导流兼泄洪冲沙洞消力池体型优化及河床冲刷研究

导流兼泄洪冲沙洞中消力池经常存在水跃波动范围不稳定、水流跃出边墙等问题。为获得良好的消能防冲效果,通过数值模拟与物理模型试验相结合的方法,对导流兼泄洪冲沙洞泄洪过程的流体运动进行研究,获得流场水力性能参数以及下游河床冲刷情况,分析不同方案对消力池水力特性的影响并进行物理试验验证。结果显示:消力池末端在增设矩形尾坎后水流流态得到改善;同时池内进出口流速降幅最大为7.66 m/s,而压强分布均匀、无负压产生,且消能率达到80.60%。在设计和校核工况下,增设矩形尾坎后河床冲坑范围相较于原方案分别减少12.20 m和13.30 m,其最大冲坑深度分别较原方案减少0.48 m和1.00 m,对下游防护效果明显。研究表明:所设的体型优化方案均能有效的提高消力池的消能效果,在增设矩形尾坎后流场分布均匀且减轻下游河床冲刷的效果最佳。该研究成果可为导流兼泄洪冲沙工程提供参考。

泄洪消力池消力墩消能特性数值模拟研究

消力墩是常用的泄洪消力池消能结构物之一,对其消能效果与结构优化研究在枢纽结构设计中具有重要作用。为此,基于描述非恒定流运动的雷诺平均(RANS)方程和描述紊流运动的Realizableκ-ε湍流模型,采用VOF自由表面追踪方法,建立了模拟大自由表面变形流体运动的数值计算模型,对坝面泄洪引起的跌坎型消力池内复杂流体运动及消力墩的消能特性进行研究。首先,对不同坝面泄洪条件下消力池内水流运动进行模拟,通过将自由液面、水流流态及底板压强分布等的模拟结果与室内实测数据进行对比,验证了模型的模拟精度和可靠性;在此基础上,模拟分析了矩形、直角梯形和T形三种典型消力墩对消力池内水流流速、液面形态及湍动能分布的影响,探讨了长、宽、高相同、几何形状不同的消力墩的消能效果。结果表明,对水流能量的耗散作用,矩形消力墩优于直角梯形消力墩、直角梯形消力墩优于T形消力墩。

趾墩-悬栅消力池水力特性分析

为了解决新疆某工程泄洪洞消力池流态紊乱、消能率低的问题,采用数值模拟方法,在设计及校核流量下,对传统消力池、悬栅消力池以及趾墩-悬栅消力池3种不同形式消力池水力特性进行系统性分析。结果表明:趾墩-悬栅联合消能工改善了消力池内水流流态,消力池发生淹没式水跃,其池内悬栅与悬栅间隙处涡量分布广泛,池内整体涡量分布比悬栅消力池分布更加均匀。在设计流量下,消能率为74.41%,相较于传统消力池消能率提高2.61%,相较于悬栅消力池消能率提高0.95%;在校核流量下,消能率为78.99%,相较于传统消力池消能率提高5.64%,相较于悬栅消力池消能率提高0.95%。

某水利枢纽一级消力池底板应急度汛维修设计

某水利枢纽汛后底板表面破损严重,冲坑深度平均在10~15cm,最深处达到30cm,冲坑内存在钢筋冲毁及漏筋等现象,提出合理的应急处理方案,在下一年汛前完成施工并投入运行,是应急度汛方案设计的关键。该工程通过方案比选,根据不同的冲刷情况,选择不同的处理方案,有效的保障了应急度汛的目的。

城东电站消力池下游冲坑整治

城东电站经过20a运行,消力池下游河床因水流掏刷形成深约15m的大坑。为防止冲坑进一步向上游发展而危及消力池安全,结合冲坑的位置、水文及地质条件,依照结构简单、施工方便、投资节约的原则,进行消力池下游冲坑整治设计。冲坑整治完工至今,已经历了3个汛期洪水考验,冲坑未加深或向上游发展,可为类似工程修复设计提供借鉴。

沿海(江)水闸二级消力池消能特性研究

为研究沿海(江)水闸的消能特性,采用三维数值模拟分析与物理模型试验相结合的方法,研究了二级与单级消力池水力特性差异,及二级消力池消能的影响因素。结果表明,沿海(江)水闸采用二级消力池较单级对消能率有一定提升作用,二级的优势更体现在对水流流态的改善效果上,可有效提升消力池末端及海漫段的流速均匀度,减小底层流速,降低冲刷风险。沿海(江)水闸采用二级消力池布置,可使内外河水位平顺衔接,改善水流流态,减轻闸下冲刷,对工程应用更有利。

底坎对嵌槽消力池消能效果影响的数值模拟研究

在水利工程建设中,设计科学合理的消能防冲设施具有重要意义,是工程安全稳定运行的必要保证。本文以具体工程为背景,利用数值模拟的方式探讨了底坎对嵌槽消力池消能效果的影响。试验结果显示,在嵌槽下游设置底坎有助于降低消力池内流速,提高消力池的消能率,并根据计算结果得出了最佳方案,该研究为相关工程设计提供支持和借鉴。

大西海子水库除险加固工程消力池优化设计试验研究

泄水建筑物的设计对保证水利工程的安全具有重要意义。以大西海子水库除险加固工程为例,利用模型试验的方式,对消力池设计方案进行优化。试验结果显示,优化方案下消力池内可以形成稳定的水跃消能,出池流速显著降低,消能效果良好,建议在工程设计中选用。

自由出流的拦河水闸消力池计算探讨

拦河水闸下游消力池尾坎自由出流时,其下游河床水深ht往往小于相应的临界水深hk,消力池水力计算无法满足相关水闸设计规范水力设计的要求。目前,有关自由出流拦河水闸消力池的水力计算方法尚不够完善,给工程设计带来极大的不便。在总结有关水闸下游消力池研究成果的基础上,在假设自由出流的消力池下游河床水深ht等于临界水深hk的条件下,对自由出流的消力池尾坎高度计算进行探讨,提出了相应的计算方法。研究成果得到了水力模型试验研究的验证,具有计算较方便的特点,可供类似工程设计和运行参考。

下游极低水位溢洪道消力池布置及优化研究

溢洪道消力池的消能问题是保障泄洪安全的关键,特别是极低下游河道水位给消能布置带来更大的难度.结合某高水头水库工程岸边溢洪道,采用物理模型试验的方法,分析了下游极低水位消力池布置与流态衔接方法;研究成果建立了下游河道水深、消力池池深与水跃跃后水深的控制方法,提出了优化消力池流态的工程措施.

坎式消力池在水闸除险加固工程中的应用及水力计算

常见的底流消能工有:下挖式消力池、坎式消力池、综合式消力池。在水闸除险加固工程中,当施工受到周边建筑物制约,水闸下游无法进行基础大开挖时,只能采用坎式消力池,此时,必须复核坎后的水流流态,若坎后出现远驱式水跃,则需要修建二级消力池。文章就坎式消力池在甘溪桥水闸除险加固工程中的应用及水力计算进行了总结,供类似工程参考。

底流消力池墩栅联合消能工水力特性数值模拟研究

针对低弗汝德数底流消力池消能不充分、流态紊乱及底板时均动水压强过大而造成失稳破坏的问题,通过采用数值模拟的方法,对传统消力池内分别加设趾墩-悬栅、消力墩-悬栅、T型墩-悬栅联合辅助消能工,分析各联合辅助消能工的水力特性及消能规律。结果表明:消力池内布置3种墩栅联合辅助消能工后,相较于传统消力池,水面流态趋于平稳,消力池底板最大时均动水压强分别减小了50%、25%、12.5%,消能率分别提高了3.13%、6.06%、5.24%;相较于同种墩型消力池(未加悬栅),消力池底板最大时均动水压强分别减小了20%、25%、12.5%,消能率分别提高了0.17%、3.05%、0.39%;趾墩、消力墩、T型墩与悬栅辅助消能工联合运用具有优势叠加效应。本研究可为解决同类底流消能问题提供参考。

基于等效收缩断面的渐扩折坡消力池特性研究

针对不规则渐扩折坡式消力池中的水跃初始断面和水深难以确定的问题,提出了等效收缩断面的假设,利用坎前水深计算等效断面位置和水深,将其引入到渐扩折坡式消力池的水跃消能分析中,提出渐扩折坡水跃消能公式,为渐扩折坡式消力池中的水跃消能特性评估提供依据。此外,通过物理模型试验对渐扩折坡式消力池的水力特性进行测试研究,分析折坡水跃消能的流态、临底流速、脉动压力分布和空蚀空化分布规律。结果表明,采用等效收缩断面的消能率计算公式能够对渐扩折坡式消力池的水力特性进行合理评估,水跃发生在渐扩折坡式消力池的渐扩折坡段上,能有效缩短消力池长度,减少底板空蚀空化风险,提高消能效率。

突扩式跌坎消力池掺气脉动特性研究

高速入射水流进入突扩式跌坎消力池后卷入大量空气,形成掺气水流,气体的存在影响各项水力学指标,对工程安全造成影响。基于物理模型试验,对突扩式跌坎消力池的掺气脉动特性进行探究,分析其掺气脉动幅值特性、概率密度分布特性以及频谱特性。结果表明:无突扩跌坎消力池底板中线的掺气脉动幅值呈沿程衰减趋势,最大值出现在消力池首;突扩式跌坎消力池底板中线的掺气脉动幅值呈先增大后减小的趋势,最大值出现在冲击区;与无突扩跌坎消力池相比,突扩式跌坎消力池可以有效降低底板的掺气脉动强度;消力池底板掺气脉动概率密度曲线不服从正态分布;掺气脉动能量属于低频脉动,随流能比的增大而增大;突扩式跌坎消力池底板在冲击区的掺气脉动能量最大,突扩的存在可有效降低掺气脉动作用在底板上的能量。

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.

T型墩消力池水力特性数值模拟及结构优化

泄水建筑物下游消力池内的水流常因泄流消能不足而引起流态紊乱、震荡,出现浪花溅出边墙等现象,进而影响下游建筑物的安全稳定,因此在消力池尺寸受限无法增加的情况下,工程上经常采用诸如T型墩等辅助消能工来改善消力池内的流态,增加消能效果。采用数值模拟和模型试验相结合的方法,研究了T型墩的布置方式及主要尺寸参数变化对消力池内水流流场的影响规律。结果表明,消力池消能率随T型墩支腿长度增大而增大,设置防冲板的T型墩可增加消力池内的水深,消能效果有所提升,但消能率随防冲板长度的增大而降低;布置双排T型墩后池内流态稳定,且随前后间距增大,消能率先增大后减小。根据模拟结果推荐了合理的方案并进行模型试验验证,结果显示推荐方案消能率达到76.06%,较原方案提升了12.51%,且池内流态稳定,满足工程需求。

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.

悬栅消力池压强特性研究及优化

为了解决悬栅消力池由于时均压强过大产生底板失稳及悬栅压强破坏的问题,采用数值模拟的方法,在设计及校核流量下,对4种不同布置形式悬栅消力池内水位差及压强场进行研究,并在稳水效果较好的方案4基础上提出趾墩-悬栅联合及圆化悬栅2种消力池优化方案。结果表明,趾墩-悬栅联合优化方案相较于方案4在设计及校核流量下,底板时均压强最大分别降低63%、50%,有效降低了消力池内悬栅上表面C与下表面D之间的时均压强差值∣Δp2∣;圆化悬栅优化方案可使悬栅处总压强分布更加均匀,避免悬栅局部破坏。故针对有压强要求的大流量悬栅消力池,建议选择趾墩-悬栅联合辅助消能工消能方式。

钻孔灌注桩在水利工程溢洪道消力池中的应用

为探讨钻孔灌注桩在水利工程溢洪道消力池中的应用,采用实例案例结合理论实践的方法,立足钻孔灌注桩技术特点,分析了钻孔灌注桩在水利工程溢洪道消力池中的应用要点,以及常见问题的解决方法。

消力池尾坎坡度对池内波浪特性影响的试验研究

本文基于波浪理论,通过水工模型不同尾坎坡度条件下常规式消力池和跌坎式消力池的波浪特性的研究,结果表明:消力池平均波高随尾坎坡度的增大而减小,尾坎坡度对跌坎式消力池波高的影响更大,但平均周期与尾坎坡度没有呈现出明显的规律;通过对试验数据的分析,得到了不同特征波高间的换算关系,得出了常规式消力池和跌坎式消力池的相对特征波高H1/100/h2的经验计算式;同时还发现出池波浪特性σw/h2与尾坎坡度i存在较好的线性关系。