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淤地坝柔性阶梯型溢洪道泄流试验

淤地坝柔性阶梯型溢洪道泄流试验

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作者：岳凡西安理工大学

学位级别：硕士

淤地坝是黄土高原地区人民创造出来的一种重要的水土保持措施,但是淤地坝的水毁问题一直阻碍着淤地坝的发展,据调查溢洪道对于减少淤地坝水毁有着重要的作用,但是溢洪道在淤地坝的普及比例较低,除骨干坝和少数中型淤地坝修建溢洪道外,... 详细信息

淤地坝是黄土高原地区人民创造出来的一种重要的水土保持措施,但是淤地坝的水毁问题一直阻碍着淤地坝的发展,据调查溢洪道对于减少淤地坝水毁有着重要的作用,但是溢洪道在淤地坝的普及比例较低,除骨干坝和少数中型淤地坝修建溢洪道外,其余工程均不设溢洪道,其主要原因是淤地坝溢洪道资金配比不足。为使溢洪道在淤地坝建设中迅速普及,研究一种廉价并适合修建在淤地坝工程中的新型溢洪道显得十分必要。课题组在首次提出淤地坝柔性溢洪道这一理念后,完成了淤地坝柔性溢洪道小比尺模型试验,证明该理念的可行性。在以上的研究基础上,本文在试验中总结两种适合于修建于淤地坝的柔性阶梯型溢洪道,U型土工袋型阶梯型溢洪道与薄壁型柔性阶梯型溢洪道。对柔性衬砌(CADSS材料)使用电子万能机进行强度检测试验,将土工布加筋土边坡引入U型土工袋型柔性阶梯型溢洪道的边坡加固中,使用STAB软件对其最佳加筋方式进行研究。通过分析U型土工袋型柔性阶梯型溢洪道泄流试验后溢洪道的整体稳定性表现,将U型土工袋型柔性阶梯型溢洪道改进为适用工况更广的薄壁式柔性阶梯型溢洪道。设计宽顶堰堰流与闸孔出流两种实验方案,探究柔性阶梯型溢洪道消能率与流态变化规律,使用无人机扫描三维地形对比过水后溢洪道整体结构稳定性,证明该新型柔性阶梯型溢洪道可以推广到实际的除险加固工程。本文主要的研究内容与成果如下:(1)本文通过试验总结出两套柔性阶梯型溢洪道模型,并在实际的模型制作中证明两种模型的可行性。U型土工袋型柔性阶梯型溢洪道适合于修建在洪水标准较低的小型淤地坝上,其工艺较为简单;薄壁型柔性阶梯型溢洪道使用范围更广,溢洪道边墙可根据实际工程的稳定性要求调整边墙坡比,边墙稳定性更高。对柔性衬砌材料(CADSS材料)进行强度检测试验,结果表明其强度远大于传统土工复合材料,满足柔性衬砌的需求。将土工布加筋土边坡引入U型土工袋型柔性阶梯型溢洪道的边坡加固中,加固后的边坡稳定性得到了提高,并满足溢洪道边坡安全容许值。(2)通过分析泄流试验过程录像,堰流条件下当堰上水头大于45cm时水流流态为过渡流,小于45cm时水流流态为跌流;闸孔出流条件下,堰上水头均恒定为15cm,水流流态均为跌流。结果与刚性溢洪道区分流态的经验公式结果一致,柔性阶梯溢洪道的水流流态由临近水深决定(堰上水头与台阶高度的比值)。(3)对溢洪道泄流试验前后泄槽变形数据对比分析,台阶型泄槽自身在受到水流撞击后发生微小形变吸收能量,所以柔性阶梯型溢洪道消能率比刚性溢阶梯型溢洪道消能率大,在跌流状态下,柔性阶梯溢洪道消能率大于89%;在临界流状态下,消能率在73%-82%之间,其区别在于产生多级水跃的位置与数量。(4)在堰流条件下,柔性阶梯型溢洪道消能率随堰上水头增加而减小,变化幅度较大,在闸孔出流条件下,当堰上水头一定时,柔性阶梯型溢洪道消能率随堰上流速的增加而减小,但是变化幅度较小,故影响消能率的因素主要为堰上水头,而堰上水头主要影响水流流态,故柔性阶梯型溢洪道的消能率主要由水流流态决定。为保证较高的消能率,柔性阶梯型溢洪道在后续设计中,可以适当增加溢洪宽度从而减小堰上水头或增大单级台阶高度。(5)柔性溢洪道模型共设17级台阶,试验共设4个流速测量断面分别位于堰上、第6级台阶、第12级台阶与坝脚。4个断面将溢洪道分为前、中、后3个消能率测量段,前、中、后段柔性阶梯型溢洪道消能率出现递减趋势,溢洪道前段消能率达到最大其后以此递减,溢洪道中段与后段消能率递减趋势较小。其主要原因是前段流速较低,水流撞击下级台阶较充分,能量耗散较大;中、后段由于流速增加,水流部分撞击下级台阶,部分直接越过下级台造成消能不充分。当水流流态为跌流时,溢洪道消能率随台阶数量的递增而递增,当水流流态为过渡水流时,溢洪道消能率随台阶数量的递增先递增后减小。(6)在堰流条件下,当堰上水头大于45cm时,柔性阶梯型溢洪道随台阶数量的增多,消能率呈现先递增再递减的趋势,其原因是因为其水流流态为过渡流,在溢洪道末端,水流发生多级水跃,造成溢洪道消能率出现下降。闸孔出流与堰流条件下堰上水头小于45cm时,随着台阶数量的递增,消能率始终保持递增趋势。

关键词：淤地坝柔性阶梯型溢洪道消能率加筋土边坡边坡稳定 CADSS材料

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