本书以山区河流最常用的航道整治建筑物——丁坝为研究对象，在对山区河流坝体类整治建筑物水毁类型、特征及原因进行统计分析的基础上，采用现场调研、理论分析、仿真模拟和概化水槽模型试验的研究手段，对非恒定流条件下丁坝水流结构、紊动特性、受力分布、坝体及其周围河床冲刷的变化规律进行了较系统和深入的研究。这些研究成果为山区河流丁坝设计及其周围水沙运动规律的研究提供相应的理论基础和技术支持，对于提高航道整治建筑物的稳定性及确保航道整治工程的质量和效果具有重要的参考价值与指导意义。

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 丁坝水力特性研究现状 2

1.2.2 丁坝冲刷深度研究现状 5

1.2.3 丁坝水毁机理研究现状 7

1.2.4 明渠非恒定流研究现状 10

1.2.5 随机水文学研究现状 11

1.2.6 小结 14

第2章 长江上游航道整治建筑物损毁类型及特征 15

2.1 整治建筑物类型及损毁基本情况 15

2.1.1 已建航道整治建筑物基本情况 15

2.1.2 已建坝体类型及功能 18

2.1.3 已建整治建筑物工程结构特征 20

2.2 不同类型整治建筑物损毁特点 20

2.2.1 丁坝 20

2.2.2 顺坝 23

2.2.3 潜坝 25

2.2.4 锁坝 25

2.3 整治建筑物损毁影响因素及原因 26

2.3.1 整治建筑物损毁的主要影响因素 26

2.3.2 整治建筑物损毁主要原因 29

第3章 天然河流日均流量过程随机模拟 33

3.1 寸滩站日均流量过程分析 33

3.1.1 水文资料的审查 33

3.1.2 日均流量过程统计参数估计 34

3.1.3 日均流量过程频率计算 35

3.2 日均流量过程随机模拟方法 39

3.3 两变量联合分布日均流量过程模拟 40

3.3.1 两变量极值分布函数 40

3.3.2 两变量联合作用日均流量随机过程 42

3.4 小结 43

第4章 概化模型试验设计及仪器设备 44

4.1 水槽概化模型设计 44

4.1.1 模型丁坝设计 44

4.1.2 模型水流及时间比尺确定 46

4.1.3 模型沙材料及粒径的确定 47

4.2 试验设备及系统稳定性 48

4.2.1 流量控制系统 48

4.2.2 水位自动测量系统 49

4.2.3 流速测量系统 50

4.2.4 丁坝受力测量系统 51

4.2.5 三维地形测量系统 52

4.2.6 仪器率定及系统稳定性 52

4.3 试验方案及内容 56

4.3.1 清水定床试验 57

4.3.2 清水动床试验 60

4.4 小结 62

第5章 非恒定流条件下丁坝水流结构及紊动特性研究 63

5.1 丁坝附近的水流流态 63

5.1.1 非淹没丁坝附近的水流流态 63

5.1.2 淹没丁坝的水流流态 64

5.2 水面线分布规律 65

5.2.1 单个测点水位随时间变化规律 65

5.2.2 纵向水面线分布 68

5.2.3 横向水面线分布 71

5.2.4 坝身上下游跌水高度确定方法 73

5.3 纵向平均流速分布规律及计算公式 78

5.3.1 横断面流速分布 78

5.3.2 整个测区流速分布 82

5.3.3 坝轴线断面流速计算公式 84

5.4 三维流速及紊动强度变化分析 89

5.4.1 丁坝周围三维流速变化分析 89

5.4.2 丁坝布置前后坝头处三维流速对比分析 90

5.4.3 丁坝周围紊动强度分析 92

5.5 小结 94

第6章 非恒定流条件下丁坝稳定性及受力特性研究 96

6.1 丁坝坝面块体稳定性分析 96

6.1.1 块体受力情况分析 96

6.1.2 坡面块石受力分析 98

6.1.3 水流脉动对块体稳定的分析 99

6.2 丁坝坝体受力沿时间分布 100

6.3 丁坝坝体在受力整个测区的分布 102

6.3.1 水流作用于坝体动水压力分布 102

6.3.2 水流作用于坝体脉动压力分布 104

6.4 水流对坝体作用力紊动强度变化 106

6.5 小结 108

第7章 非恒定流条件下丁坝冲刷机理研究 109

7.1 坝体块石滚落和坝体塌陷的特点 109

7.1.1 坝头块石运动特点 109

7.1.2 坝身块石运动特点 110

7.1.3 冲刷坑内块石运动特点 111

7.1.4 丁坝水毁程度分析 112

7.2 坝头局部冲刷的范围和冲刷深度的变化规律 115

7.2.1 坝头局部冲刷敏感因素分析 115

7.2.2 坝头冲刷坑发展过程分析 117

7.2.3 坝头冲刷坑长度及宽度变化规律119

7.2.4 坝头冲刷深度变化规律 122

7.3 非恒定流作用下丁坝局部冲刷机理 124

7.4 非恒定流作用下山区河流散抛石坝冲刷坑深度计算公式 125

7.4.1 丁坝冲刷坑的影响因素 125

7.4.2 山区河流散抛石坝冲刷坑深度计算公式 127

7.4.3 丁坝冲刷坑计算实例 131

7.5 小结 132

参考文献 135

彩图 2100433B

管道非恒定流的水力要素如断面平均流速(V)、平均压强（p）等均为时间（t)和沿流程的距离(s)的函数：根据流体质量守恒和动量原理，同时计及流体的可压缩性和管壁材料的弹性时，管道截面积（A）和流体密度也是时间（t)和距离（s）的函数：

可以导出管道非恒定流的基本微分方程如图。

式中，g为重力加速度；α为管道轴线与水平面的夹角；λ为沿程水头损失系数：D为管道直径。

对于棱柱体管道和可压缩性较小的流体（例如水），并引入水击波速（a），连续方程可化为方程（3）

从运动方程、连续方程出发，经过不同程度的简化，可以得出不同的管道非恒定流计算方法。常见的方法有解析法、图解法、特征线法、隐式差分法、线性分析法等目前最常用的方法是特征线法，它把连续方程和运动方程这一组双曲型拟线性偏微分方程变换成四个全微分方程，然后沿特征线积分，离散为有限差分的形式，用规定时间间隔的方法，通过计算机进行求解。

管道非恒定流分析计算广泛用于水利水电、灌溉供水、能源化工、液压传动等工程中。例如：水电站、泵站的有压输水系统，供水管网，火、核电站的冷却水系统，化工流体、天然气和石油输运管路，液压装置，管路系统等 。

有压管道中液体流速急剧变化时引起管内液体压强大幅度波动的非恒定流现象称为水击或水锤。管道系统中阀门的快速关闭及开启，供水系统中水泵的突然停机或起动，以及水电站机组负荷变化使水轮机导水叶迅速启闭等，都会在管道系统中产生水击。水击可能导致管道系统振动、噪声和空化，甚至使管道严重变形、压瘪或爆裂。水电站压力引水道较长时，常在引水道未修建调压室，以减少水击的强度和作用范围。水轮机组引用流量变化时，除了在压力管道中发生水击外，引水道-调压室系统中还产生水体振荡，这种非恒定流现象常称为涌浪。运动要素变化快、幅值大、流体和管壁的弹性影响显著是水击与涌浪的主要区别 。

水力因素不随时间变化，但随沿程变化，又分为渐变流和急变流两种。

(1)恒定渐变。

(2)恒定急变流。常见的明渠过渡流态有：从缓流到急流的过渡(如跌水、堰流等);从急流到缓流的过渡(如水跃);变宽度河渠中的流动;弯道水流(急流时可见冲击波)等。明渠急变流常是三维流动，伴有明显的能量损失，宜用动量原理或通过模型试验解决。