水下淹沒(méi)建筑物局部流場(chǎng)數(shù)值模擬及河床沖刷分析

談河床調(diào)節(jié)建筑物迎水面傾斜度對(duì)局部沖刷的影響

根據(jù)水流擴(kuò)散和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)理論,水工建筑物的局部沖刷可用新的方法預(yù)測(cè)。這種方法可適應(yīng)各種幾何和水流條件,沖刷預(yù)測(cè)的結(jié)果比以前憑經(jīng)驗(yàn)確定的好。

談河床調(diào)節(jié)建筑物迎水面傾斜度對(duì)局部沖刷的影響

工99o年l2月水電工程研究第2期 論龔嘴水電站壩下游河床局部沖刷 冉隆義趙偉 r攫要l本文根據(jù)愿型據(jù)刪的坤淤地形及洪水資料．分析、論述了龔嚼水電站下游河床局 部沖剮問(wèn)題。建志了局韶沖深經(jīng)驗(yàn)公式，并對(duì)沖坑形狀的特征數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)算，可供夸唇工程 設(shè)計(jì)參考。 一 ，刖舌 龔嘴電站位]=眠江支流渡河巾下游的蛺谷河段上，是一雎發(fā)電為主兼顧漂木、 航運(yùn)的綜臺(tái)性水利樞紐。裝機(jī)釋量7o萬(wàn) kw龔嘴電站的泄洪建筑物，還承擔(dān) 了漂術(shù)過(guò)壩及排沙任務(wù)。主泄洪區(qū)設(shè)在 河床中部，布置有3孔寬12m的漪流壩 (7#、8、9壩段)及兩側(cè)各蹬一·5 8m的大底孔(6#、10壩段)。溢流壩 壩頂高程506．0r】l，鼻坎商稚7i．0m， 鼻坎術(shù)端在(壩)o+goe1，下游設(shè)20 12}＆的短護(hù)

選取黃河沙質(zhì)河床實(shí)測(cè)資料和模型試驗(yàn)數(shù)據(jù),運(yùn)用圖示判斷法、相關(guān)系數(shù)法及相對(duì)誤差法等方法,對(duì)具有代表性的6家丁壩局部沖刷公式進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:張紅武公式、波爾達(dá)科夫公式同黃河實(shí)測(cè)資料最為符合,計(jì)算精度較高,對(duì)與丁壩局部沖刷相關(guān)的水流泥沙特征因素的反映較為全面,可作為黃河河道整治工程設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

對(duì)平底靜水池、加設(shè)消力坎及兩排消力齒的消力池、臺(tái)階消力池的水流沖刷。在論證各家計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，推薦了最優(yōu)計(jì)算方法及采用的計(jì)算公式，并附有計(jì)算用的輔助曲線(xiàn)

建筑物繞流是一種典型的鈍體繞流形式,而鈍體繞流通常具有非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特征,本文主要工作是對(duì)建筑物繞流的非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。首先采用了rngk-ε模型對(duì)方柱繞流進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬研究,通過(guò)與實(shí)驗(yàn)以及大渦模擬結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)rngk-ε模型可以獲得滿(mǎn)意結(jié)果;接著又對(duì)一種典型的建筑物繞流形式進(jìn)行數(shù)值模擬研究,分別采用了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)模擬方法,模擬結(jié)果表明了采用非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法可以獲得與實(shí)驗(yàn)以及大渦模擬更為接近的結(jié)果。

模型縮尺對(duì)水工建筑物下游局部沖刷坑內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)的影響

模型縮尺對(duì)水工建筑物下游局部沖刷坑內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)的影響

高含沙洪水通過(guò)黃河下游河道時(shí)往往發(fā)生嚴(yán)重淤積,因此,數(shù)值模擬研究高含沙洪水的演進(jìn)過(guò)程,對(duì)理論研究及實(shí)際工程需求均具有重要意義。以往的泥沙數(shù)學(xué)模型通常不考慮高含沙量對(duì)水流控制方程的影響,而這將會(huì)影響高含沙洪水演進(jìn)過(guò)程的模擬。本文建立了黃河下游高含沙洪水演進(jìn)過(guò)程的一維非恒定非均勻沙數(shù)學(xué)模型,該模型不僅在水流控制方程組中采用渾水的連續(xù)方程與動(dòng)量方程,而且通過(guò)引入灘槽劃分及\"二級(jí)懸河\"處理等技術(shù)考慮黃河下游復(fù)雜地形下的水沙演進(jìn)。以1977年的典型高含沙洪水過(guò)程為例,分析高含沙量對(duì)洪水演進(jìn)的影響,并率定出模型中的恢復(fù)飽和系數(shù)、不飽和系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。將率定后的模型參數(shù)應(yīng)用于1992年下游實(shí)測(cè)洪水的模擬,驗(yàn)證模型的適用性。計(jì)算結(jié)果表明:考慮高含沙的影響后,洪峰流量、水量、傳播時(shí)間的模擬誤差減小,說(shuō)明在數(shù)值模擬高含沙洪水的演進(jìn)中有必要采用渾水控制方程。

為預(yù)測(cè)閘壩下游局部沖刷坑形態(tài)和發(fā)展,基于fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)當(dāng)卡水電站下游局部沖刷進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。采用vof水-氣界面追蹤方法來(lái)處理閘壩下游沖刷坑內(nèi)復(fù)雜的自由液面,將床面瞬時(shí)剪切應(yīng)力作為泥沙起動(dòng)及運(yùn)輸?shù)乃畡?dòng)力學(xué)條件,計(jì)算出不同方向上床底泥沙單寬體積輸沙率,以此為基礎(chǔ)得到河床高程坐標(biāo)的瞬時(shí)變化;采用改進(jìn)的泥沙起動(dòng)臨界剪切應(yīng)力計(jì)算公式,有效地避免了床面坡度接近泥沙休止角時(shí)造成的輸沙率數(shù)值計(jì)算的異常;采用彈簧光順模型及局部網(wǎng)格重構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)了閘壩下游局部沖刷坑的三維演化過(guò)程。通過(guò)分析對(duì)比沖刷坑最終形態(tài)表明,數(shù)值模擬值與模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合良好,說(shuō)明數(shù)學(xué)模型計(jì)算準(zhǔn)確,結(jié)果可信。

為預(yù)測(cè)閘壩下游局部沖刷坑形態(tài)和發(fā)展,基于fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)當(dāng)卡水電站下游局部沖刷進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。采用vof水-氣界面追蹤方法來(lái)處理閘壩下游沖刷坑內(nèi)復(fù)雜的自由液面,將床面瞬時(shí)剪切應(yīng)力作為泥沙起動(dòng)及運(yùn)輸?shù)乃畡?dòng)力學(xué)條件,計(jì)算出不同方向上床底泥沙單寬體積輸沙率,以此為基礎(chǔ)得到河床高程坐標(biāo)的瞬時(shí)變化;采用改進(jìn)的泥沙起動(dòng)臨界剪切應(yīng)力計(jì)算公式,有效地避免了床面坡度接近泥沙休止角時(shí)造成的輸沙率數(shù)值計(jì)算的異常;采用彈簧光順模型及局部網(wǎng)格重構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)了閘壩下游局部沖刷坑的三維演化過(guò)程。通過(guò)分析對(duì)比沖刷坑最終形態(tài)表明,數(shù)值模擬值與模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合良好,說(shuō)明數(shù)學(xué)模型計(jì)算準(zhǔn)確,結(jié)果可信。

為預(yù)測(cè)閘壩下游局部沖刷坑形態(tài)和發(fā)展,基于fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)當(dāng)卡水電站下游局部沖刷進(jìn)行了三維數(shù)值模擬.采用vof水-氣界面追蹤方法來(lái)處理閘壩下游沖刷坑內(nèi)復(fù)雜的自由液面,將床面瞬時(shí)剪切應(yīng)力作為泥沙起動(dòng)及運(yùn)輸?shù)乃畡?dòng)力學(xué)條件,計(jì)算出不同方向上床底泥沙單寬體積輸沙率,以此為基礎(chǔ)得到河床高程坐標(biāo)的瞬時(shí)變化;采用改進(jìn)的泥沙起動(dòng)臨界剪切應(yīng)力計(jì)算公式,有效地避免了床面坡度接近泥沙休止角時(shí)造成的輸沙率數(shù)值計(jì)算的異常;采用彈簧光順模型及局部網(wǎng)格重構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)了閘壩下游局部沖刷坑的三維演化過(guò)程.通過(guò)分析對(duì)比沖刷坑最終形態(tài)表明,數(shù)值模擬值與模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合良好,說(shuō)明數(shù)學(xué)模型計(jì)算準(zhǔn)確,結(jié)果可信.

某雙線(xiàn)盾構(gòu)隧道近距離旁穿一幢12層高層建筑,為合理評(píng)估隧道施工對(duì)建筑物的影響,進(jìn)行了考慮盾構(gòu)動(dòng)態(tài)施工及排樁加固的的遠(yuǎn)端(左線(xiàn))、近端(右線(xiàn))以及雙線(xiàn)均開(kāi)挖后隧道橫斷面及建筑物沉降的flac3d數(shù)值模擬分析,并對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了沉降實(shí)測(cè)。數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果表明:不采取加固措施,建筑物基礎(chǔ)靠近隧道側(cè)的最大沉降為5.2mm,最大水平位移達(dá)25.8mm;基地土體出現(xiàn)拉剪破壞;數(shù)值模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致;若采用排樁加固,建筑物基礎(chǔ)靠近隧道側(cè)的最大沉降為2.4mm,最大水平位移不足10mm,基地土體未出現(xiàn)拉剪破壞;排樁加固能有效降低圍巖變形及地表沉降,有利于建筑物的保護(hù)。

通過(guò)廣州某地鐵車(chē)站的施工對(duì)周邊既有建筑物影響的三維數(shù)值模擬分析,探討了地表鉆孔帷幕注漿對(duì)既有建筑物的保護(hù)作用。實(shí)踐證明,帷幕注漿起到了阻隔地層變形及地下水滲流的作用,有效地減小了建筑物的沉降量及傾斜度,保證了建筑物的安全。

為了深入地認(rèn)識(shí)泄水建筑物摻氣水流的復(fù)氧過(guò)程,該文應(yīng)用水氣兩相流混合模型計(jì)算了包括水墊塘在內(nèi)的泄水建筑物水體的摻氣濃度、流速、紊動(dòng)粘性系數(shù)等特征參數(shù)。應(yīng)用氣泡界面?zhèn)髻|(zhì)理論建立了摻氣水流的溶解氧對(duì)流擴(kuò)散方程。不同試驗(yàn)工況的結(jié)果驗(yàn)證了摻氣復(fù)氧數(shù)學(xué)模型的合理性和可靠性,表明該模型符合壩身泄流的特點(diǎn),充分體現(xiàn)了過(guò)壩水流對(duì)大氣的卷吸與紊動(dòng)混摻。

本文運(yùn)用已建精細(xì)城市pbl模式,用拖曳力法考慮城市建筑物的影響,并以北京前三門(mén)地段板房為例,通過(guò)8個(gè)數(shù)值試驗(yàn)具體研究了建筑物對(duì)氣象場(chǎng)的影響。結(jié)果表明:前三門(mén)地段板房的有無(wú)對(duì)風(fēng)速、湍能和nox濃度的影響較明顯。有板房比沒(méi)有板房時(shí)30m處水平總風(fēng)速減少0.03～0.10m/s,湍能增大0.02～0.14m2/s2。板房對(duì)水平總風(fēng)速的影響大于0.01m/s的范圍為:迎風(fēng)向和背風(fēng)向約400～500m,側(cè)風(fēng)向約100～200m;垂直方向的影響高度約為150m,在30m高度附近影響最大。對(duì)湍流動(dòng)能的影響范圍與風(fēng)速的類(lèi)似。對(duì)nox濃度的影響以地面為最大,其影響程度及影響范圍和板房與污染源的相對(duì)位置以及板房與周?chē)ㄖ锏木嚯x有關(guān)?？傊?在高分辨的邊界層模式中,用拖曳力法考慮城市建筑物的影響是可行和必要的。

通過(guò)考慮社區(qū)和樓房?jī)?nèi)部的容水性,引入侵入水量的概念,建立了能夠模擬建筑物密集城區(qū)潰堤水流運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。該模型采用有限體積法對(duì)淺水方程進(jìn)行非結(jié)構(gòu)離散,通過(guò)roe格式計(jì)算界面數(shù)值通量,給出了侵入水量的合理估算方法。通過(guò)物理模型的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。最后應(yīng)用該模型對(duì)哈爾濱市可能發(fā)生的潰堤洪水進(jìn)行模擬,計(jì)算結(jié)果表明,該模型能較好地模擬潰堤洪水在城區(qū)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,侵入系數(shù)的變化對(duì)計(jì)算結(jié)果有比較明顯的影響。

水工建筑物泄水時(shí)，其下游底部旋渦或側(cè)邊迥流與主流的分界面上流速梯度最大、紊動(dòng)最甚，這是下游沖刷坑形成的主要原因。從該分界面上水流的剪應(yīng)力出發(fā)，建立水流動(dòng)量變化的微分方程，由模型試驗(yàn)確定水流分界面的變化關(guān)系，并引用泥砂起動(dòng)流速關(guān)系，略去河床糙率的影響等，得出砂質(zhì)河床局部沖刷深度的基本公式。該公式已為若干實(shí)際工程的沖刷資料所驗(yàn)證。對(duì)于粘性土河床，只須求出抗沖等效粒徑，即可利用該公式計(jì)算沖深。對(duì)于挑流或自由跌流情況下的巖基沖刷，在基本公式的基礎(chǔ)上考慮了水流入射角和河床糙率的影響。

采用基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限體積法對(duì)建筑物影響下的堤壩潰決水流進(jìn)行了數(shù)值模擬。為模擬建筑物對(duì)潰決水流產(chǎn)生的影響,模型采用了三種方法:固壁邊界法、真實(shí)地形法和加大糙率法。經(jīng)物理模型驗(yàn)證,當(dāng)建筑物頂部不過(guò)流時(shí),三種方法均能得到較好的計(jì)算結(jié)果,其中固壁邊界法和真實(shí)地形法的計(jì)算結(jié)果基本一致;而加大糙率法由于對(duì)反射波的計(jì)算不如其它兩種方法靈敏,因而在城區(qū)內(nèi)所得的計(jì)算水深比其它方法略低一些。

采用正交曲線(xiàn)坐標(biāo)對(duì)赤水河鰱魚(yú)溪碼頭河段計(jì)算域進(jìn)行了坐標(biāo)擬合,用有限體積法(simplec程式)對(duì)擬合坐標(biāo)系下的水流基本控制方程進(jìn)行了離散,在求解過(guò)程中采用了欠松弛技術(shù)和逐線(xiàn)迭代法。分析了鰱魚(yú)溪碼頭工程前后河段內(nèi)水位、比降及水流流速的變化。研究了碼頭前沿船舶泊穩(wěn)條件和碼頭工程建設(shè)對(duì)洪水位的影響,得出了在赤水河鰱魚(yú)溪彎道凹岸建港可以將岸線(xiàn)適當(dāng)推向河心的認(rèn)識(shí)。

爆破拆除高聳建筑物時(shí),爆破切口的爆炸荷載必然產(chǎn)生爆破震動(dòng),但有關(guān)擬爆物自身震動(dòng)危害的研究較少,一般以經(jīng)驗(yàn)來(lái)估計(jì)爆破震動(dòng)的影響。采用數(shù)值模擬,通過(guò)分析爆炸荷載引起的擬爆煙囪上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)來(lái)研究爆破震動(dòng)對(duì)過(guò)早斷裂的影響。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)爆破觀(guān)測(cè)的結(jié)果,其結(jié)論是爆破切口產(chǎn)生爆炸荷載對(duì)上部結(jié)構(gòu)的斷裂有相當(dāng)影響,是筒體過(guò)早斷裂及反向傾轉(zhuǎn)的主要原因,爆炸荷載作用下,煙囪簡(jiǎn)體高度的55%～75%范圍內(nèi)是斷裂危險(xiǎn)區(qū),對(duì)風(fēng)化嚴(yán)重等強(qiáng)度低的磚煙囪進(jìn)行爆破拆除時(shí),尤其應(yīng)控制單響起爆藥量與起爆的間隔時(shí)間。