狭窄河道小交角溢洪道燕尾坎挑流消能研究

狭窄河道小交角溢洪道挑流空间有限,流量变化大时挑流落点不稳定。为研究这种特殊地形下燕尾挑坎消能效果,依托某实际工程,采用数值模拟的方法拟定多种燕尾挑坎方案,研究了在狭窄河道小交角溢洪道条件下燕尾桃坎的消能效果。结果表明,方案2消能效果最优,当开口与燕尾宽度比为1且开口与溢洪道宽度比为0.5时水舌掺气效果最好,水流入水前能削减更大流速,在满足起挑前提下增大跌坎角度有利于水舌纵向拉伸,提高消能利用空间。最后复核了该方案在不同梯级流量时的消能冲刷情况,发现方案2挑坎在小流量和大流量泄洪时水舌落点依然稳定,冲坑对建筑物不构成安全威胁。

考虑泄洪设施闸门控制的水库防洪调度

【目的】水库防洪调度在防汛工作中具有举足轻重的地位,而如何控制泄洪设施闸门是水库防洪调度方案实施的关键。为此,【方法】建立了考虑泄洪闸门调度的水库防洪优化调度模型以实现精细化调度,并提出一种两层嵌套算法对模型进行求解。在内层建立了包括所有泄洪闸门可行组合的泄洪闸门组合表,外层采用POA算法对水库坝前水位和总泄水量进行优化,并通过查询闸门组合表确定各泄洪闸门的运行状态。【结果】澜沧江漫湾水库防洪优化调度的实例分析结果表明:所提出的两层嵌套方法计算效率较高,对于100年一遇和10年一遇的洪水事件,洪峰分别从12010 m^(3)/s减少到10611 m^(3)/s和从5003 m^(3)/s减少到3351 m^(3)/s,分别减少了11.6%和33.0%,洪水波动幅度分别降低了94.5%和8.8%,极大地缓解了下游防洪压力。此外,与不考虑泄洪闸门调度的传统防洪调度模型相比,所提出的模型能生成更加符合实际、更易于执行的防洪调度方案。【结论】该方法能够实现水库防洪优化调度向泄洪设施运行控制的精细化转变,对于增强防洪优化调度成果的可操作性、提升水库防洪调度管理水平具有一定意义。

城市地表径流内涝关系与排洪道优化设计研究——以兰州市为例

为探究暴雨后地表径流与城市内涝关系,以兰州市为例,利用ArcGIS软件对其数字高程模型进行水文分析,获得了兰州市地表径流空间分布。根据地表径流空间分布规律,从城市全局视角分析了兰州市城市内涝问题,并对兰州市现有排洪道进行了优化。结果表明:易涝路段与径流路径具有高度相关性,地表径流流经大部分内涝路段,导致内涝发生,且径流路径的密集程度与内涝的严重程度相关,其中城关区最为严重,七里河区与西固区次之,安宁区相对轻微,符合兰州市现实情况,说明了该模型方法的正确性;内涝点集中分布在建筑用地、裸地(水泥地面等)区域,表明城市下垫面的高不透水率是造成道路积水的原因之一;优化后的排洪道使易涝区域的雨水就近排入洪道,减少了薄弱地区洪水冲入城市街道的可能性,减轻了地下排水设施的排水压力,在一定程度上能够解决城市内涝问题;将山地原始沟渠巩固、加宽、延长为新建排洪道,减少了发生山洪的风险。因该研究区域黄河穿城而过,地表径流最终通过排洪道汇入黄河,故该方法可为我国后续整个黄河流域、长江流域“一河一盘棋”的整体防洪研究提供参考。

冰碛湖溢流溃决实验研究

冰湖溃决洪水是一种自然灾害,常常造成重大人员伤亡和财产损失。冰崩、岩崩、滑塌等斜坡运动是最常见的冰湖溃决洪水触发因素。巨大的位移波造成冰碛堤被侵蚀下切再溃决的直观想法简单明了,但这种解释还是存在许多问题。冰碛湖为浅长湖泊,物质流产生的涌浪类型只有孤立位移波。在不考虑反射损失的情况下,一次往返反射后的位移波,其振幅不到原振幅的37%,可以翻越冰碛堤的位移波,可能只有第一次传播到冰碛堤的位移波。侵蚀通常是一个相对缓慢的过程,在单个位移波通过冰碛堤的水动力过程中,其时间尺度相对较短,要完成对冰碛堤的全部侵蚀是不够的,仅一阵涌浪造成的冰碛堤侵蚀很小,不足以溃决冰碛湖。然而,恒定的水流以溢流的方式侵蚀进而溃决,要比以波浪漫过坝顶的侵蚀方式溃决容易得多。巨大的波浪必须由大体积的冰崩或滑坡进入湖泊而产生,并导致水位大幅上升,水位升高是冰碛湖溃决的主要原因。本研究对西藏6个典型冰湖展开调查,其中3个发生过溃决。在室内进行了一系列冰碛坝溢洪道溢流引发铠甲层破坏的实验研究,当铠甲层被溢流冲走后,就会发生冰碛堤溃决。当溢洪道底床坡度小于19.6°时,起动铠甲层颗粒的模式为河流输运模式。当溢洪道底床坡度大于25.2°时,起动铠甲层颗粒的模式为底床破坏模式。当溢洪道底床坡度在19.6°~25.2°范围内时,起动模式为河流输运和底床破坏两种混合模式。在河流输运模式中,冰碛堤溃决临界水深和铠甲层粒径之比与溢洪道坡度转折点上下游的坡度差成反比。对于铠甲层的底床破坏模式,冰碛堤溃决临界水深与铠甲层粒径之比为一个固定值。本文的冰碛湖溃决临界水位模型在中国西藏和加拿大不列颠哥伦比亚省的野外资料中得到了较好的验证。

渐扩式台阶泄洪道消能特性及优化研究

台阶式泄洪道的结构设计和消能问题一直是台阶式泄洪道工程设计的重点.在实际工作中,通过物理模型试验和数值模拟的方法来进行结构形式和消能率的优化研究.本文通过物理模型试验,对长阳土家族自治县枝柘河流域防洪治理工程中的高陡坡渐扩式台阶泄洪道水力学特性进行了试验研究,并对其结构进行了优化设计.研究表明,本工程中渐扩式台阶泄洪道总体结构设计新颖合理,但存在转弯段结构设计问题.经过优化设计后,泄洪道水流流态良好,在设计工况时消能率达98%,达到预期消能目的.

拱坝坝身泄洪孔道脉动压力分布规律及其振动特征

【目的】高拱坝坝身泄洪安全研究涉及泄洪孔道设计、结构强度、泄洪过程中的水流压力分布和流态特性等方面。【方法】以某坝高为270 m拱坝为研究对象,利用计算流体力学模拟坝身泄洪孔道流场并分析其脉动压力分布特征,利用流体/结构耦合有限元模拟最不利工况压力脉动与坝体结构振动特征,解析泄流激励下高拱坝坝身振动机理。【结果】研究结果表明,拱坝坝身泄洪孔道内脉动压力变化极为复杂,其中表孔脉动压力最大值为133.25 kPa,最小值为29.48 kPa;中孔脉动压力最大值为5274.99 kPa,最小值为953.24 kPa.拱坝坝身泄洪孔道脉动压力在频域的能量分布均具有低频的特征,主能量分布在0~10 Hz的频率范围内。在泄流激励条件下,拱坝坝身总位移随脉动压力变化呈现一定周期性,且随周期总位移逐渐衰减,总位移值与脉动压力在同周期内先增大后减小,总位移值在1.2 s增大至最大值0.2120 cm,对应泄洪孔道脉动压力增大至极大值;拱坝坝身等效应力和等效应变的变化规律基本一致,1.2 s时等效应力和等效应变极大值分别为1426.60 kPa、7.49×10^(-5),且同周期内脉动压力呈现同样的变化趋势,拱坝坝身等效应力和等效应变与脉动压力变化具有完全的相关性。

三峡大坝运行20年泄洪安全评价

近年来国内外高坝泄水建筑物破坏事故时有发生,三峡大坝泄洪流量和落差大,泄洪功率居世界第一,其泄洪安全备受关注。结合三峡大坝自2003年蓄水以来的历次水力学原型观测和以往水工模型试验结果,围绕泄水建筑物布置、泄流能力、动水压强、水流空化、水流掺气与通气风速、空蚀磨损、消能防冲7个要素指标,依据有关技术标准和工程经验建立了一套完整的高坝泄洪安全评价方法,提出了定性标准和量化阈值,并据此对三峡大坝深孔、表孔、排沙孔和排漂孔进行泄洪安全评价。结果表明:大坝泄水建筑物布置是合理的;大坝实际泄流量与设计值符合良好;大坝泄洪流道未见空蚀磨损破坏;三峡大坝运行20 a,泄水建筑物和坝下消能区运行性态正常,泄洪安全可靠。

茨哈峡水电站泄洪洞旋流竖井段体型水力特性研究

为探究竖井旋流泄洪洞在高水头大泄量条件下的水力特性,以茨哈峡水电站为背景,进行竖井旋流泄洪洞的水工模型试验,通过比较不同衔接段体型涡室壅水和竖井底板的脉动压强,以获得上平段与涡室衔接段和竖井与导流洞衔接段的推荐体型。基于VOF模型,采用三种紊流模型对推荐体型水力特性进行数值模拟。研究发现,竖井内旋转水流的水层厚度分布不均,旋转水流切向流速的衰减梯度从上到下逐渐降低,在竖井前半段,轴向流速随竖井高度的降低增加较快,竖井中下段,主流水体的轴向流速增加明显,而副流水体增加缓慢;竖井旋流泄洪洞各部位消能差异大,竖井起始部位主要消去涡室来流的初始切向动能,中间部位主要消去旋转水流的轴向动能,下半部位利用环状水跃和消力井消去旋转水流大部分的剩余动能。Realizable k-ε紊流模型更适合模拟超高水头、大泄量、强旋转并带有自由液面旋转水流的水力特性。

溢洪道弯道段流态改善试验研究和应用

溢洪道泄槽弯道泄流时,弯道段内易产生横向冲击波,水流紊乱,流态较差,会不同程度地影响溢洪道的正常运行。该文根据广东省部分水库陡槽溢洪道水力模型试验研究成果,介绍改善溢洪道泄槽弯道段流态的断面超高、斜向高低坎、纵向导流墙、阶梯跌坎、弯道前设置消力池等工程措施,并对各种工程措施的适用性进行分析,研究成果可供类似工程设计和运行参考。

两条轴线平行布置的泄洪洞出口联合消能工布置形式研究

针对芝瑞抽水蓄能电站下水库两条轴线平行布置的泄洪排沙洞,原设计方案出口联合消能工存在消能效果差的问题,通过选用单体正态水工模型,基于水力相似准则进行水工模型试验,对出口联合消能工的布置形式进行研究。试验实测数据表明,最终推荐方案可有效提高消能效率、改善水流流态、优化设计方案,并达到了减少工程投资的目的,有效地解决了轴线平行布置的泄洪洞出口联合消能问题。

抽水蓄能电站无压泄洪洞台阶消能型式研究

基于甘肃某抽水蓄能电站泄洪洞洞内消能设计,探讨在流量及底坡恒定的条件下,台阶尺寸与消能率的相关关系,探寻台阶尺寸的初拟原则,采用现行NB/T 10867-2021《溢洪道设计规范》中跌落流上限及滑行流下限的经验公式(坡角范围为2.86°~59.53°)进行台阶消能流态的初步判别,通过Chanson半经验公式理论计算和CFD数值模拟水工隧洞底板布置不同台阶尺寸对应的消能特性。结果表明:在流量及坡度不变的情况下,台阶尺寸(台阶步长及高度)对消能率的影响有限;台阶尺寸越大,水力要素受流动边界条件影响和扰动越明显;初拟台阶尺寸时,应分析水流掺气点位置及出现掺气均匀流位置随台阶尺寸变化向上游移动的速率,同时结合实际边界条件、便于施工及后期运维等方面综合考虑,台阶高差宜控制在0.20~0.60 m。

某水电站溢洪道挑流鼻坎体型研究

某水电站位于高山峡谷区,泄水建筑物布置在右岸,溢洪道出口下游河道十分狭窄,出口消能设计应充分考虑对下游岸坡的影响,避免顶冲对岸,因此需对挑流鼻坎体型进行重点研究。通过水工模型试验,结合工程特点,对不同体型的挑坎进行分析,最终推荐四窄缝差动挑坎体型。结果表明,四窄缝差动挑坎在各工况下流态较好,水舌纵向拉开且落点处于河道中间位置,对两岸边坡影响较小,可满足工程安全运行要求。研究成果可为狭窄河床的溢洪道消能设计提供借鉴。

土坝溢洪道底流消能计算成果分析

分析佛山市某水库2019年和2020年2次溢洪道底流消能计算过程及计算成果,采用溢洪道设计规范和水力计算手册2种方法,对同一工程的消能防冲进行复核,其计算结果存在的差异及原因。为降低中小型水库除险加固工程的经济成本,结合该水库溢洪道现状,提出计算消能工的跃前水头应采用考虑泄流沿程水头损失的能量方程分段求和法,该方法更贴合实际工况,在保证安全的前提下可以降低工程实施成本。

淤地坝排洪渠—溢洪道组合式泄洪过流的物理试验和数值模拟

为探究排洪渠连接溢洪道的过流形式能否适用于满淤积状态下的淤地坝,采用物理模型试验与数值模拟相结合的方法,研究了排洪渠—溢洪道组合形式对淤地坝减蚀、泄洪能力的影响。结果表明,在该连通方式下,坝地及溢洪道内整体水流平稳,仅在溢洪道进口前出现紊乱流态;排洪渠的布设减小了坝地的径流流速,可有效抑制洪水对淤积土体的冲刷侵蚀破坏;在上游来流量较小时,溢洪道的流量系数小于设计值,但随着流量增大,淤地坝泄流能力增强并满足泄洪要求。研究结果可为后续淤地坝的除险加固工程提供参考依据。

基于正交试验的旋流竖井泄洪洞衔接段体型参数敏感性分析

竖井式泄洪洞的衔接段体型直接影响退水隧洞的流态、竖井的振动特性和消能效果。对衔接段体型的研究目前以单因素居多,多因素研究较少,在工程设计实践中对竖井体型进行优化多参考类似工程经验,尚无较为系统的优化方法。通过数值正交试验,以出口湍动能为指标,对衔接段长宽比、出口压坡收缩比、压坡坡比等衔接段体型参数进行了敏感性分析。研究表明:衔接段长宽比对出口湍动能的影响最为显著,压坡坡比次之,收缩比最低。研究成果可在工程设计中对竖井泄洪洞衔接段体型优化提供一定的参考。

利用高分七号影像的溢洪道自动识别

溢洪道是重要的水工建筑物,利用遥感影像对其进行智能识别具有重要的科学研究意义和工程应用价值。溢洪道目标对象小、背景复杂,难以与一般建筑物区分,为基于遥感影像的溢洪道目标检测带来了极大的挑战。本文利用国产高分七号卫星影像亚米级空间分辨率优势及其立体成像能力,构建了溢洪道几何立体指数(SGSI)并提出了一种溢洪道自动识别方法。首先经过数据预处理获取融合影像和高精度DSM;然后采用均值漂移(Mean-Shift)算法对融合影像进行分割,提取出分割对象的多维特征并通过多特征联合决策确定目标对象;最后结合目标对象的空间上下文关系对溢洪道图斑进行整合和后处理,从而输出最终识别结果,实现对溢洪道的自动识别。本文选取3个含溢洪道的水库大坝对所提方法进行了验证。试验结果表明,该算法提取的溢洪道边界与参考边界匹配较好,整体精度可达89.23%,能够高效、准确地对溢洪道进行自动识别。

泄洪洞挑流鼻坎体型优化及下游冲刷试验

某水电站泄洪放空洞与下游河道斜交,挑流鼻坎与所在位置河道右岸边坡距离较近,采用常规正向挑流鼻坎,会出现小流量跌流,大流量冲砸本岸,危害鼻坎基础及右岸边坡稳定。基于此,通过建立比尺为1∶35的水工模型,研究适用于泄洪放空洞与河道斜交且泄洪口靠近右岸边坡布置的新型挑流鼻坎结构。试验结果表明:斜鼻坎对解决右岸边坡淘刷严重的问题效果更佳,不管是常遇洪水还是小频率洪水情况,斜鼻坎右侧弧墙将水流翻卷后导向河床中间,竖向大幅拉伸,水舌落点远离右岸岸坡,有利于下游河道消能防冲。该研究可对实际水利工程中相似地形的鼻坎体型提供借鉴。

连续弯段溢洪道糙条消能工整流特性试验研究

为探究糙条消能工在连续弯段溢洪道上导流效果影响因子排序和糙条导流特性,采取9因素3水平的正交试验设计方案进行物理模型试验,引入超高变异系数C v对导流效果进行评价;对影响水流结构的因子进行量纲分析及多元回归处理,建立评价导流效果的多因素影响模型。结果表明:糙条布设角度和糙条高度分别对2个弯段中水流结构影响最大,这2个因素直接影响糙条平衡水面差、稳定流态效果的优劣。剔除影响较小的共用因素,得出糙条消能工最优导流布置方案;各类函数模型中最大拟合优度为0.822,拟合方程对实测值进行对比验证,二者相对误差范围在2.78%~7.15%之间。研究成果可为连续弯段溢洪道整流分析提供理论参考。

基于数值模拟的溢洪道水流沿程变化与护坡高度合理性分析

为研究溢洪道水力特性,验证工程设计方案合理性。基于SolidWorks软件建立溢洪道三维数值模型,使用Fluent软件,运用VOF方法和RNG k-ε湍流模型闭合N-S方程,对沟水坡水库溢洪道进行数值模拟。通过数值模拟得到的溢洪道水力特性数据与物理模型试验结果进行分析对比,并进一步分析溢洪道水流沿程变化规律,研究表明数值模型的可信度较高,可采用数值仿真方法对溢洪道结构进行优化。同时发现在30 a一遇洪水工况下溢洪道混凝土护坡高度不能满足正常泄洪的问题,提出在斜坡段设置两级水垫塘、加高消力池段护坡高度和缩短尾水渠长度的优化方案;利用数值模拟,分析验证了优化方案的可行性,为工程设计优化提供依据。研究成果为同类溢洪道工程采用数值仿真模拟提供了技术支撑。

数值计算方法在溢洪道阶梯消能的应用设计

为研究白盆珠水库溢洪道台阶段体型参数设计方案,采用了数值计算方法,对台阶段阶梯布置长度展开了泄流消能分析。研究表明,阶梯布置长度不同,但溢洪道断面上流速、压强变化趋势仍为一致性;阶梯长度方案差异性,会改变溢洪道流速、压强量值水平,流速随布置长度为递减变化,但降幅集中在长度50~70m方案内,而压强随之为先增后减变化,长度80m方案下压强最高,同时该方案下前三级台阶流速等值线分布均匀,流态较佳。受阶梯布置长度参数影响,消力池内流速具有两种不同变化趋势,以长度80~110m方案下流速变化更能够泄流消能,且长度80~110m方案下消能率稳定在58.3%左右。结合溢洪道断面水力特性及消力池消能特征,阶梯布置长度80m方案最优。论文可为水库溢洪道阶梯式泄流消能设计提供参考。