跌坎消力池尾坎坡度对泄洪消能影响的三维数值模拟

采用的k-ε双方程紊流数学模型与VOF法追踪自由水面,对中低水头胸墙闸坝式跌坎型消力池在三个尾坎坡度下的泄洪消能进行了三维数值模拟研究.模拟计算了正常和设计水位情况下三种局开运行工况的消力池水力特性,获得了消力池底板压力、流场分布、沿程水面线、紊动能及紊动能耗散率等水力参数的变化规律.数模计算结果显示,尾坎坡度对消力池的泄洪消能效果较为敏感.尾坎坡度变陡会明显提高消能效果,对来流无推移质的消力池可适当加大尾坎坡度,有助于提高消能率及适当缩短消力池长度,但尾坎坡度越大,出池水流向上壅水的趋势越明显,如果尾坎下游河道水位偏低,则出池水流可能形成较明显的二次跌落,对尾坎后河床造成一定的冲刷,因此消力池的尾坎坡度需要结合下游河道水位情况综合考虑,做到在提高消力池的消能率的同时,尽量避免出池水流较大的二次跌落,确保出池水流与下游河道水流平顺衔接.论文研究成果可供类似工程参考.     

消力池尾坎体型对水跃特性的影响

底流消能是水利工程中常见的消能方式之一.本研究以斜坡+竖直坎的消力池尾坎组合为研究对象,设计出9种消力池尾坎体型(不同坡度、不同竖直坎长度),研究尾坎体型对消力池内水跃特性的影响.通过数值模拟,获得了设计工况下各个体型的水面线、消能率、水跃长度、临低流速和尾坎压强分布特性.通过对比分析发现,竖直尾坎的长度直接影响水面线、消能率等水力特性.研究结果表明,通过数值模拟可以提高研究效率,并为实际工程的消力池设计提供重要的参考依据.     

跌坎消力池临底流速试验研究

基于模型试验结果,分析比较了跌坎消力池与传统消力池的临底流速分布以及最大临底流速分布特性.分析结果表明:跌坎消力池临底流速分布为谷峰型;在其他条件一定时,随着跌坎高度增加,消力池最大临底流速减小;随着入池能量的增大,射流能量增大,到达底板的最大临底流速也相应增大;仅改变跌坎消力池的入池角时,随着入池角的增大,跌坎消力池最大临底流速相应增大.研究结果可为跌坎消力池的设计提供参考和指导.     

不同入水仰角对底流跌坎型消力池水力特性影响试验研究

采用水工模型试验对跌坎型底流消力池这一较新型的底流消能方案进行研究.重点研究反弧段不同的入水仰角角度,对跌坎消力池内的水流特性及消能效果的影响.研究表明与跌坎相接的反弧段仰角为5°～10°时,可以使消力池内水流更快趋于平稳,降低临底流速,并减小底板所受冲击压力和防冲保护难度.论文研究成果对如何确定跌坎消力池反弧段挑角角度具有工程意义.     

宽尾墩—跌坎消力池脉动压强试验研究

宽尾墩与跌坎消力池联合消能使跌坎消力池内的水力参数更加复杂,研究消力池底板的脉动压强特性对宽尾墩体型设计具有参考作用.基于模型试验研究5种收缩比(a=0.38;0.44;0.50;0.56;0.62)Y型宽尾墩与跌坎消力池联合消能下消力池的脉动压强特性.试验结果表明：脉动压强峰峰值可以达到设计水头的1.03～1.36倍,收缩比的减小可以削减峰峰值,消除跌坎后的负压;消力池底板脉动压强均方根沿程呈现单峰与双峰型,最大脉动压强系数出现在跌坎之后,减小收缩比使消力池主要脉动消能区域增大前移,最大脉动压强系数降低;脉动压强概率密度基本符合正态分布,存在正偏与负偏现象,水流速度偏向底板为正,偏离时为负;消力池底板脉动压强主要由10 Hz以内的低频脉动组成,随着收缩比的减小,消力池前端的脉动能量增大,后端脉动能量减小.     

基于响应面法的跌坎消力池优化设计研究

消力池的优化设计一直是水利工程领域的热点课题.为此基于三维CFD数值计算和响应面优化方法,对某水库工程的消力池进行了优化设计.根据响应面法,建立了以消能率和工程经济函数为优化目标,跌坎深度和消力池池长为优化变量的优化模型.研究结果表明:跌坎深度和消力池池长对消能率和工程经济函数影响显著.最优参数组合为跌坎深度7.07m、消力池池长70.0m.优化后的消力池方案在考虑工程造价的基础上消力池内水流流态得到显著改善,消力池消能率得到提升.在优化设计体型下,消力池消能率62.68%,最大出池流速5.27m/s.相比变量区间内消能率最差的体型,在工程经济函数提高17.60%的情况下,消能率提高了20.88%;相比变量区间内的工程量最大的体型,节省30.78%的工程量,消能率仅降低了6.91%.     

消力池消能效果影响因素的研究

通过VOF(volume of fluid)方法,模拟了水闸泄水时消力池内的流场情况。通过慈溪龙山排涝出海闸工程实例对模型精确性进行校核,在此基础上对消能效果的因素进行了研究。结果表明增加消力坎角度、消力坎高度和泄水水头高度可以增大消能率;结论可为低水头泄水工程的设计提供依据与参考。     

水工隧洞衬砌底板缺陷诱因及其对结构安全的影响分析

水工隧洞长年运行会出现裂缝、磨损、掉块、冲坑等缺陷,极大影响工程安全。针对水工隧洞衬砌底板冲坑产生的原因及其对结构安全的影响问题,开展隧洞断面水力特征参数的数值模拟,从水力学角度分析衬砌底板冲坑产生的原因,并开展运行和检修工况下不同冲坑深度对衬砌结构受力的影响分析,结合监测数据与模拟成果对冲坑所在位置截面承载能力进行验算,结果表明：隧洞底板流速与紊动能均较大,在运行过程中受高速水流冲蚀作用最强,也最容易产生破坏。冲坑形成后主要对隧洞底板和边墙弯矩的对称性及数值影响较大,对轴力及剪力影响较小。受内外水压力控制的差异,相对于检修工况,运行工况下冲坑对结构安全的影响更加明显,冲坑导致截面抗弯刚度显著减小,随着冲坑深度增加,抗弯承载力逐渐减小,工程运行中应重点关注运行工况下底板混凝土的冲刷情况。     

聚合物浸渍钢纤维混凝土抗空蚀性能的研究

一、概述水利工程中的泄流建筑物(如泄洪洞、溢流坝坝面)及消能设施(如挑流鼻坎、消力池、消力墩、护坦)等,在高速水流作用下,会产生严重的空蚀破坏.我国因建造高坝较多,流速大多在30米/秒以上,甚至超过40米/秒,空蚀破坏相当严重.除从结构设计、施工工艺、运行管理等多方面采取措施外,选用具有高抗空蚀能力的材料,也是研究工作的一个重要方面.     

跌扩型底流消能水力特性的数值模拟研究

多股跌扩型底流消能是一种新型消能方式,消力池内紊流特性复杂。本文对多股跌扩型底流消能工建立了三维紊流数学模型,采用非均匀结构网格技术对模型进行网格划分,利用RNGk-ε紊流模型和VOF自由表面追踪法对其进行高精度数值计算,得到了消力池内水流的水力特性:当表孔和中孔联合泄流时,消力池后段的临底流速较低,流速梯度改变较大,消力池底板及跌坎附近形成了强度和尺度各异的游离性和间歇性漩涡,紊动能消逝迅速。由此可见,此种消能工的消能效果显著,能有效解决高水头、大单宽流量消力池水力学指标过高的水力问题。     

C50硅粉混凝土在青石山水电站枢纽工程中的施工应用

在青石山水电站枢纽泄冲闸工程中采用C50硅粉砼,成功地解决了过闸推移质对闸底板及消力坎的冲刷破坏,保证了工程的安全运行。     

新型宽尾墩和阶梯式溢流坝面一体化消能工数值模拟

将宽尾墩、阶梯溢流坝和消力池联合起来形成一体化的水工消能设施,充分利用了宽尾墩和阶梯溢流坝的优点,单宽流量比纯阶梯溢流坝可增大数倍.采用k-ε双方程紊流模型对这种一体化消能工进行了三维数值模拟,描述了在索风营水电站应用的X型宽尾墩,给出了模拟得到的大曲率水气交界面、宽尾墩墩体压力、消力池压力及流速分布,并与模型实验结果进行了对比,吻合良好.研究结果表明,X型宽尾墩、阶梯式溢流坝面和消力池一体化设施的消能作用是良好的.     

“陡坡+跌坎”式消力池板块稳定特性试验研究

通过大比尺(1∶40)物理模型,对某大型水电工程溢洪道"陡坡+跌坎"式消力池这一新型消能工底板稳定性进行了试验研究,得到了水跃完全或部分发生在陡坡段时,消力池不同位置板块的脉动压力、板块上举力频幅特性的分布规律与特征.试验表明水跃跃首部位始终是板块最易失稳区域,当单宽流量达到一定值后,跌坎下一段区域也是失稳重点关注区.对试验结果深入分析后表明:水跃跃首区域上举力均方根大致为脉动压力均方根0.55倍,其它区域为0.2倍,水跃跃首区域最大上举力大致为4.2倍脉动压力均方根,其它区域为1.5倍.揭示了此消能工上举力与脉动压力点面转换指标、底板稳定控制指标与挑跌流消力池的一致性;而消力池平底段采用透水底板可有效降低板块上举力,减小响应趋势基本呈指数分布,并与开孔率呈正比关系.     

某拦河闸底板裂缝原因分析及处理

某拦河闸,闸墩浇筑完成2个月之后出现裂缝,裂缝主要集中在闸室底板、消力池斜坡段及上游铺盖段。裂缝长度从1.5m-8.8m不等,深度小于30cm,宽度为0.2mm~0.4mm,未贯穿。混凝土底板裂缝的成因复杂,为了正确地选择处理方案,有效地进行裂缝处理,保证水工建筑物持续稳定地发挥其功能,我们认真分析了裂缝产生的原因,并采用化学灌浆及封闭法进行了处理,经钻芯取样证实裂缝处理效果良好。     

水煤浆系统钨酸盐的缓蚀作用机理

用自行设计加速磨蚀装置,按失重法推出了金属在不同水煤浆流速下的破坏机理。在水煤浆流速低于3m/s时,腐蚀是主要的破坏形式;流速高于3m/s,磨蚀是主要的破坏形式,腐蚀与磨蚀存在交互作用。动电位扫描曲线法、Auger电子能潜、XPS扫描电子显微镜测试得知:钨酸盐缓蚀剂的作用机理可分力作用形式和作用区域两个方面。在缓蚀作用形式上钨酸盐与金属表面铁离子生成了难溶的FeWO_4(Fe_2(WO_4)_3)。在缓蚀作用区域上难溶化合物填充了金属表面原有氧化物的孔隙和缺陷,参与氧化膜一起形成了一层致密的3-D立体网状膜,从而抑制了水煤浆系统中金属的腐蚀。     

重力坝下游宽尾墩联合消能工三维数值模拟

宽尾墩消力池在水利枢纽工程中已经得到广泛的应用,而中高水头宽尾墩消力池内部流场较为复杂,运用物理模型试验结合数值模拟旨在实现水利工程中消能工体型优化的目的。针对物理模型试验难以得到的详细的各项水力学指标,采用RNGk-ε双方程紊流模型和VOF方法对宽尾墩消力池联合消能工的泄洪流场进行三维数值模拟,获得了泄洪流态、流速、水面线、坝面、闸墩和消力池底板压强的分布规律。数值模拟计算和物理模型试验数据的对比分析研究,两者吻合较好,表面数值模拟分析方法能满足工程需求。     

水下PBM聚合物混凝土的运用案例分析

五强溪电厂消力池底板受泄洪高速水流的冲蚀、淘刷，在2007年10月水下摄像检查中发现电站左消力池底板板面均被磨损，局部钢筋裸露，在2008年3月进行水下PBM聚合物混凝土修补处理，经1年运行，取得了预期的效果。本文通过五强溪电厂左消力池底板水下PBM聚合物混凝土施工实例，介绍水下处理工作方案与施工工艺等经验，为类似工程水下处理提供借鉴。     

双层预应力大跨度地铁车站结构震害模拟与分析

以箱型双层预应力大跨度地铁车站开发为研究背景,采用动塑性混凝土损伤本构模型,用拉压损伤因子描述混凝土在循环荷载下的非线性与疲劳性能,综合考虑了震前土-结构自重应力、钢筋混凝土预应力和地铁车站结构的阻尼效应,对土-地铁结构相互作用系统地进行了地震过程的非线性数值模拟.分析了震害发生时大跨度预应力地铁车站结构的破坏过程、破坏形式和抗震薄弱位置.结果表明:地铁车站侧墙底部外侧首先产生裂缝,之后顶板中板在与侧墙连接处、跨中底部等位置出现裂缝,并迅速开展,部分位置甚至形成贯通裂缝;其中靠近底板位置处的侧墙外侧易产生竖向拉压破坏,顶板和中板的跨中及板在与侧墙连接处易产生水平向拉压破坏;侧墙与顶板底板连接处交替出现剪应力集中.靠近底板处的侧墙外侧与顶板在与侧墙连接处上侧位置破坏时间早,因而是影响框架安全的关键部位.     

承压水体上采煤底板断层突水规律的研究

为了分析底板含水层水压及采动矿压对底板隔水层岩体上部与下部的影响与破坏，应用了相似材料模拟试验以及断层附近底板突水的力学分析方法，对底板突水机理有了进一步的认识；同时，由断层附近底板突水的力学分析方法所得到的理论计算结果，也可以作为判别类似条件下遇断层时承压水体上采煤是否安全的依据。     

导流隧洞抗冲耐磨混凝土的设计及技术要求

导流洞底板水工混凝土遭受推移质泥沙磨损而发生破坏的问题,是水利水电工程普遍存在的技术难题。两河口水电站处于雅砻江上游,导流期间水流中会有大量推移质通过,加上导流洞设计运行时间较长,对混凝土抗冲耐磨性能有较高的要求。选择抗冲耐磨性能好、造价较低、施工方便的抗冲耐磨混凝土,以提高导流洞结构的安全,是导流洞结构设计和材料选择中的重要内容。本文在工程实例调研的基础上,结合导流洞自身特点,对工程破坏的原因及现有规程规范存在的问题进行了分析论述,认为在设计无规范可依的情况下,可以采用工程类比法选择护面混凝土。最后通过广泛的工程调研比较,选择了HF混凝土作为导流洞抗冲耐磨底板护面混凝土,提出了施工技术要求。