窄河谷大夹角挑流消能工体型优化研究

针对窄河谷大夹角条件下挑流消能易出现冲击两岸、冲坑过深的问题,采用水工整体模型试验方法对具有代表性的某水利枢纽深孔放水冲沙洞挑流鼻坎体型开展优化研究,并对比分析了水舌形态和下游河道冲刷特性。结果表明,不对称收缩的异型窄缝式消能工可使水流在狭窄河道归槽,水舌纵向拉伸效果较好,大幅减轻了河床冲刷;提出了收缩比、收缩角差、斜切面积比等特征参数适宜的挑流消能工体型,可供窄河谷大夹角条件下挑流消能设计参考。

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。

陡窄河谷挑流消能下游边坡防冲试验研究

基于拉哇水电站溢洪洞采用挑流消能,对陡窄河谷下游边坡冲刷问题进行了试验研究。通过可视定床模型,对边坡水力学参数进行分析,并与边坡动床试验进行了对比。试验成果表明:扭曲挑坎的水流流态、岸边流速以及脉动压力等指标均优于斜切挑坎,岸边最大压力点高程与基岩抗冲流速等值线最低点高程相近;采用散粒体模拟陡峻边坡,边坡冲刷形态与定床岸边流速规律呈现较好的相关性,能较好地反映陡峻基岩边坡受水流冲刷作用的破坏范围。研究成果对类似工程的岸坡支护分区划分、防护深度确定和支护结构型式的设计具有一定的借鉴意义。

连续坎挑流水舌出射角特性研究

本研究采用基于VOF水气两相流的标准k-ε双方程紊流数学模型对连续坎挑流水舌出射角特性进行了三维数值模拟研究,为计算挑流水舌出射角与挑坎体型角的差值提供理论支撑,从而达到修正工程中挑流水舌实际出射角的目的。基于不同来流条件、挑坎体型尺寸下的系列计算数据分析了来流水深、坎前断面流速、反弧半径以及挑坎挑角对挑流水舌底缘出射角、上缘出射角和出射角断面分布的影响,获得了出射角的变化规律。研究结果表明,挑流水舌出射角沿水深方向逐渐减小,底缘出射角大于上缘出射角但两者均小于挑坎挑角,并揭示了来流弗劳德数、挑坎体型参数对底缘出射角差以及断面平均出射角差的影响规律且建立了相应的计算方法,可为连续坎挑流水舌计算水舌挑距、入水范围提供精确的出射角,有助于挑流消能设计水平的提升。

松桃县大水溪水库溢洪道设计

为合理选定大水溪水库工程溢洪道方案,结合坝址区的地形地质条件,对左岸与右岸溢洪道布置方案、正槽式与侧槽式溢洪道形式、底流与挑流消能方式进行技术经济比较,最终按照投资节省原则选定左岸侧槽式溢洪道、挑流消能方案。通过水力计算,合理确定建筑物尺寸,并有针对性地提出基础及边坡处理措施。经近年汛期泄洪验证,溢洪道运行状态良好。文中提出的溢洪道方案比选思路及设计可为类似的工程设计提供一定的经验借鉴。

挑流鼻坎体型数值模拟优化研究

针对某水库溢洪道挑射水舌过于集中、消能率较低等问题,建立原连续式挑流鼻坎数学模型,通过FLUENT流体计算软件,采用VOF自由追踪液面、RNG k-ε湍流模型进行数值模拟计算,并通过物理模型试验进行验证;在验证通过的基础上,拟定双圆弧差动式挑流鼻坎优化体型。结果表明,优化体型可以分散水舌,避免水流落点过于集中,提高了消能率,可有效降低对下游河床的冲刷。

弯曲溢洪道挑流消能冲刷坑的研究

弯曲溢洪道受弯道折冲水流产生冲击波影响,在挑流消能条件下冲刷坑偏离轴线,威胁工程安全。采用弯道整治措施(隔流墙)改善不对称入流条件,通过模型试验研究了弯曲溢洪道挑流消能冲刷坑在设置隔流墙前后的形态变化及破坏机理。试验结果表明:隔流墙的设置减小了冲刷坑深度≥20cm范围,并使冲刷坑大致呈对称分布,改善了不设置隔流墙时冲刷坑较深,且偏向较大的情况。

高坝泄洪挑流消能工优化研究与应用

挑流消能工是高坝建设中应用最广的消能形式,不同工程应针对工程自身的特点进行优化研究与选择。选取长江科学院主要研究的3种不同坝型的已建工程泄水建筑物为代表,对隔河岩重力拱坝泄洪水流向心集中问题、水布垭面板堆石坝非对称狭窄河谷消能区冲刷和淤积问题,以及构皮滩双曲拱坝坝身泄洪功率最大的水垫塘消能防冲问题进行了论述。分别提出了"表孔宽尾墩非对称收缩+深孔下弯式窄缝非对称收缩+水垫塘"新型泄洪消能工布置形式、窄缝挑流阶梯式布置形式、表孔差动加分流齿与中孔不同挑角碰撞消能形式等研究成果。经工程原型泄洪考验,表明这些新型挑流消能工型式成功地解决了各工程的泄洪消能难题,也可供今后类似高坝挑流消能工程参考借鉴。

高拱坝挑跌流非碰撞水垫塘消能形式研究

在峡谷区修建高坝工程,坝身高水头、大泄量的消能防护是关键技术难题之一。本文通过模型试验和数值模拟,研究了收缩式消能工的作用和分层射流在水垫塘内流动特征与消能机理,论述了坝身分层、多孔、分散泄洪的可能型式及其优缺点。为避免射流水舌碰撞分散引起的溅水雾化问题,通过对坝身表、深孔的不同布置形式,创造性地提出表孔、深孔水舌分层入水非碰撞布局的水垫塘消能方案,和采用收缩式消能工,使表、深孔在横向交错布置,在立面分层泄流,深孔水舌穿过表孔水舌之间的空隙处射出,形成交错入水非碰撞格局的水垫塘消能方案。

挑坎水舌运动轨迹控导措施研究

依托某工程泄洪洞出口消能工体型优化试验,对常规挑坎、平面扩散型和纵向扩散型消能工(窄缝挑坎)的挑坎水舌特性进行了对比研究,其中重点对窄缝挑坎消能工鼻坎体型对水舌运动轨迹、水舌形态、入水范围的控导作用进行了初步探讨。研究结果表明:通过侧墙非对称偏向、出口局部偏转等措施实现挑坎水舌运动方向的控导效果,适应下游河道边界特殊需要,较好地解决了工程消能难题,可为同类型工程提供参考,但鼻坎体型、尺寸等参数与水舌运动轨迹的定量关系仍有待进一步深入系统研究。

溢洪道陡槽弯道设置导流墙对挑流消能的影响

为验证溢洪道陡槽弯道设置导流墙对挑流消能效果的影响,以某水库为例,对弯曲溢洪道进行水工模型试验,对比了溢洪道陡槽弯道设置导流墙前后挑流流态、冲坑淘刷形态和消能率,评价了导流墙对挑流消能效果的优化作用。试验结果表明,溢洪道陡槽弯道设置导流墙使水流流态分布均匀、冲刷坑面积及深度减小且对称分布,消能效果更好。

挑流消能水工模型试验及挑距、冲刷坑深度估算方法

通过溢洪道水工模型试验,优化了溢洪道挑流鼻坎体型结构,在拟合冲刷坑计算表达式中引入鼻坎体型系数作为挑射角角度的影响参数,通过量纲分析、回归分析,推求确定各相关参数。结果表明,在下游河床地质条件相同时,影响冲刷坑深度的因素主要有鼻坎处单宽流量、流速、上下游水位落差、鼻坎体型等,提出的冲刷坑计算公式较现行规范中公式的计算精度明显提高,更接近实测值。

周宁抽水蓄能电站下水库挑流消能方案研究

周宁抽水蓄能电站下水库大坝下游河道具有河道狭窄、边坡高陡、天然水深浅的特点,消能建筑物布置条件比较差,且大坝紧靠已建的龙溪二级电站地面厂房,泄洪对其存在不利影响。可行性研究阶段,为研究挑流消能方案的可行性,采用水工模型试验对设计方案进行优化,并对外部影响进行试验分析。通过采取底孔扭曲鼻坎、表孔俯角、下游二道坝+预挖冲坑等多种工程措施成功解决了上述技术难题。试验成果表明,挑流消能造成的下游冲刷、雾化等影响均在合理范围之内,满足本工程要求。

斜鼻坎挑流消能在黑石罗水库的应用

针对黑石罗水库现状连续式鼻坎消能效果较差,可能威胁河床及岸坡稳定的现状,通过水工模型试验,将挑流消能连续式鼻坎优化为斜鼻坎,即将鼻坎挑射角度由定值调整为渐次增大,同时偏转大角度挑射一侧反弧段边墙至泄槽轴线位置,去除小角度挑射一侧边墙及部分反弧段底板,迫使出坎水舌在平面上转向的同时沿竖向大幅拉开,在保证出射水流平顺归入河床的同时,增大挑射水流和空气的接触面积,最大限度消除水体能量,从而降低水股对落点的冲刷,达到保护河岸及相邻建筑物安全的目的。试验结果表明,斜鼻坎可以很好地适应狭窄地形条件,有效降低挑射水流对鼻坎下游的冲刷。研究成果为类似工程提供了参考。

水石门水电站溢流表孔挑流消能数值模拟

为研究水石门水电站溢流堰挑流消能问题,采用有限体积法,利用VOF追踪自由液面和RNGκ-ε紊流模型建立了溢流堰挑流消能的三维数值模型,经与模型试验结果验证,吻合较好。根据工程实际情况,拟定了多种优化消能方案并进行了数值模拟计算。结果表明,在原方案基础上适当增大挑流反弧半径,优化鼻坎挑角能分散水舌入水冲击能量,改善泄流消能作用,从而有效降低下游河床的冲刷。

基于出射流速的反弧鼻坎挑距计算

为了提高挑距计算精度及进一步补充和完善挑距理论计算方法,从出射流速的角度提出水舌上、下缘挑距的计算方法。该方法基于反弧鼻坎上流线同心圆假设,同时考虑反弧段离心力压强和静水压强,推导了鼻坎反弧段势流流速分布函数,利用出坎断面流速分布函数,得到水舌上、下缘出射流速的理论计算式,从而实现水舌上、下缘挑距的计算。采用模型试验和原型观测资料对计算方法进行了验证,结果表明,在相对出坎水深为0.15~0.25范围内,该方法对水舌上、下缘挑距均有较好的计算精度。

燕尾坎水舌冲击特性试验及数值仿真研究

泄洪防冲消能设计是水利工程设计中的重要技术问题。采用水工模型试验和数值模拟相结合的方法对连续坎和燕尾坎的水力特性进行了对比。主要研究内容包括两种挑坎的水舌运动特性、水垫塘底板动水压强分布及其扩散特性、RNG k-ε湍流模型求解脉动荷载的可行性。研究结果表明:RNG k-ε湍流模型对于连续坎和燕尾坎的水舌形态、水垫塘底板时均压强、不同工况下水垫塘底板脉动均方根的变化规律均可达到较高的模拟精度;相比于连续坎,燕尾坎对于水舌的纵向拉伸效果明显,水垫塘冲击区范围扩大,底板上的时均压强与脉动压强均方根峰值均向上游移动且大幅度减小,荷载集中程度减弱。

用能量法计算隧洞出口挑流下游基岩冲刷

高土石坝的由导流洞改建而来的永久性泄洪洞,由于导流洞的高程低,泄洪落差大、流速高,下游的基岩冲刷问题引起人们的重视。能量法是计算基岩冲刷深度的较新方法,根据参证坝址(原型已建工程)和待建坝址的平均水股剩余能量与冲刷深度的关系用冲刷能量指标ESI来估算大坝下游岩基冲深。将能量法应用于紫坪铺1#泄洪排沙隧洞挑流基岩冲刷中,并将计算结果与经验公式和试验数据比较,证明此法可行,且效果较好。

双曲拱坝坝顶表孔泄洪消能布置试验研究

为了解决某水电站碾压混凝土双曲拱坝的泄洪消能与下游冲刷问题,采用1∶60的水工整体模型对其泄洪消能布置进行了深入的试验研究,通过方案优选,最终确定中孔采用滑雪道式溢洪道,两边孔采用新型折流器实现了高低坎水流碰撞消能、横向扩散碰撞消能;最大限度地增加了落水面积,充分利用下游河道水体消能,使冲刷深度由原来的30 m左右减至18 m以内,从而较好地解决了该坝的消能冲刷问题。该试验提出的布置方式和消能工可供类似工程参考。

关于DL5108—1999和SL319—2005《混凝土重力坝设计规范》的讨论

基于电力与水利行业的DL 5108—1999和SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》,对混凝土重力坝设计的几个问题进行探讨,得到以下结论:非溢流重力坝基本断面顶点的位置应结合上、下游坝坡的选择,综合考虑安全和经济因素,通过断面的优化设计来确定;DL 5108—1999关于挑流水舌挑距的定义较SL 319—2005合理,但计算公式值得商榷;分项系数极限状态设计法在混凝土重力坝设计中的应用仍需解决分项系数的取值问题;采用混凝土强度等级代替坝工混凝土标号作为混凝土的强度指标,必须解决它们间的转换问题。