水-空气耦合介质中冰载荷对闸墩的撞击影响研究

西北干寒地区长距离输水工程中河道修建的闸墩受到冰载荷撞击破坏,为确保冬季安全稳定供水,需进行冰载荷对闸墩撞击破坏力学特性研究。该文采用任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)流固耦合(fluid structure interaction, FSI)方法模拟不同碰撞工况下冰体楔入闸墩碰撞过程,并通过对比实验,验证了冰材料模型参数和ALE算法的适用性,分析了网格尺寸对撞击力的影响。研究结果表明:计算得到冰载荷对闸墩撞击力极值与实验值具有良好的吻合性,表明该模拟所采用的冰材料模型参数、ALE算法和网格尺寸能够较准确模拟冰载荷对闸墩的作用力;闸墩损伤变形与冰排破损主要集中在碰撞接触区,接触区撞击力大小受到“水垫效应”的影响,空气介质对撞击力影响较小;不同冰厚和冰速工况下撞击力时程曲线呈现“Sawtooth”(上下波动)现象,撞击力加载-卸载时间较短;冰排楔入闸墩的过程中,撞击力极值出现在0°正碰接触区,在冰速1.2 m/s~3.0 m/s范围内,撞击力逐渐减小,在不改变冰速工况下,随着冰厚的增加,墩体结构响应越大,冰速和冰厚两种影响工况下闸墩顶端位移均为周期性振动。其仿真结果拟为西北干寒地区冰期河道中墩体结构安全提供指导。

基于BIM和图像识别技术的水闸闸墩浇筑高度识别方法

水利工程施工进度不仅影响工程建设成本,还可能因度汛问题影响工程安全。基于BIM技术和图像识别技术提出了一种虚实结合的闸墩浇筑高度识别方法。利用BIM技术建立闸墩虚拟模型,可得到不同闸墩浇筑高度的虚拟图像数据集;采用改进后的深度学习算法Vision Transformers对闸墩浇筑高度虚拟数据集进行训练学习,得到能够识别闸墩浇筑高度的识别模型;在实验室建立闸墩真实模型,模拟不同闸墩浇筑高度,利用摄像机获取闸墩不同浇筑高度实景图像,再利用经过训练的识别模型对实景图像进行验证。结果表明,所得模型能够精准识别闸墩浇筑高度的实景图像。该方法可推广应用于水利工程主体建筑物的真实施工进度识别,也可为数字孪生水利工程建设提供支撑。

基于BIM和YOLOv5的闸墩浇筑高度智能识别方法

水利工程施工进度是工程建设方关注的重要事项。为实现水闸工程的智慧化建设,基于BIM技术和图像识别技术提出了一种虚实结合的闸墩浇筑高度识别方法。通过BIM技术建模,生成了包含不同闸墩浇筑高度的虚拟图像数据集;利用深度学习的目标检测算法YOLOv5对虚拟数据集进行训练,得到能准确识别不同浇筑高度闸墩的智能模型。在实验室搭建具有不同浇筑高度的闸墩模型,通过摄像机拍摄获取不同高度闸墩的实景图像,再利用该智能识别模型对实景图像进行验证。研究结果表明,该模型能够准确识别实际场景中闸墩的浇筑高度,可广泛应用于水利工程主体建筑物的实际施工进度识别,为数字孪生水利工程建设提供有效的模型支持。

闸站枢纽泵站前池流态及其改善数值模拟研究

分析了沙集闸站前池泥沙淤积成因,并试图改造在下游新建清污机桥,应用桥墩改善前池流态、减少泥沙淤积,采用三维建模软件UG NX建立河道流场三维模型,基于ICEM CFD进行计算域网格划分,并使用ANSYS CFX进行数值计算。计算结果表明:现状抽水工况下,导流墙内侧存在大范围低速区,因而产生大范围泥沙淤积。将泵站下游两侧导流墙延长至60 m,在导流墙头部新建清污机桥,应用桥墩导流,导流墙内侧低速淤积区范围大大减小,泵站进水流态大为改善。

旬阳水电站超大弧门推力泄洪闸预应力闸墩设计

旬阳水电站泄洪闸闸墩承受的荷载以及结构较复杂,弧门尺寸为14m×25m(宽×高),弧门总推力高达72094kN,为目前国内已建水电工程中最大弧门推力。为降低超大推力在闸墩颈部产生的较大拉应力,采取预应力锚索、锚块上游部位颈缩、锚块设置拱向下游的空腔等措施。通过三维有限元的计算分析及运行实践表明,这些措施能有效控制闸墩锚块上游支铰处颈部产生的较大拉应力,预应力闸墩总体受力比较均匀,应力水平较低。本文内容可为类似工程提供一定的设计思路。

斗龙港闸闸墩伸缩缝维修技术探析

针对斗龙港闸闸墩伸缩缝维修潜水作业强度大、维持作业高度难和水下定位密封难的特点,采取专业潜水员利用重装潜水设备实施LW聚氨酯灌浆修补技术,效果良好,解决了伸缩缝渗水漏水情况。该技术修补挡潮闸闸墩伸缩缝具有工期短、质量优、效益佳的特点。

河道水闸闸墩裂痕的成因与防治方法研究

为了加强对河道水闸闸墩裂痕问题的防治力度,推进河道水闸整治工程建设,建立闸墩有限元模型,研究温差应力、浇筑时间间隔与闸墩裂痕的关系。结果显示,随着施工间隔的增加,底板和闸墩的最大拉应力呈递增趋势,更容易产生裂缝;设置冷凝管的闸墩在第5天的最大应力相较于设置前的最大应力减少100 kPa。研究表明,合理的闸墩浇筑时间间隔与冷凝管的敷设,能够有效预防和治理河道水闸闸墩的裂痕问题。

大吨位预应力锚固技术在落久水利枢纽泄水闸闸墩中的应用

随着预应力锚固技术的不断发展,单束预应力锚索设计锚固力也在逐步提高,大吨位预应力锚固技术更广泛地应用于水利水电工程泄水建筑物闸墩建设中,使大孔径、高水头泄水闸的布置型式得到有效的发展,有利于窄河床、大泄量的泄水建筑物的布置。本文详细地介绍了广西落久水利枢纽泄水闸闸墩预应力锚索的设计及施工要求。

闸站并列布置工程泵站前池流态改善

为研究闸站并列布置工程泵站运行时清污机桥位置对前池内水流流态的改善效果,以南水北调东线刘山泵站工程为例,基于Navier-Stokes方程和Standard k-湍流模型对前池原设计方案和改进设计方案的进水流场进行了定常数值模拟,分析比较不同开机组合时前池流场分布和流道进口后断面的流速分布均匀度及速度加权平均角度,并进行水工模型试验验证。结果表明:原设计方案前池在4号和5号机组进水流道进口前存在回旋区,4号机组流道进口前产生有害吸气旋涡;改进设计方案前池将清污机桥整体向泵房方向移动25 m,并将节制闸与泵站间导流墙长度减短使其头部与清污机桥墩齐平,不仅消除了4号机组流道进口处有害吸气涡,还将4号机组进水流道进口流速分布均匀度平均提高2.5%,泵站进水流态改善显著。通过调整泵站进口清污机桥桥墩位置解决了前池流态存在的问题,不需再另增底坎、立柱和导流墩等措施,研究成果可为同类型工程研究提供参考。

水动力作用下流冰撞击闸墩的动力响应研究

高寒地区河冰撞击河道的闸墩结构会产生极端冰载荷和冰激振动,水的动力效应使得碰撞过程更加复杂。采用任意拉格朗日-欧拉流固耦合方法,考虑作用在流冰和闸墩表面的流体力,建立了水-冰-闸墩耦合模型,探究了偶然极端条件下冰-闸墩碰撞的力学特性,设计了冰-砼碰撞实验。结果表明:冰-砼碰撞实验中,撞击力的模拟结果与实验结果吻合良好;对流固耦合的水动力效应分析发现,水-冰-闸墩耦合模型能够体现水的流体特性,在流冰撞击闸墩近场逼近过程中,初始时刻水的动力效应能够增加流冰的动能,撞击楔入闸墩过程中,水介质形成一个瞬态高压力场,产生水垫效应吸收冰体部分动能,从而抑制流冰运动;在不同流冰体积和压缩强度工况下,闸墩结构所承受的冰力随着流冰体积的增大而增大,流冰压缩强度对冰力的影响较小,流冰损伤与闸墩结构响应主要集中在碰撞接触区,流冰撞击闸墩结构引起冰激振动,流冰体积对闸墩振动加速度的影响较大,相同体积的流冰随着压缩强度的增大,振动幅值差异不明显,表明流冰体积是影响冰-闸墩碰撞的关键参数。

闸墩高度对闸墩顶部结构动力响应的影响

水闸工程是我国河湖防洪体系中的重要组成部分,一旦破坏将会危害下游大坝及民众的生命财产安全。本文针对闸墩顶部的排架柱及机房等结构的动力响应问题,通过对比某水闸工程不同闸墩高度时的动力响应差异,探索闸墩高度对闸墩顶部结构动力响应的影响。研究成果表明:闸墩底部位置损伤将随着闸墩增高而逐渐减小,闸墩顶部排架柱底端损伤随着闸墩增高而逐渐增大;顶部机房在动力作用下易出现相对明显的鞭梢效应,位移远大于底部特征点;闸墩高度对底板动力响应的影响微小;启闭机梁变形结果受闸墩影响较大,位移随闸墩高度增加的幅度有限;顶部机房位移受排架柱破坏情况影响较大,且鞭梢效应明显。

拦河闸缝墩整体一次浇筑施工方法

拦河闸缝墩整体一次浇筑施工在不改变设计初衷的前提下,可以使缝墩整体支模、一次性浇筑到顶,既能保证缝墩的施工质量,又加快了施工进度,缩短了工期,还能减少建筑材料等投入,降低施工成本,节能环保,大大缩短了作业人员在高处作业环境下的暴露时间,进而降低了施工风险,确保了项目施工安全。

孤山航电枢纽工程泄水闸孔与厂房共用边墙结构型式研究

为缩短孤山航电枢纽工程的坝轴线长度,减少坝肩边坡开挖高度,节省工程投资,提出了水电站厂房边墙与泄水闸弧形闸门边墩相结合的共用边墙结构型式,并对共用边墙结构的受力情况进行了三维有限元数值分析。结果表明:共用边墙新型结构优化了弧门支撑处的应力与变形状态,弧门推力和水压力对厂房边墙整体的应力、变形影响较小。经过水库正常蓄水和3个汛期泄洪的检验,电站厂房和泄水闸运行情况良好,验证了该结构的安全可靠性。研究成果可为同类工程设计提供参考。

水闸闸墩温度场及应力场仿真分析

水闸闸墩开裂已成为水闸建设中的通病 ,要深刻地量化揭示这些裂缝形成的机理 ,需要发展能精细地模拟混凝土的材料特性、浇筑过程及外界环境条件变化的数值方法 .为此 ,应用非稳定温度场和徐变应力场仿真程序对裂缝产生的原因进行了探讨 .结果表明 ,对水闸闸墩这样的水工薄壁结构 ,如果没有有效的温控措施 。

泄洪闸闸墩原型振动测试、预测与安全评价

针对某一大型水电站泄洪闸闸墩在其泄洪过程中出现的强烈振动情况,系统地开展了闸墩原型振动测试、振动响应数值模拟预测与运行安全评价研究。首先,对常遇洪水工况下的泄洪闸闸墩进行了原型振动测试,提取了闸墩结构在不同运行工况下的泄洪振动时域和频域特征;其次,基于重力相似准则,研制了闸墩整体水力学荷载测试模型,对非常洪水工况和常遇洪水工况下闸墩的整体水动力荷载进行了测试,分析了不同洪水工况下的整体水动力荷载特性;然后,以模型试验所获取的整体水动力荷载时程线作为输入,进行了闸墩振动响应数值模拟计算,与原型观测工况结果进行了对比验证,并对非常洪水工况下闸墩的最大振动响应进行了预测;最后,对闸墩的泄洪振动进行了安全评价。结果表明,泄洪闸闸墩过大的振幅使其产生疲劳破坏的可能性很大,且不利于运行人员的正常操作,建议对闸墩进行抗振加固。

闸墩内部水管冷却和表面保温措施的抗裂作用研究

本文针对闸墩施工期混凝土易开裂的问题,分析了闸墩在施工期混凝土的开裂原因,说明了采取闸墩内部水管冷却和表面保温两种不同温控措施的防裂机理与效果。指出单纯表面保温措施能虽够减小闸墩早期内外温差和表面拉应力,却使得混凝土的温升和温降幅度加大,闸墩冷缩期内部拉应力显著增加。于是提出内部水管冷却和适度表面保温相结合的闸墩温控防裂新思路,并已在姜唐湖泵送混凝土退水闸工程中得到应用,严寒季节施工的所有16孔闸室泵送混凝土都没有开裂,收到了较好的防裂效果。

闸墩冰荷载及过冰能力的模型试验研究

本文针对我国东北地区某航电枢纽设计中泄洪闸闸墩的冰荷载以及流冰期排冰的问题进行了对应的物理模拟试验。通过孤立闸墩和双闸墩的冰荷载试验,证实了边界条件对冰荷载的影响,获得了边界影响系数.不同冰速的试验也证明,冰速对于冰力具有明显的影响。文中将试验结果与理论公式计算进行了比较并提出了作者的看法,可供工程设计人员参考。根据现场实测资料,进行了三种江面冰排不同分布和密度的闸墩过冰能力的定性物理模拟试验,阐述了现有工况下闸墩间流冰通过的可能性。

冰模拟实验与水利工程

冰及冰凌的威胁是与人民生命财产安全密切相关的重大问题。由于冰问题的复杂性,可靠地确定冰荷载的方法应该是:理论(包括公式计算)的方法与室内模型实验或现场观测密切结合,因此冰模拟实验已成为工程设计及工程论证不可缺少的工具。通过对冰模拟实验以及低温冷冻模型冰特性的论述和水工结构物冰荷载模拟实验的实例,阐述了冰模拟实验技术对水工建筑物冰问题研究的必要性和适用性。

临海既有混凝土氯离子侵蚀及钢筋初锈时间预测

临海混凝土结构承受着荷载和氯盐侵蚀等多种因素的共同作用，工作环境严酷.根据取得的温州市瓯江口一座既有水闸的闸墩混凝土芯样，推定了混凝土的实际配合比；测定了芯样中不同深度处的自由氯离子浓度，分析了在自然环境下该既有水闸闸墩混凝土的氯离子侵蚀规律；基于Fick第二定律和Monte Carlo法，计算了该闸墩混凝土的氯离子扩散系数及钢筋初始锈蚀时间.结果表明：使用5350d的临海水闸闸墩混凝土中存在明显的氯离子对流区，其厚度超过20mm；在多种因素作用下，临海水闸闸墩混凝土抗氯盐侵蚀的性能严重降低，钢筋初始锈蚀的临界氯离子浓度（质量分数）为0.12%-0.18%，其初始锈蚀时间约为3000d；采用Monte Carlo法预测自然氯盐环境下混凝土中钢筋初锈时间是可行的.

水闸闸墩施工期温度场和应力场的仿真计算分析

结构的内外温差、基础温差是混凝土结构施工期易开裂的主要原因,为此,结合混凝土温度场、应力场的基本原理和水管冷却的精确算法,通过三维有限单元法对施工期某水闸闸墩进行仿真计算,分析闸墩混凝土施工期温度场、应力场的时空变化规律,得出在温降阶段闸墩门槽处是裂缝容易出现的地方计算结果表明,表面保温和内部水管降温相结合的温控措施既能减小结构的内外温差又能降低结构的基础温差,具有良好的防裂效果,且模板外面贴保温板的保温方法能使混凝土表面的施工质量得到明显改观,值得应用推广.