基于水气两相模拟的薄水舌、大落差水力特性分析及结构影响分析

对高拱坝深孔小开度泄流时,薄水舌、大落差条件下的水力特性及对水垫塘底板结构影响进行分析。通过水力学规范公式、刘培清等人总结的经验公式对不考虑空气阻力、掺气作用时的临底水力特性进行分析;并考虑水气两相作用,采用数值模拟方法对比研究薄水舌、大落差条件下,空气对水舌的阻力及掺气作用,分析临底水力特性及结构影响,为通过坝身孔口实现水垫塘反充水的思路提供支撑,为类似研究和工程应用提供借鉴和参考。

FLOOD DISCHARGE AND ENERGY DISSIPATION BY JETS FROM OUTLETS IN HIGH ARCH DAM

In this thesis, the scale effect by an aerated water jet diffusing in the water upon the hydrodynamic pressure, the local riverbed scour by multiple layered jets and by those colliding in the vertical and the transverse directions, and the stability of the apron slab both in the inverted arch cushion pool and the flat bottom one by the large discharge and the high water head with 300m level are detailedly researched by means of model test and numerical simulation. A mathematic model simulating the destabilization of the flat bottomed slab is established to open out the mechanism of its stability. Both experimental researches both on the hydrodynamic pressure acted inside joints between the bedrock and the apron slab, and on forces at arch abutments in inverted arch cushion pool are carried out by using an advanced measurement and the imitation means to acquire the mechanism of the inverted arch pool to keep stability and its stability condition.

寒冷地区特高拱坝混凝土最高温度控制研究:以东庄拱坝为例

【目的】东庄特高拱坝位于北方寒冷地区,与国内其他已建200 m以上特高拱坝主要位于西南气候温和地区存在明显差异,混凝土温度控制难度大。为保证工程建设安全的前提下满足进度和质量要求,【方法】针对东庄大坝建设期夏季和冬季不同季节的控制最高温度标准,基于现场环境气温特性,建立有限元仿真分析模型,采用施工过程仿真技术对东庄拱坝不同冷却龄期、不同基础温差条件下的混凝土温度应力进行研究,将现场监测分析结果与仿真分析规律进行对比分析,提出了相应的最高温度控制建议。【结果】结果显示:为保障拱坝混凝土应力安全,最高温度不应高于26℃;为保障拱坝横缝可灌性,最高温度不应低于20℃。缝开度和温控防裂是一个需要协调的关系,基础温差增大,相应地,温度应力增大、开缝宽度变大、温控措施压力增大;基础温差降低,相应地,应力减小、开缝宽度降低、温控措施压力变小,但是存在缝开度不满足要求的风险,尤其在寒冷地区冬季施工最高温度较低,最终导致缝开度较小无法实现接缝灌浆工作。【结论】综合考虑以上两方面影响因素,给出了大坝混凝土最高温度控制的上限值和下限值,区间范围内最高温度的控制即可以满足接缝灌浆和防裂目的。计算成果可为拱坝施工过程的接缝灌浆温控方案调整提供技术支撑。

东庄高拱坝温控措施敏感性分析

为了提高混凝土高拱坝温控防裂安全性,结合泾河东庄230 m超高拱坝工程特点,采用三维有限元法考虑混凝土浇筑温度、冷却水管间距、水温及流量等影响因素条件下对结构应力进行计算,分析不同温控措施条件对坝体温度及温度应力的影响程度。结果表明:混凝土浇筑温度每提高2℃,坝体混凝土最高温度增加约0.8℃~1.2℃,最大拉应力增加0.2 MPa~0.3 MPa左右,混凝土开裂风险有所增加;冷却水管间距从3.0 m~1.5 m变化,可以降低内部最高温度近4℃,大幅降低了混凝土早期最高温度;冷却水水温对最高温度和通水降温速率有较大影响,通水水温降低2℃,最高温度降低约0.5℃~0.7℃左右,初冷阶段适当降低冷却水温对控制最高温度较为有利;通水流量的影响主要体现在混凝土早期最高温度和各时期通水时间方面,而对坝体内部的温度应力影响则不明显。浇筑温度、初期冷却水温是温控敏感性较大的因素。

东庄拱坝横缝开度仿真研究

高拱坝施工期混凝土浇筑、温控、接缝灌浆、拦洪渡汛是四位一体的环节,环环相扣并互相牵制,只有浇筑顶高程、冷却区顶高程、已灌区顶高程和蓄水高程协调一致,才能保证高拱坝施工按计划顺利进行。以高拱坝横缝开度为核心的方案决策暂无成功案例,而施工期横缝开度监测只能解决过去已有问题,不能预测未来,借助高拱坝横缝开度数值模拟来预测横缝开合对坝体施工的影响尤为重要。对东庄水利枢纽开展拱坝施工期横缝开度仿真分析,模拟混凝土浇筑过程、温控过程、灌浆过程和蓄水过程,从而预测拱坝施工期的应力应变状态。

高拱坝施工期未封拱坝段悬臂挡水可行性分析

以某在建高拱坝为例,应用非线性有限元方法,采用接触模拟坝体横缝,进行了大坝汛前、汛期及汛后挡水全过程模拟,分析了施工期未封拱坝段悬臂挡水的可行性。计算结果表明,汛期高水位作用下,坝体顺河向变形由向上游转变为向下游;坝体主拉应力总体<0.5MPa,基本满足规范要求;整个坝体只在应力集中部位发生了塑性屈服,坝体具有良好的稳定性;横缝开度在汛期最大减小了2.46mm,但水荷载释放后横缝开度基本上能恢复原状。仿真计算结果为高拱坝施工期采用悬臂挡水设计提供了科学依据。

考虑淤沙影响的高拱坝水库水温数值分析

本文考虑高拱坝水库淤沙的影响,采用热流耦合方法对水库立面二维水温数学模型进行数值分析,探讨高拱坝水库水温的分布规律。在此基础之上,分析了水库水温分层的形成过程及原因,并重点探讨了淤沙对高拱坝水库水温以及运行期应力的影响,对比分析了水温的规范算法、实测值和本文数值计算方法之间的差别,并对规范的水库水温计算方法进行了评价。二滩水库的数值计算结果表明,在1 060m高程以下,考虑淤沙的影响更接近实测的水温结果,而按照规范方法计算的水库水温边界条件,具有较大的安全裕度。

高拱坝气幕隔震效果的三维数值模拟

对锦屏一级拱坝进行了气幕隔震效果的三维数值模拟,其中气幕单元采用拉格朗日法中的位移格式,库水单元采用欧拉法中的压力场格式,坝体与气幕的交界面自动满足位移协调条件,气幕与库水交界面满足力的平衡条件。数值仿真结果表明:气幕显著降低了上游坝面的动水压力,气幕厚度越大,隔震效果越好。与无气幕时相比,气幕厚度为1 m、3 m、5 m时,动水压力分别降低了77.1%、83.3%、87.7%,位移反应也相应降低。因此,气幕隔震技术在水工建设中有很好的推广前景。

基于黏弹性人工边界的高拱坝气幕隔震效果

基于气-液-固三相耦合理论模型,采用动力有限元时程分析的数值仿真方法,对锦屏一级拱坝进行了气幕隔震效果的三维数值模拟。引入黏弹性人工边界的基本原理,在坝基截断边界添加弹簧-阻尼单元以考虑无限地基的辐射阻尼影响。数值仿真结果表明:气幕显著降低了上游坝面的动水压力,气幕厚度越大,隔震效果越好。与无气幕时相比,气幕厚度为1、2和3m时,动水压力分别降低了58.2%、71.5%和81.9%,位移及应力反应也相应降低。

反拱水垫塘拱端力变化规律的试验研究

分析了反拱水垫塘底板的稳定机理 ,用先进的模拟方法和量测手段 ,对反拱水垫塘拱端力进行了详细试验研究 ,得出在约 30 0米级水头和最大坝身泄流 (双曲拱坝 ) 30 0 0 0m3 s的作用下 ,拱端力沿程及随下游水深变化的规律、其时域和频域的特性。研究表明 ,若能保证两岸山体和拱支座稳定 。

小湾工程护坡不护底水垫塘的试验研究

对小湾工程高水头、大流量坝身泄洪条件下，护坡不护底水垫塘进行了系统地试验研究．在按基岩微弱风化界面铺设动床的情况下，水垫塘基岩冲刷试验表明，坝身泄洪的水垫塘控制工况是表、中孔联合泄洪的工况；在各种泄洪工况下，当基岩抗冲流速为 10～12 m／s 时，校核洪水下基岩冲刷平衡深度小于 15 m．改变二道坝高度的冲刷试验表明，二道坝高度能减少基岩冲刷平衡深度，但高度增加值和基岩冲刷平衡深度的减少值并不相等，适宜的二道坝高程为 1 004．00～1 008．00 m．改变水垫塘两岸边坡的冲刷试验表明，水垫塘底宽对基岩冲刷平衡深度的影响较大，坝身表、中孔单泄时，水垫塘底宽应大于挑流水舌横向重叠的宽度；表、中孔联合泄洪时，水垫塘底宽应大于水舌入水总宽度，否则基岩冲刷平衡深度急剧加深． 根据试验研究和分析提出了一种护坡不护底水垫塘的优化体型——勺型水垫塘，给出了体型尺寸和相应的试验结果．试验表明，小湾水电站水垫塘在现有泄洪布置和基岩抗冲流速 10～12 m／s 的前提下，采用护坡不护底的型式是可行的，如能实现，则将取得显著的经济效益．

某高拱坝中期通水冷却降温影响因素敏感性分析及最优温控措施

为准确了解某高拱坝坝段混凝土中期通水冷却降温影响因素的敏感性及其最优温控措施,采用有限元仿真分析方法,定性定量分析了中期降温阶段冷却水通水流量、通水温度、通水时长、混凝土单层层厚对坝段混凝土日降温速率的影响程度,发现通水流量及通水温度影响最大;进而构建了混凝土日降温速率与通水流量、通水温度之间的非线性回归方程,从定量角度给出了最优温控措施;这可为同类工程中期降温阶段的温控措施提供参考依据。

高拱坝坝身泄洪流激振动水弹性模拟研究

研制了对混凝土坝及基岩进行水弹性模拟的新配方和材料，并用此材料成功地对黄河拉西瓦高拱坝坝身泄洪的流激振动进行水弹性模拟试验．在比尺为１∶１５０的拱坝地基库水耦合系统的水弹性整体模型上，进行了实验模态分析，给出系统的空、满库的模态特性并与理论模态相比较；测定了拱坝坝身泄洪水舌跌落水垫塘消能时，紊流流激振动的动力响应，定量给出响应的强度和频谱；论证了高拱坝坝身泄洪的安全性．

峡谷区高拱坝射流入射水垫塘冲击压力特性的试验研究

表深孔下泄水流的横向收缩及垂向和纵向扩散效果显著,射流在空中相互交错、基本不发生碰撞;射流纵向拉伸明显,水垫塘强紊动剪切区增大,有效减轻了水垫塘底板冲击动压。同时,对4种不同流量比的表深孔射流进行研究表明,随着上下游射流流量比的逐渐增大,在不同的下游水位下底孔射流产生的最大冲击压力均相应减小。

高拱坝泄洪消能水力设计研究与应用述评

高拱坝泄洪消能的特点是坝高落差大 ,流量大 ,功率大 ,位于河谷狭窄地区 ,泄洪消能与防冲问题突出 .经科学研究 ,采用“分散泄洪 ,削弱水流冲击力 ,加固河床 ,增强河道抗冲能力”的综合治理措施 ,较好地解决泄洪消能布置问题 .提出了表孔大差动坎加分流齿、双层多孔、水流撞击、下设水垫塘联合消能的典型布置方案 ,经实践证明 ,方案可靠 ,消能效果好 .

基于FLAC3D的万家口子高拱坝整体稳定安全度研究

采用三维快速拉格朗日法软件FLAC3D对万家口子高碾压混凝土拱坝坝基加固处理方案进行坝体-坝基变形、应力分析。采用超载法研究大坝及坝基的渐进破坏过程和可能的失稳模式。研究结果表明坝体-坝基变形、应力满足规范要求,系统整体安全度为4.0,基本满足设计要求。极限承载力由坝踵处的Ⅳ类岩体、左岸坝肩不整合面和节理群的强度共同控制。

高拱坝坝身泄洪规模探析——以白鹤滩水电站为例

坝身泄洪规模对于高拱坝工程的泄洪安全有重大影响,是高拱坝水力设计中关键的技术参数之一。本文基于白鹤滩水电站坝身泄洪水工模型试验成果与水垫塘底板最大冲击压强宜小于15.0×9.8 kPa的技术基准,给出了该工程坝身泄洪规模的具体量值,并从水垫塘单位水体消能率角度与同类型工程进行了对比。试验研究表明,坝身泄洪规模与水垫塘底板冲击压强之间有显著相关性:在表孔单独泄洪运行工况下,随坝身泄流流量的增加,水垫塘底板最大冲击压强以幂函数的形式增大,且增幅十分明显;而在表深孔联合运行工况下,水垫塘底板最大冲击压强则主要取决于表孔与深孔泄流流量之比,基本上为线性关系。

300m级高拱坝大流量泄洪关键技术研究

30 0m级高拱坝大流量泄洪关键技术研究专题主要结合小湾工程研究高拱坝增大坝身泄量 ,减少 1条泄洪洞的泄量分配和泄洪消能布置、拱坝流激振动、泄洪雾化及防护措施、水垫塘体形优化和衬护结构稳定、大型导流洞改建为泄洪洞或放空洞等关键技术问题 ,提出优化的泄水建筑物及其消能防冲布置和结构设计方案。其中多项研究成果和建议已在小湾工程中采用 。

高拱坝气幕隔震及其非线性效应的数值仿真

为了研究气幕非线性对高拱坝气幕隔震效果的影响,基于高拱坝气幕隔震控制的气-液-固3相耦合数值模型,在该模型中引入了气幕的材料非线性,完成了锦屏一级高拱坝在汶川地震波作用下的气幕隔震效果研究,并与不考虑气幕非线性的计算结果进行了对比。结果表明:气幕可以显著降低拱坝上游坝面的动水压力。气幕厚度为1 m时,正常蓄水位及死水位工况,上游坝面最大动水压力分别降低70.2%和75.3%。气幕使拉应力的量值普遍降低,应力分布得到改善,拱坝的整体抗震性能得到显著提高。气幕非线性所导致的动水压力误差小于10%,因此,当动水压力在总水压力中所占比例较小时,可忽略气幕单元的材料非线性。

基于MSC．Marc的高拱坝蓄水期变形分析

针对高拱坝复杂的结构布置及施工工艺,基于大型有限元分析软件MSC.Marc,在建立的包含坝体分缝的三维有限元非线性分析模型中,对坝体横缝采用Contact单元、诱导缝采用Gap单元分别进行模拟,并通过杀死、激活技术及子程序的应用,实现坝体浇筑、接缝灌浆及蓄水过程较为真实的模拟计算。工程实例分析获得了坝体施工蓄水期变形规律及不同分缝的开合度变化情况,指出考虑接触和施工蓄水模拟后,高水位时坝体最大径、切向位移均出现在距坝顶约1/3拱高处。