水垫塘异型构造底板缝隙水流脉动压力特性研究

水垫塘作为保护下游河床的结构,其自身在高速水流冲击下的安全性是实现消能和防冲目的的关键所在.优化水垫塘底板的结构设计对于整体结构稳定性就具有一定的实际研究价值.以某水垫塘为背景,基于模型试验结果,研究了异型构造底板缝隙处水流脉动压力特性.分析了板块增设键槽前后下表面脉动压力的分布规律、概率特性以及互相关特性和频谱特性,进而从缝隙水流脉动压力的角度分析键槽的增设对底板稳定性的意义.研究表明:在水跃稳定区,带键槽板块间下表面脉动压强系数较不带键槽板块有明显减小趋势;带键槽板块可能产生的脉动上举力较小;增设键槽后,涡旋的保持性和平均尺度增加,板块间相互联系增加;脉动压强的功率谱密度曲线向更低频移动.     

高拱坝水垫塘反拱型底板的体型

反拱型底板的稳定性是实现消能防冲的关键所在，为了研究反拱型底板块各体型参数对其稳定性的影响，结合某高拱坝水垫塘反拱型底板稳定性的实验研究，采用有限元数学模型及局部稳定性力学模型，从反拱水垫塘底板的圆心角、板块厚度、板块尺度和锚固水平等几个方面分析了底板稳定性与其体型的关系．结果表明，拱圈的圆心角及板块尺度不宜过大，板块厚度在满足稳定性要求的基础上可做适当调整，而锚固钢筋应尽量做到均匀布置．     

立洲水电站表孔体型优化试验研究

立洲水电站具有河谷狭窄、落差较大、单宽流量也较大等特点,泄洪消能是该水电站的设计和建设中非常突出的关键性技术问题.立洲水电站采用拱坝的1个中孔、2个表孔和水垫塘消能.如果表孔体型优化不当,会造成泄流能力下降,落水冲击岸边,水垫塘底板冲击动压大,泄洪雾化严重.经诸多方案的试验比选,最终推荐方案使坝身表孔水流沿程横向收缩、纵向扩散,在空中呈窄而高且长的流态,从而与中孔的水股互相穿插而不发生碰撞或少碰撞,减弱了因水流空中碰撞所造成的泄洪雾化,落水不再冲击岸边,同时使水垫塘底板冲击动压处在较低的范围内.     

反拱水垫塘拱圈底板动水压强时域与频域的变化规律

设计试验装置,测量高水头和大流量作用下反拱水垫塘全流场内拱圈底板动水压强.利用分析方法,得出拱圈底板表面与底板缝隙动水压强自相关特征和时空相关特征的变化规律,分析其与反拱水垫塘内水流的流动结构和流态之间的关系,揭示拱圈底板动水压强的变化和传播机理;对其频域特性进行分析,结果表明:拱圈底板表面动水压强的优势频率分布范围较广并比底板缝隙内的宽,其峰值频率分布范围主要集中在0～1 Hz,脉动能量均以低频为主.     

高拱坝下游水垫塘内流场的数值模拟

运用带自由表面的三维k-ε气液两相紊流数学模型,采用质量分配的方法概化由于设有齿坎且高程不同的泄洪表孔而形成的复杂水舌形态,模拟了某水利枢纽水垫塘内斜向淹没冲击射流形成的气液两相流场,计算得到的底板时均压力分布与物理模型试验实测结果符合较好.通过数值模拟给出了水垫塘内斜向淹没冲击射流流态和纵横断面上的水气体积分数分布.数学模型弥补了模型试验对水垫塘内部水流流态及有关重要水力学参数难以观测与测量的不足,有助于分析判断泄水建筑物布置的合理性与水垫塘的消能效果.     

高坝水舌作用下水垫塘流场的数值模拟

水垫塘是一种消能防冲结构,它的稳定性是其在高水头、大流量作用下能否安全运用的关键技术之一。本文结合溪洛渡拱坝,用数值模拟的方法模拟了二维水垫塘内的流场特征以及水垫塘底板的压力分布。根据数值模拟结果,提出水垫塘底板分区进行结构设计的方案。     

高坝水舌作用下水垫塘流场的数值模拟

水垫塘是一种消能防冲结构,它的稳定性是其在高水头、大流量作用下能否安全运用的关键技术之一。本文结合溪洛渡拱坝,用数值模拟的方法模拟了二维水垫塘内的流场特征以及水垫塘底板的压力分布。根据数值模拟结果,提出水垫塘底板分区进行结构设计的方案。     

水垫塘反拱形底板局部稳性分析

针对局部脉动随机荷载在某一时刻出现大的数值造成局部板块失稳的可能性，结合某高拱坝水垫塘反拱形底板稳定性的研究，用“随机拱”的概念，建立了基于板块极限失稳的力学模型和与其相应的物理模型，分析了单个板块的局部稳定性，导出了板块局部失稳极限抗力的表达式．力学模型计算和物理模型实验得出的极限抗力结果一致．从板块极限平衡角度得出了反拱形底板优于平底板的量化指标．结果表明，反拱形底板安全系数大于平底板3倍以上．以某高拱坝的工程实例计算了安全系数．     

反拱水垫塘拱圈底板动水压强变化规律的研究

采用先进的模拟方法和量测手段,对高水头和大流量作用下反拱水垫塘拱圈底板动水压强进行了详细的试验研究。实现了拱圈位于反拱水垫塘流场中任意位置时,同步量测底板表面和底板缝隙中动水压强,得出拱圈底板动水压强沿流程以及沿拱圈横向的分布规律,揭示了底板块上举力的形成和变化机理;提出把底板缝隙动水压强划分为三种形态;提出底板块振动的可能方式;得出拱圈底板缝隙动水压强的频率分布范围比底板表面的更窄,但两者优势频率接近,脉动能量都以低频为主。     

高拱坝水舌作用下水垫塘流场的二维数值模拟

应用RNGk-ε紊流数值模型,采用二维VOF方法,对溪洛渡拱坝表孔泄洪和表深孔空中碰撞泄洪两种工况下的水垫塘流场进行了数值模拟,给出了水舌从空中抛射或碰撞,下泄至水垫塘并发展到塘内流动稳定的全过程以及流动稳定后的水垫塘流速矢量和底板压强分布图、水垫塘底板最大压强和近壁最大流速的脉动过程.计算结果与溪洛渡相应的实测值以及其他文献计算的最大底板压强和近壁流速吻合较好,说明数值计算方法合理且结果可靠.     

水垫塘反拱型底板衬砌结构的非线性分析

反拱型底板的稳定性是实现消能防冲的关键所在，其受力过程表现为一种高度的非线性．为此，采用ANSYS程序中三维非线性弹簧单元模拟锚固钢筋的黏结滑移，接触单元模拟水垫塘底板结构之间的接缝以及底板、拱座与基岩之间的接触面。建立反拱型水垫塘的有限元模型，通过长潭岗水垫塘的工程实例说明了该模拟方法的合理性，并应用该方法对拟建的拉西瓦反拱型水垫塘进行稳定性分析，结果表明，反拱型底板具有较好的受力条件．茸稳定性能够得到保证．     

高拱坝深潭型水垫塘数值模拟研究

高拱坝工程为满足下泄水舌的挑距和淹没水跃长度的要求,水垫塘往往较长,而在水垫塘消能过程中实际参与进来的水体并不多,为此提出一种长度较小且能够集中消能的深潭水垫塘.以溪洛渡水电站为研究对象,采用RNGk-ε三维紊流数学模型对八深孔泄洪工况下反拱和深潭水垫塘进行数值模拟研究,首先把反拱水垫塘的流速及拱底板压强的计算值与相应模型实测值进行了对比验证,再对两种水垫塘塘内的水流流态、近壁流速、壁面压强分布特征以及消能率进行详细分析,结果发现在反拱水垫塘内,下泄水体的巨大能量主要通过淹没射流的紊动扩散和淹没水跃的作用来消除;深潭水垫塘内水体消能主要依靠贴壁流在边壁作用下返回深潭不断紊动耗散的过程;两种水垫塘底板最大冲击压强分别为8.64 mH_2O和11.62 mH_2O,二道坝顶平均出流流速分别为8.52 m/s和5.34 m/s,消能率分别为90.25%和92.25%.     

反拱水垫塘底板块上举力变化规律的试验研究

反拱水垫塘是一种新型消能防冲结构,拟在中国溪洛渡等300m级高拱坝中采用,其稳定性是其在高水头、大流量作用下能否安全运用的关键技术之一。结合溪洛渡拱坝,通过模型试验研究了拱坝坝身泄量最大达3万m3/s时,反拱圈横缝止水设施破坏,动水压强贯入底板缝隙,基岩锚固力失效的极端情况下的反拱水垫塘底板块上举力,得出底板块上举力分布规律和脉动上举力谱密度特性,并推算出拱端的极限推力。研究成果对反拱水垫塘设计、运用和稳定研究具有理论和实际意义。     

万家口子水电站泄洪消能研究

本文结合模型试验,对云南万家口子水电站拱坝溢流表孔、冲沙中孔及水垫塘内水流流态进行研究,并对其体型进行优化调整,完满的解决了泄洪消能问题。     

水垫塘底板冲击压强分布特性试验研究

控制水垫塘底板的冲击压力对于水电站泄洪安全具有重要意义,尤其是对于高水头、大流量、窄河谷的水利工程。该文结合中国西南地区大型水电站泄洪消能的实际进行物理模型试验,对电站原方案下水垫塘的冲击压强进行了试验分析。提出了改变表孔齿坎布置的3种改进方案,进行了冲击压强试验。结果显示,改变表孔的齿坎布置是减小冲击压强的一种可行方法。还得到了最优的表孔齿坎布置方案,测量了水垫塘内的流速分布,分析了水垫塘内流态。该结果可用于该大型水电站的泄洪消能设施设计。     

高拱坝表深孔碰撞泄洪消能水力特性

高拱坝坝身宣泄洪水产生高速水流,水流下泄时会对水垫塘底板产生极大的冲击压力.为保证下游冲刷安全,在有足够的深水垫消刹能量的同时,还需通过水舌在空中消耗部分能量.通过表深孔同轴碰撞的泄洪消能布置方式,研究不同表深孔流量比工况下水流特性及底板动水压强等水力特性.结果表明,表深孔上下水舌在空中碰撞、掺气,削弱射流的集中强度,能使下泄水流的冲击压力大大降低,有效提高下游水垫塘的抗冲安全性,为类似工程布置提供借鉴.     

反拱水垫塘底板块上举力变化规律的试验研究

结合溪洛渡拱坝,模型试验研究了拱坝坝身泄量最大时,在反拱圈横缝止水设施破坏、动水压强贯入底板缝隙、基岩锚固力失效的极端情况下,反拱水垫塘底板块上举力的分布规律及脉动上举力谱密度特性等。该成果对反拱水垫塘的设计、运用及稳定性研究具有理论和实际意义。     

舌形挑流鼻坎水力特性研究

基于拱坝表孔泄洪的水槽实验,分析了舌形挑坎曲率和挑角的变化对水流横向扩散及下游水垫塘底板时均压力的影响。在不同泄流量和下游水深条件下,对不同曲率和挑角的舌形挑坎以及常规挑坎进行了比较研究。结果表明,水流经过舌形挑坎时流态稳定,水舌横向扩散明显。在挑坎末端高程相同的条件下,下泄流量较小时,曲率和挑角越大,水舌单宽流量的横向分布越均匀,水垫塘底板最大时均压力越小;大泄流量时,曲率和挑角不宜过大,以保证水舌扩散效果。     

反拱水垫塘拱圈多底板块振动特性的理论分析和试验研究

以溪洛渡拱坝下游出流条件和反拱水垫塘体型为参考,在拱圈底板块间止水破坏、底板块锚筋失效的极端条件下,对拱圈弹性底板块的振动特性进行了研究,得到拱圈底板块振动位移幅值沿流程、沿拱圈的分布规律及其时域和频域特性.研究结果表明,随拱圈底板块数目的增多,部分板块形成局部拱作用,拱圈底板块锚固失效的连锁反应及缝隙宽度的累加效应是造成底板破坏的主要原因.     

含沙掺气高速水流壁面脉动压力特性

在阐述水流脉动压力基本理论的基础上，对含沙掺气高速水流的脉动压力进行了试验，研究了水、气、沙三相流体的压力脉动特性，探讨了掺气、含沙量等参数对水流压力脉动幅值特性，频率特性的影响。