潰壩過程和水流特性的試驗研究

《潰壩過程和水流特性的試驗研究》是依託清華大學，由王興奎擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：潰壩過程和水流特性的試驗研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：王興奎
• 項目類別：面上項目

項目摘要

堤壩潰決洪水的災害巨大，潰決過程的影響因素複雜，且與水流特性密切相關並相互制約。現有的理論分析和數值計算均較難模擬潰壩的真實過程，本項目擬開展系統的試驗研究。.構建全自動的試驗平台，包括實體模型、電磁流量計、超聲水位計。研發具有自主智慧財產權的測量儀器：壩體潰決示蹤器；基於攝像機和雷射矩陣光斑的複雜曲面和表面流速場的測量系統，實現從傳統的點掃描到面同步動態測量的跨越。.進行各種壩體材料、各種水流條件、多種潰口寬度的系統試驗，測量潰壩過程中的流量過程、壩體潰決過程、水面曲面形態和表面流速三維矢量動態分布等。.分析壩體潰決與水流特性的耦合關係和反饋機制，得出壩體潰決過程與流量過程的關係；不同壩體材料的起動條件；水力坡降的變化特徵，潰口水深、流速的變化規律及對壩體潰決速度的影響；壩體潰決溯源沖刷與沿程沖刷的影響因素及判別條件等。.研究成果可為潰壩數學模型提供驗證參數，為國家應急平台提供基礎數據。

結題摘要

蓄水工程的失事均由壩體潰決引起，土石壩則是最易潰決的壩型。壩體潰決後，其下游的生命財產將遭受巨大損失，產生極大的災害。本項目構建了大型試驗水槽，用變頻水泵和電磁流量計控制流量過程、超聲水位計檢測壩上下游的水位變化。三項發明專利及三維水面形態和三維流速矢量動態變化的計算軟體為本項目的關鍵技術。採用非均勻沙礫料構築壩體，進行了多種水流條件和潰口形式的試驗，得出潰壩水舌表面流場的動態變化過程，壩體潰決過程與流量過程的關係，以及潰壩泥沙在下游淤積厚度的分布和級配變化等重要成果。 發明專利“壩體潰決示蹤器”採用移動即停的模組構造，將其預埋在壩體的標定位置，其移動停止的時間即代表其所在位置的壩體潰決時間，首次精確記錄了壩體潰決的時空變化過程。 研發了大範圍複雜水面形態及表面流場測量系統，主要由水面示蹤粒子和高速攝像機構成，在水面投放示蹤粒子和水面紋理示蹤相結合提取水面特徵點，利用雙目視覺技術的極線校正、ξ方向校正及匹配幾率法進行兩台攝像機同名點的高精度匹配，實現水面形態的重構；根據四幀圖像特徵點的時間空間匹配，即可計算出相應的三維流速場。 薄壁堰流的表面流速的垂向分量大致滿足自由落體運動規律，縱向流速很小，到水舌下端快速增加至明渠水平流速。在土礫石壩中間開引導槽的工況下，水流漫過引導槽在壩面上形成長方形水面；隨著壩腳處的侵蝕，開始溯源沖刷，並在兩側形成迴旋流掏蝕壩體，形成裂縫並產生崩塌；垂向溯源侵蝕與底部側向掏蝕形成的崩塌是該類型壩體潰決發展的主要形式。在全面漫頂的工況下，水流對壩體沿程沖刷，具有較好的二維特徵；壩肩下沿斷面處的水位近似線性減小，直至與壩腳處的水面銜接。潰壩泥沙隨水流下泄沿程淤積，平均淤積深度沿程減小、級配近似線性變細。 項目研究的成果發表學術論文4篇，獲授權發明專利2項，培養博士研究生1名。本項目的研究成果可為潰壩數值模擬提供驗證的基礎數據。