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．     

水垫塘底板模型相似准则和模拟要点

介绍了新型消能工水垫塘和水垫塘底板上的水动力荷载,分析并总结了模型中研究水垫塘底板的相似准则和模拟要点。     

高坝下游水垫塘中三种典型流态的数值模拟

用垂向二维k-ε紊流模型数值模拟了高坝下游水垫塘流场结构,并与实测流速值进行了比较.研究结果表明,用该模型及相应的k-ε紊流模型边界条件模拟是可行的.采用该模型分别模拟了下游水深降低、水舌入水角变化时水垫塘内的流场结构,得出了自由冲击射流、淹没冲击射流和面流三种典型流态,描绘了三种流态下水垫塘流体质点的迹线特征,给出了流速、动水压差、紊动能和耗散率的分布规律.研究结果表明,水垫塘应避免出现自由冲击射流流态,可以通过加大水垫深度、减小入水角、控制流态来实现淹没冲击射流或面流流态,以降低底板动水压差、紊动能和耗散率,保证水垫塘的安全运行.     

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%.     

白山坝下游水垫塘水力特性研究

本项试验研究对白山坝下游不同布置体型的水垫塘内水流进行了观测，研究了水垫塘体型对消能的影响，选择确定了能较好地适应水舌入射角为25°～45°的开阔型水垫塘．试验成果表明,水垫塘中的流态直接影响着水垫塘内消能和底板的受力，脉动压力的大小直接影响着板块的稳定性．在水垫塘底板结构设计中，应综合考虑脉动压力、渗透力的影响．本项试验研究对白山坝下游不同布置体型的水垫塘内水流进行了观测，研究了水垫塘体型对消能的影响，选择确定了能较好地适应水舌入射角为25°～45°的开阔型水垫塘．试验成果表明,水垫塘中的流态直接影响着水垫塘内消能和底板的受力，脉动压力的大小直接影响着板块的稳定性．在水垫塘底板结构设计中，应综合考虑脉动压力、渗透力的影响．     

反拱水垫塘与平底水垫塘底板稳定性的比较

反拱水垫塘是一种新型消能防冲结构,拟在我国溪洛渡等高拱坝中采用,其稳定性是其在高水头、大流量的作用下能否安全运用的关键技术之一。分析了平底水垫塘和反拱水垫塘底板稳定性原理,论证了反拱水垫塘底板具有超载能力强和稳定性高的优点,是高拱坝坝身泄洪消能的合理选择。     

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。     

大岗山水垫塘抗浮稳定分析与防护设计

本文根据水垫塘底板稳定机理,结合水力学模型实验和三维渗流分析成果,分析了各个工况下底板的荷载及稳定情况,进而提出本电站水垫塘底板控制性状况及防护措施,为下一步设计提供了依据。     

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.     

PIV技术在水垫塘实验模型淹没射流中的应用

使用PIV技术对模型单股淹没射流流场进行了测量，得到流场的流态及其特征参数(等流函数线、涡量、湍动能)；对水工实验模型的典型流动进行了图像处理，并分析了测量结果。该测量结果可为数值模拟水垫塘流场及水垫塘的优化设计提供参考。     

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．     

形状对块体护底水垫塘的影响分析

将高透水性的散粒体堆积结构应用于水垫塘的防冲消能,试验发现,冲击区的块体结构会对水流的水力特性产生影响。透水结构对水流起缓冲作用,散粒体的透水性对水能的消散,防止冲坑扩大有重要的作用。数值模拟同时验证了球形块体护底的水垫塘效能效果比其他形状更有优势。     

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。     

水气二相流特点及其单流体模型

对水利工程中掺气水流的数值模拟进行了研究。从建立数学模型的角度 ,详细分析了水利工程中水气二相流的特点 ,从理论上证明 :对工程中常见的稀疏气泡流 ,单流体模型是可行的 ;且水气混合物的连续方程和动量方程可分别用水相的连续方程和动量方程代替 ,以使问题简化。提出了掺气水流的单流体模型 ,并用该模型对水垫塘掺气水流进行了计算 ,掺气浓度计算值与实测值基本吻合 ,表明本文提出的单流体模型可用于水垫塘水气二相流的数值模拟     

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。     

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.     

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.