高含沙水流脉动特性试验研究

以某工程的表孔为依托,建立1∶100单体模型。通过配置不同含沙量的水流,对水垫塘底板含沙水流的脉动压强进行试验。结果表明,在试验范围内,水流条件不同,含沙量对脉动强度的影响不同:水流条件较强时,脉动压强随着含沙量的增大,呈现先减小后又增大的趋势,含沙水流最大脉动压强比清水最多减小24.73%;水流条件较弱时,脉动压强随着含沙量的增大,呈现先增大后减小的趋势,含沙水流最大脉动压强比清水最大增加78.74%。冲击区含沙水流脉动压力分布比清水更接近正态分布,脉动压力能量大部分集中在0.4 Hz以内,功率谱无明显的优势频率,水流主要以低频大尺度漩涡为主。通过对高含沙水流水垫塘底板的脉动压强进行观测,总结分析了不同因素影响下高含沙水流脉动压强特性的变化规律,为相关工程提供参考。     

高含沙泄洪水流的荷载特性试验研究

高含沙水流特性已有较多研究,但主要针对河道中的高含沙渐变水流开展的,而对高含沙河流高坝枢纽泄洪水流荷载特性的研究较少,本文开展了孔板消能工高含沙水流的时均压力和脉动压力特性研究。试验共研究了含沙量从0至300 kg/m~3,流速从1.78 m/s至3.73 m/s,共28组不同工况。结果表明:高含沙泄洪水流的时均和脉动压力的沿程分布规律与清水相同,但幅值变化规律存在差异,相同流速条件下时均压力幅值随含沙量的增加而增加,而脉动压力幅值受含沙量和流速条件的双重影响,随含沙量的增加呈现出先增加后减小的趋势;脉动压力概率密度分布符合正态;频率分布范围受水流条件影响随流速的增加而增加,其中低频分量随含沙量的增加而增加。根据试验结果,提出了高含沙泄洪水流荷载计算的修正方法,该方法对于高含沙枢纽的工程设计有重要参考价值。     

带键槽透水底板上举力特性模型试验研究

为保护高坝下游河床和岸坡不受泄洪高速水流的严重冲刷,危及大坝安全,需修建各类消力塘防护结构以构建大坝安全第一道防线。各类消力塘防护结构的安全是高坝泄洪安全的前提保障。随着对高坝下游防护工程的研究不断深入,相继提出了带键槽消力塘底板、透水底板等不同结构形式的底板,增加消力塘的稳定性,消力塘形式也从"被动防护"模式向"主动防护"模式转变。对"主动防护"与"被动防护"相结合的带键槽的透水底板进行研究,通过模型试验从最大值、概率密度分布、幅值和功率谱等角度分析上举力的特性。结果表明,与带键槽的底板相比,增加透水孔可以降低上举力;上举力概率密度分布基本符合正态分布;上举力幅值降低;功率谱密度更加的趋近于低频。     

高坝联合泄洪消力塘底板上举力分布特性研究

为研究多孔联合泄洪对上举力分布的影响,通过某工程1∶50模型试验对坝后水垫塘底板块上举力大小及分布特性进行了测试,并对多孔联合泄洪和表、深孔单独泄洪时的最大上举力大小和分布进行了比较。经比较分析得出：表深孔联合泄洪情况下表深孔水舌冲击点附近的上举力,与表孔或深孔单独泄洪下相应位置的上举力相比,要明显减小;最大上举力的位置也有所改变,表孔冲击点附近后移,深孔冲击点附近前移。结果表明：表深孔水舌入水后形成大的旋滚相互影响,得不到充分发展,对底板的卷吸作用明显减弱,进而导致相应上举力值明显减小,最大上举力的位置也有所改变。     

挟沙水流紊动结构的试验研究

本文通过挟沙水流紊动结构的试验,研究了其时均结构和脉动结构,明确了含轻质沙水流的紊动结构与含沙量和粒径间的关系。试验结果表明,含沙水流的卡门常数x随含沙浓度和粒径的增大而减小,而水流脉动强度则随含沙浓度和粒径的增大而加强.此外,在与清水紊流结构比较的基础上,还对挟沙水流的内部机理进行了初步探讨。     

双层泄流排沙孔门槽浑水脉动压力试验

本文根据1:40的三门峡水库双层泄流排沙孔模型的测试资料,分析了不同含沙盈时的浑水脉压强度变化、脉压幅值概率密度及脉压功率谱特性,并得出相应的结论:①存在一个含沙量临界值:当含沙量大于临界值时,脉压强度较清水为小,功率谱无优势频率;低于临界值时,脉压强度出现一峰值且较清水为大,功率谱有明显的优势频率;当低于上述峰值对应的含沙量时,脉压强度变化复杂,功率谱亦无明显变化。②浑水脉动压力幅值概率密度与清水大体一致,仍可按正态分布处理。     

黄河高含沙水流的高效输沙特性形成机理(黄河下游河道存在巨大的输沙潜力)

利用黄河主要干支流渭河、北洛河、黄河下游及三门峡水库大量实测资料,结合高含沙水流流变特性分析得出:河道中的高含沙水流的阻力与低含沙水流相同,均可用曼宁公式进行阻力计算;由于黄河泥沙组成较细,d50=0.03~0.10mm,随着含沙量的增加颗粒的沉速大幅度降低,泥沙在垂线上分布变得更加均匀,当含沙量大于200kg/m3以后发生改变;从泥沙存在对水流结构,流速在垂线上的分布特性上分析,含沙量200kg/m3左右时输送最困难,并得到河道实测资料的证实。由于粘性的增大,粗颗粒泥沙在河道中也能顺利输送,洪水期实测含沙量可达800~900kg/m3,表现出高含沙水流的高效输沙特性;黄河下游艾山以下河段实测洪水的最大含沙量为200kg/m3,在流量2 000~3 000m3/s时,高含沙洪水均可顺利输送。利用河道输送高含沙水流入海的主要障碍是改造宽浅游荡河段为窄深稳定的河槽。     

黄河下游滩区含植物水流运动及阻力试验研究

含植物水流运动规律是研究黄河下游滩区防洪的重要内容。通过开展水槽试验，测量不同水深、比降、含沙量条件下的流速分布，研究了黄河下游滩区代表性植物作用下的水流动力特性及阻力变化规律。研究结果表明，植物在非淹没情况下，纵向流速随相对水深增加，表现为先增后减；在淹没情况下，纵向流速沿垂向呈三区“S”形分布特性；相对紊动强度的沿垂线分布特点与纵向流速基本一致，但含沙量越大，水流纵向紊动强度越小。在相同比降条件下，植被糙率随佛汝德数的增加而减小；而佛汝德数一定时，植被糙率与比降成正比；相同比降条件下的植被糙率随含沙量的增加而减小。     

弱动力水流中粘性泥沙作用下水流流速沿垂线分布的试验研究

采用玻璃水槽试验的方法探讨了弱动力水流中粘性泥沙作用下水流在水流条件、含沙量及水质条件共同影响下,流速沿垂线的分布规律.结果表明:弱动力水流流速的垂线分布有其自身的特点,流量较大或含沙量较小时,都基本遵循对数分布规律;流量较小且含沙量足够大时,流速的垂线分布呈横向抛物线形,并出现明显的分层现象;此现象出现后,当含沙量较大、流量减小,或流量较小、含沙量增大时,流速极大值增加、位置向床面下移,流量较小、含沙量较大时,随着钙离子浓度的增加,流速极大值增大,且其位置更贴近床面.     

黄河多沙粗沙区高含沙水流发生频率的空间分异及其与侵蚀产沙的关系

通过对黄土高原多沙粗沙区高含沙水流发生频率的空间分异的分析,表明自北而南,高含沙水流发生频率呈现先减小后增大的趋势,这种变化趋势同时受到降雨集中度、泥沙来源以及站点控制面积等因素的影响.在研究区域内,高含沙水流发生的频率随降雨集中度的增大而减小;随流域内风沙区所占面积的增大而减小,随流域内黄土区所占面积的增大而增大;在下垫面一致的黄土区,高含沙水流的发生频率随站点面积的增大先增大后减小.以佳芦河为界,比较分析了佳芦河以北和以南(包括佳芦河)两区域产沙模数与高含沙水流发生频率的关系.结果表明这两个区域产沙模数都随高含沙水流发生频率的增大而增大,但发生相同频率的高含沙水流时,北部区域对应的产沙模数要明显高于南部区域.这种差异同时受到区域泥沙来源及流量差异的影响.     

用二维瞬变流方程分析缝面层中脉动压力传播规律

本文利用二维瞬变流方程探讨了高坝岩块底 部或水垫塘底板块底部脉动压力波的传播规律，并提出计算可能最大脉动上举力的方法和公式。     

水垫塘冲击区掺气浓度对脉动压强作用的试验研究

采用水工模型试验,研究泄流进入水垫塘后在水垫塘底板冲击区内掺气浓度对脉动压强的作用。通过改变掺气量,使水垫塘内水体的掺气浓度发生变化,开展不同的掺气浓度对水垫塘冲击区底板脉动压强影响的研究。结果表明:在保持水垫深度和泄流流量不变的情况下,增加掺气量,水垫塘冲击区同一测点水体掺气浓度值随掺气量的增加而增加。水垫塘冲击区内掺气浓度分布规律为在冲击点处达到最大值,由冲击点向上、下游递减;冲击区底板总动水压强的峰值随掺气量的增加而降低;脉动压强的方差值随掺气量的增加而减小,即脉动变幅减小。脉动压强的概率密度分布为正态分布,分布曲线随掺气量的增加而变陡、变窄,脉动强度系数分布集中,即方差变小,压强峰值减小,脉动强度减小。同一测点脉动压强的频谱分布规律一致,其优势频率集中在低频范围,随掺气量的增加,脉动幅值降低,即脉动压强降低。     

白山水电站水垫塘底板块脉动上举力试验研究

在1:35的白山水电站水垫塘消能布置的整体模型上, 利用测力传感器详细地量测了不同泄流工况下, 水垫塘底部不同位置处底板块上的脉动上举力, 获得了脉动上举力的统计资料, 分析了水垫塘底部不同区底板块的受力特征. 模型计算结果与基于瞬变流理论建立的预报公式计算结果十分吻合. 为水垫塘底板块的设计与防护提供了科学依据.     

官地水垫塘底板泄洪振动响应特性研究

利用官地水垫塘底板泄洪振动响应原型观测成果,分析了不同泄洪工况下底板振动强度的分布特征,同时应用现代谱分析方法,从频域的角度分析了底板泄洪振动的频域特征,并研究了不同泄洪工况及流量对底板振动特性的影响,以及各测点的相关性。结果表明,在官地水电站底流消能的情况下,位于消力池内前段(坝前0+149m)这一区域的板块振动响应最为剧烈,之后沿程减弱。水流的不对称流动和摆动,引起底板不同区域的板块振动强度分布规律产生显著差别。正常运行下的水垫塘底板是在水流荷载作用下的随机受迫振动,各测点的振动相关性较好,底板整体性也较好,且优势频率非常稳定地分布在0.6～1.7Hz之间。水垫塘内涡旋尺度较大,底板振动本身有着很好的相似性和明显的同步性。随着泄洪流量的增大,正常运行下的底板振动强度平稳增强,优势频率缓慢下降,且当泄流量高于1 500m3/s后,优势频率随泄流量增大而下降的速度趋于缓慢,并最终趋于稳定。     

高水头混流式水轮机内部固液两相流数值分析

针对泥沙直径对混流式水轮机蜗壳和导水机构内部流场产生影响的问题进行了初步研究,采用固液两相流模型对某电站的高水头混流式水轮机进行了全流道数值模拟,通过单一变量法来研究不同来流泥沙的直径对蜗壳和导水机构内部压力及泥沙分布产生的影响。研究结果表明:与清水相比,含沙水流会不同程度地使蜗壳和导水机构内部的水压力载荷增加,在相同工况下,蜗壳底部、蜗壳鼻端、固定导叶和活动导叶头部的泥沙浓度较大;小直径下泥沙分布均匀,随着泥沙直径的增加,泥沙浓度的梯度变大,泥沙分布更加集中,从而会使磨损加剧。该研究成果可为在含沙水流中运行的水轮机设计提供参考。     

变缝宽异型构造底板脉动压力特性试验

在水利工程中,水垫塘是大坝的重要安全防护设施之一,在高速水流冲击下,水垫塘的安全与稳定关系到大坝能否正常运行。以某消力塘水工模型试验为背景,结合模型试验结果,对比分析了不同缝隙宽度对底板下表面脉动压力特性的影响。研究表明:在水跃稳定区,带键槽底板下表面的脉动压强系数会随着键槽间的缝隙宽度的增大而增大,带键槽底板概率密度分布图的正态性较好;当键槽缝隙宽度增大时,带键槽底板可能产生的最大脉动上举力有所减小;对于相同测点,键槽缝隙宽度越大,下表面缝隙涡旋的平均尺度和脉动压力空间积分尺度都越大;随着键槽缝隙宽度变小,带键槽底板下表面的脉动能量更加集中于低频。     

挟沙水流床面冲刷深度试验研究

在清水冲刷粗化层极限冲刷深度研究的基础上,结合室内概化水槽试验,探讨了挟沙水流床面冲刷问题。不同来沙条件下床面冲刷深度水槽试验观测成果表明,随着上游单宽加沙率的增加,挟沙水流床面冲刷深度减小,挟沙水流相对冲刷深度与相对来沙条件呈线性变化趋势。参考爱因斯坦推移质输沙率公式,建立了一个能够综合反映来水来沙条件以及床面条件的床面冲刷深度计算公式。该公式计算值与试验实测值吻合良好。