸斜坡、双向坡任意方向等复杂岸坡条件下泥沙起动流速公式。研究丰富和拓宽了泥沙起动理论，特别是双向坡任意方向泥沙起动公式，可方便应用于冲刷坑冲刷模拟过程。