虹吸泄洪管及其应用

着重介绍了虹吸泄洪管的工作原理与运行过程、虹吸泄洪管的启动与破坏装置等,使之对虹吸泄洪管有更深入的认识。并通过实例说明虹吸泄洪管的设计过程,以及采用查表法确定虹吸泄洪管尺寸的方法。

底流消能诱发泄洪闸闸墩振动问题分析和减振措施研究

底流式泄洪闸在大流量泄洪时常伴随着闸墩剧烈振动。针对泄洪闸闸墩振动问题,以某水电站为例,基于水弹性物理模型试验和原型观测,提出改善闸墩结构和优化水库调度方案的两种减振措施。物理模型试验为研究闸墩振动提供了数据支撑,而原型观测结果验证了模型试验的可靠性。结果表明:当泄流量为5400 m^(3)/s时,通过优化水库调度,采用“低孔+表孔”联合泄洪的方式,表孔的泄流量从单独泄洪时的5400 m^(3)/s转变为联合泄洪时的低孔泄流量3481 m^(3)/s+表孔泄流量1919 m^(3)/s,表孔闸墩的振动位移标准差可从182.3μm减小到51.7μm,振动削减效果为71.6%;当表孔泄流量为10030 m^(3)/s时,通过对闸墩进行加固,闸墩的振动位移标准差可由288.8μm减小到129.6μm,振动削减效果为55.1%。

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。

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。

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。

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。

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.

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。

高速水流泄洪洞掺气减蚀设施优化设计研究

掺气减蚀设施是预防高速水流泄洪洞产生空蚀破坏的重要工程手段,文章结合新疆某工程,通过大比尺单体水工模型试验,开展了多方案掺气减蚀研究,提出了挑坎与通气槽组合的掺气体型。试验结果表明,洞身段设置2道掺气坎后,通过改变挑坎高度及体型,均能形成稳定的通气空腔和坎后流态,且容易施工,掺气效果良好,较好的解决了高速水流空蚀难题,可为类似工程的掺气减蚀研究提供理论指导和技术支撑。

某工程泄水建筑物泄洪雾化范围计算分析

为了减少泄洪雾化带来的工程影响和损失,笔者结合工程实例,根据理论公式对表孔溢洪洞、泄洪冲沙洞在不同水位下的雾化范围进行估算,并依据估算结果提出针对性工程设计建议。结果表明:表孔溢洪洞在校核洪水位下雾化影响范围最大;该工程的厂区虽位于强暴雨区横向影响范围以外,但处于雾流降雨区范围之内,设计时需考虑雾化对厂区电气设备带来的不利影响;出口边坡局部位于强暴雨区和雾流降雨区范围内,需对边坡进行加固处理并采取表面防护措施,确保边坡运行安全稳定。计算成果可为工程布置、设计提供理论支撑。

泄洪洞补气洞面积对洞内空气流动特性的影响

为研究泄洪洞补气洞面积对洞内空气流动特性的影响,采用数值模拟法,主要分析了补气洞面积对空气流场和风速的影响规律。结果表明,增大补气洞面积,洞内平均风速随之减小,但向洞内补充的空气量反而增大,且能够提升洞内空气的流畅性;补气洞面积的变化对水流自由面上方空气流速的衰减规律影响较小,仅改变流速大小;建立了补气洞内风速与水流流速和面积系数(补气洞面积/洞顶余幅面积)三者之间的关系式,利用锦屏一级原型观测数据进行验证,误差小于10%。研究结果可为水利工程中的补气洞设计提供参考。

考虑雨强贡献的大型水电站枢纽泄洪雾化影响规律分析

泄洪雾化对两岸边坡的影响一直是水电枢纽长期运行安全关注的重大问题。针对西南水电站枢纽泄洪雾化影响问题,采用随机喷溅数学模型分析了雾化影响规律,并对该模型求解方法进行了改进,在综合考虑复杂地形、水舌风、自然风及水滴飞行过程等因素的同时,以西南地区GS水电站为依托,对不同泄洪工况下的雾化降雨进行预测。结果表明,泄洪方式、地形及自然风在大型水电站雾雨区分布形态中起主导作用。GS水电站不同工况下雾化降雨呈现沿河谷两岸边坡竖向爬升的趋势,暴雨区沿左岸最高扩散至2236 m高程,右岸扩散至2188 m高程,最大纵向长度为815 m,暴雨中心雨强达600~1000 mm/h。研究成果为未来窄河谷、大规模水电站工程泄洪出口处的雾化影响分析提供了参考依据。

某水电站泄洪底孔消能工体型优化

针对某水电站消能区狭窄、左岸水电站尾水渠易受到影响的问题,为了将水舌导向消力池中央,进行了挑流导向方案和面流扩散方案体型优选,最终推荐体型为面流扩散式消能工,并采用模型试验和数值模拟相结合的方法对原设计体型和推荐体型的流态、底板时均压强、脉动压强、流速分布、冲刷特性和消能率进行了对比研究.结果表明:原设计窄缝方案消能效果良好,但水舌主流集中在左右岸两侧,造成了两岸局部冲刷;而面流扩散式方案使下泄水流形成自由面流流态,并快速扩散至整个河道,消能区扩大,有效地降低了底板时均压强、脉动压强、临底流速,且流速和压强分布更加均匀,使得下游河道的冲刷坑深度减小了34%,冲刷范围减小了35%,保障了左岸水电站的安全运行,推荐方案可为类似工程提供参考.

基于水气两相流的海拔高程对某电站溢洪道泄洪雾化的影响分析

海拔高程增加所引起的气象条件的改变会对泄洪水舌的运动产生影响,进而影响泄洪雾化风场及雨场的时空分布。为此,基于水气两相流理论,考虑不同海拔高度的环境压强、温度、粘滞性及空气密度等参数的变化,采用数值模拟的方法研究了海拔高程对泄洪雾化的影响。结果表明,相同泄洪条件下,泄洪稳定后的压强值随海拔升高无明显增加趋势,然而海拔越高,水舌空中运动所受空气阻力越小,相同条件下落水点压强增幅越大;温度降低带来的水的粘滞性增加对水雾运动影响较小,海拔高程越高,雾化风速到达最大值的时间越早,所能达到的最大值也越大;泄洪稳定时近地表雾化降雨强度随海拔高程的增加而增大,与海拔高程呈近似线性关系,此外强降雨范围随海拔的升高而逐渐扩大。

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。

昆都仑泄洪冲沙洞结构静动力三维有限元配筋计算

昆都仑水库是一座以防洪、供水为主的综合利用的中型水库。为改善水库泄洪条件,新建泄洪冲沙洞并布置于库区右岸山体内。首先,构建了泄洪冲沙洞三维有限元模型,模拟了各结构的精细构造部位;然后,采用三维线性有限单元法对泄洪冲沙洞开展静动力工况下变形、应力分析计算,基于有限元内力法进行内力计算并提出相应配筋方案;最后,进行结构限裂复核验算。选取的配筋计算方案实用可靠,为工程设计提供指导、验证复核作用并成功付诸实施。

海面上升导致泄洪延时-子牙新河案例分析

【研究目的】尽管人们普遍认为全球变化背景下的海面上升是海岸带环境变化的重要驱动因素,但对一个具体地区而言,仍缺少定量化的影响评估,以至于气候变化基础研究与海岸带实际经济社会活动之间存在日渐明显的脱节。本文是试图弥合这种脱节的一次探索。【研究方法】2023年夏秋京冀津地区大暴雨,达到了1963年之后60年一遇的量级,造成生命财产和区域经济的重大损失。本文根据子牙新河洪水闸口泄洪的具体案例,探寻海面上升潮位升高泄洪延时之间可能存在的因果关系。【研究结果】研究发现在21世纪海面上升背景下,渤海湾西岸存在潮位升高1 cm、泄洪时间减少0.02小时的潮位上升与泄洪延时之间的定量时空关系。【结论】提出潮位高于洪水位时不能泄洪的“临界点”概念,并根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)关于海面上升的最新预案,尝试做出了今后三个时间节点(2030、2040和2050年)的泄洪延时预测。

高拱坝表中孔窄缝式挑坎泄洪雾化特性分析

对古学水电站拱坝表中孔窄缝布置方案的泄洪雾化特性进行分析,根据物理模型试验成果,率定出不同频率洪水条件下,坝身表中孔的泄洪雾化水力因子,然后考虑水舌入水形态、复杂河谷地形及气象条件等因素,得到了泄洪风场与雾化降雨强度的等值线分布。研究表明,坝身表中孔采用窄缝出口体形,泄洪水舌纵向拉开,水舌两侧溅水受到前部遮蔽,且当表中孔联合泄洪时,内外侧不同水舌间也发生相互遮蔽。由于水舌两侧雾化源受到削弱,使得窄缝体形在保证消能安全的同时,能有效减小两岸雾雨爬升范围。在坝身各种泄洪条件下,雾化降雨分布范围在坝下80~700 m之间,两岸雾化雨区爬升高度仅为120~140 m,右岸下游电厂尾水出口处降雨强度0~20 mm/h,已属自然降雨范畴。

两层泄洪孔口对特高拱坝抗震性能影响研究

我国强震区200 m以上的特高拱坝,在动力响应较为显著的中上部坝体通常布置多层泄洪孔口,有必要就孔口及闸墩结构对拱坝抗震性能的影响进行研究。以金沙江上游旭龙特高拱坝为研究对象,对坝体布置泄洪孔口与不设泄洪孔口两种方案,考虑混凝土的动力损伤效应,从拱坝整体应力及变形、坝体损伤、拱坝极限承载力等方面进行对比分析。研究结果表明,坝身泄洪孔口结构对大坝整体的刚度、强度影响较小,合理的泄洪孔口布置对于拱坝主坝体的抗震安全性能影响有限;但由于闸墩的悬挑、截面变化以及孔口对坝身的削弱作用,闸墩根部与坝体交界处、上游闸墩大梁连接处等位置在强震过程中更容易出现损伤,需开展抗震设计;对于表、中两层泄洪孔口布置拱坝而言,两层孔口之间的坝体部位也是抗震安全的薄弱环节,需采取针对性抗震措施以增强抵御地震破坏的能力。

不同阻塞比旋流阻塞泄洪洞水力特性数值模拟研究

水平旋流泄洪洞中设置阻塞可增大洞内压力并改善水流空化条件,同时还可提升消能率,在高水头泄洪消能中具有独特优势。为探究不同阻塞比阻塞对水平旋流洞水流水力特性的影响,采用Realizable k-ε紊流模型与VOF法,对阻塞比0.2、0.3、0.36、0.4、0.5等5组体形水流水力特性进行了数值模拟。结果表明:阻塞比m越大,空腔直径越小,m>0.4时,空腔沿程变化变大,空腔旋流不稳定,阻塞比m不宜超过0.4;空腔旋流横断面压强近似呈底部略大的同心圆分布,阻塞比0.5较0.2体形壁面压强增大约2/3,阻塞增压效果显著,且m>0.3时增压效果更为显著;空腔旋流呈三维流速分布,切向流速沿径向近似为中心对称分布,轴向流速近似为轴对称分布;阻塞比0.5较0.2体形断面平均流速减小约1/4,阻塞减速效果显著。阻塞的增压减速效应有助于改善洞内水流空化条件,使之适用于更高水头的泄洪消能。综合来看,阻塞比选择在0.3~0.4之间较为适宜。