土石过水围堰溢洪水力特性研究

土石过水围堰是山区河流较为经济、合理的导流方式。溢洪工况的水力条件，直接关系土石过水围堰的度汛安全。目前围堰过流研究主要针对具体工程进行水工模型试验，溢洪全域特性的系统研究成果较为缺乏。申请项目拟进行系统的单体、整体模型试验，运用紊流数学模型开展三维数值模拟，研究土石过水围堰溢洪的水力特性。通过综合分析围堰体型、落差分配、消能方式及水力衔接等，寻求改善水力条件的途径，获得有利于减小堰面、基坑冲刷的系统研究成果。研究混凝土楔形护板迎水面动压、跌坎分离流及负压分布，分析跌坎高度、长度及坡度等参数，建立水力优化计算模型，为渗透排水、堰面防护提供理论依据。分析过堰水流运动规律，探讨小流量工况水力相似关系，得出克服缩尺效应的有效方法。项目研究可为土石过水围堰设计、防洪应急预案等提供重要的科学依据，对施工导流工程具有广泛的应用前景。

土石过水围堰是较为经济、合理的导流方式，适用于流量季节性变化悬殊的山区河流。作为需要具有挡水、溢洪双重功能的临时水工建筑物，安全问题至关重要。现阶段围堰过流研究主要针对具体工程进行水工模型试验，对上、下游围堰全域溢洪问题的系统分析还较为缺乏，混凝土楔形护板流场特性还鲜有研究报道。由于涉及范围广、边界复杂和曲线水面等，采用数学模型研究过水围堰溢洪有较大困难。项目开展了围堰溢洪的全域三维数值模拟，综合分析过堰水流的运动规律，总结出改善水力条件的有效途径。对消能方式、水力衔接等进行系统研究，提出了用于过水围堰消能平台的水垫池方法。物理模型和数值计算的研究表明：通过在消能平台上设置水垫池，可明显改善消能防冲效果，能有效减轻水流对护面及堰脚的冲刷破坏。混凝土楔形护板跌坎区相对尺度较小，模型实测较为困难，其特有的水力现象多限于定性分析。发挥数值模拟的优势，项目对楔形护板溢洪流场进行系统计算分析，获得了迎水面动压、跌坎分离流及负压等定量的水力数据，研究成果为渗透排水、堰面防护等提供了可靠依据。分析楔形护板受力稳定特征，结合工程实际提出了一种带挑压坎的土石过水围堰护板。研究表明：通过在楔形护板末端设置挑压坎，能改善水流对楔形护板的作用力，有利于土石过水围堰的护面稳定，同时还有增强堰面消能的效果。对子堰溃决开展了数值仿真研究，获得了完善的瞬态数据，研究成果有助于分析围堰初始过流问题。项目取得了土石过水围堰水力优化的系统研究成果，可为围堰设计提供重要的科学依据，对保障度汛安全具有较强的实用价值，对施工导流工程具有广泛的应用前景。