消能工在白杨河水库的联合应用

针对白杨河水库枢纽工程原设计方案消力池尺寸不足,下游护坦流态不良、冲刷严重的问题,进行了四种不同修改方案的试验研究。通过对原方案及修改方案水流流态的观察,水深、流速、消能率等方面的测量计算,推荐采用“阶梯式溢洪道＋消力墩”的联合消能方案。试验表明,阶梯式消能工可以消除水流的大部分能量,减小消力池及下游护坦的消能负荷。将...     

尾坎自由出流消能计算应用实例

消能工的消能设计对于下游河床的安全有着重要影响,当消力池下游连接斜坡段形成尾坎自由出流时,其消能计算方法尚不完善。根据龙洞水库安全鉴定实例,针对其溢洪道消力池尾坎自由出流的情况进行了消能复核计算分析,可为类似工程提供一定的参考和借鉴。     

Eco‐Friendly Countermeasures for Enlarged Basins Erosion

Eco‐friendly hydraulic structures (such as block ramps, rock weirs and stepped gabion weir) are generally made of rocks placed in two or more layers on a sloped bed. They are usually used in mountainous rivers to control sediment transport. The downstream stilling basin plays an important role in terms of both energy dissipation and erosion control. In addition, a correct design of the downstream stilling basin can create an optimal habitat for fish species in the river. Therefore, in the present work, an attempt was made to control the scour depth downstream of a block ramp using rock structures. In particular, the analysis was focused on scour characteristics in the presence of a protected and enlarged downstream channel. Namely, an abrupt symmetrically enlarged channel was simulated downstream of block ramps. Eco‐friendly protection structures, such as rock sills, were tested to limit the erosive process. Rock sills were placed transversally at different longitudinal and vertical positions in the stilling basin and scour morphology variations were investigated. Experiments were carried out for two different ratios of the width of the channel to the width of the ramp and three different ramp slopes. Several scour morphologies were distinguished and classified. In addition, empirical relationships were derived, by which it is possible to estimate the main scour geometry characteristics. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

某工程阶梯溢洪道试验研究

为了改善溢洪道下游消力池的流态和减轻下游的冲刷,采用物理水工模型试验,对光滑溢洪道及不同高度阶梯溢洪道的水力特性进行了试验研究。研究结果表明,采用阶梯溢洪道之后,能大大提高溢洪道的消能率,减小消力池的入水速度,有利于下游河道及滑坡体的稳定。模型试验成果为工程中溢洪道的优化设计提供科学依据。     

设计综合式消力池的简便计算

水流经过水闸、溢流坝等水工建筑物，下游消能有时需要采用综合式消力池方案，笔者在研究单纯确定池深和坎高的基础上，导出计算综合式消力池的迭代公式，使得计算方便，而且精度能够保证。     

基于低弗氏数水流下折坡渐扩式消力池的优化

底流消能中在遇坡度情况下通常采用折坡扩散型消力池,其消能效果较好,对地形适应性强,在同等水利条件下,需要的池深更小,更经济高效。折坡式消力池的优化及应用还存在难题,该体型在低弗氏数水流下的消能与具体工程的应用具有一定研究价值。本工程水流为低弗劳德数水流,通过模型试验,在不同工况下,对折坡扩散式消力池的水深、压强、消能率等水力特性做了研究,针对三种不同体型比较优化,最终得出加深消力池与在护坦加设消能墩的方式,其对下游水深的适应更好。     

平原区水闸闸下消能防冲与闸门控制运行

针对平原区水闸闸下消能防冲与闸门控制运行的特点,基于水力学理论分析,导出了消力池最大深度的计算公式。以沙颍河郑埠口水利枢纽工程为例,确定消力池的设计方案。根据消能防冲应满足的水流条件,由系列模型试验资料绘制了闸门控制运行曲线图,继而依据该图制定了满足消能防冲要求的闸门控制运行方式。应用结果表明,采用该消力池方案设计并按此闸门控制方式运行,能很好地满足消能防冲要求。     

地震作用下重力式码头地基液化及变形

我国现行码头抗震设计规范采用的单水准抗震设计方法,不能反映不同地震烈度时的抗震性能.采用有限差分软件FLAC 3D,对重力式码头的地震响应和地基状况进行了分析计算,研究重力式码头在不同强度地震作用下地基的超孔隙水压力、超孔压比和码头位移,并用国际航运协会码头结构抗震设计指南所规定的性能设计准则进行了评判.计算表明,在强度较小地震作用下,所分析的重力式码头结构和地基的破坏程度较小,不影响结构的正常使用.在较强地震作用下,沉箱底部置换砂超孔压比增幅较小,置换砂并未液化;码头陆侧回填土层超孔压比增幅较大,回填土层在加速度峰值增加到0.2g后,在不同位置发生液化,沉箱水平及竖向位移在加速度峰值出现后急剧增大,最终导致重力式码头结构发生不同程度的破坏.     

带消力池的交汇泄洪洞水力特性数值模拟

为探究支洞设置消力池时主、支洞交汇区域水力特性,采用RNG k-ε紊流模型结合VOF方法对某工程交汇泄洪洞水流进行了三维数值模拟。结果表明,交汇区域主洞右边墙处水深先增加后减小,左边墙处先减小后增加,下泄较长距离后横向水位趋于一致;交汇口侧下游附近最大负压随交汇角增大而增大;交汇角减小时,分离区最低水位位置向主洞下游移动,交汇区底板最大压强也随之减小,在交汇角为30°时压强值最小为1580 Pa;各交汇角度时,主、支洞水流均未出现拍顶现象,洞顶余幅满足要求。与未设置消力池时对比,发现出坎水流水体流速减小,对主洞主流的冲击减弱;将部分结果与模型试验数据进行对比,吻合良好。     

台阶式溢洪道滑行流相对水力特性规律研究

台阶式溢洪道消能效果显著、能大大减小下游消力池的尺寸、节省工程量和投资,但其水流规律复杂。本文对比研究了台阶式溢洪道和同体型的光滑溢洪道,并引入台阶式溢洪道相对流速、相对弗劳德数、相对消能率等3个相对水力参数。通过模型试验,分析了台阶式溢洪道流速、弗劳德数、消能率等常规水力参数及3个相对水力参数沿程变化规律、相对临界水深及溢洪道坡度对常规及相对水力参数的影响。分析结果表明:台阶式溢洪道常规水力参数沿程呈复杂的曲线变化规律,相对临界水深及坡度对常规水力参数的影响亦较为复杂,不便应用;台阶式溢洪道相对水力参数沿程表现出良好的线性相关关系,相关系数平均值为0.9887～0.9944;相对水力参数均随相对临界水深的增大而减小,随溢洪道坡度的增大而增大。通过对台阶式溢洪道相对水力参数沿程线性规律的定量分析,并结合光滑溢洪道成熟的水力计算理论,可为台阶式溢洪道复杂水力特性计算提供新方法。     

加糙消力池共轭水深和水跃长度的试验分析

在总结国内外加糙消力池水力特性研究的基础上,给出密排加糙消力池的共轭水深和水跃长度的计算方法.根据W-S-Hughes等对密排加糙消力池共轭水深和水跃长度的试验资料,利用量纲和谐原理研究密排加糙消力池的水跃方程和水跃长度随弗劳德数、跃前断面水深、跃后断面水深和壁面粗糙度的变化规律.结果表明:密排加糙消力池的共轭水深随着跃前断面弗劳德数的增大而增大,随着壁面粗糙度的增大而减小;水跃长度也是跃前和跃后断面水深、跃前断面弗劳德数和壁面粗糙度的函数;水跃区的消能率随着壁面粗糙度的增加而增加.提出了密排加糙消力池共轭水深和水跃长度的计算式,并用其他学者已有试验资料验证了计算式的可靠性.     

跌坎型底流消能工跌坎深度在工程优化设计中的应用

以某工程导流泄洪隧洞底流消能工为试验研究对象,原方案试验中,在闸门半开工况下,下泄水流出现脱离泄槽底板现象,不利于下泄水流的消能,经研究,改变压坡段底板坡度,同时将泄槽的两个坡段改成一个坡段;原方案底流消能工消力池内均发生远驱式水跃,消能效果差,通过研究采用以最大临底流速为控制目标的最小跌坎深度计算公式,确定消力池底板高程。经两次优化试验后,消除了闸后水流脱离泄槽底板的现象,下泄水流流态稳定,消力池内形成稳定的淹没水跃消能,出池水流与下游水流衔接较好,消力池内临底流速和时均动水压强均明显降低,消能效果好。     

某水库岸边溢洪道体型优化试验研究

结合某中低水头水库工程的岸边溢洪道,以水流流态衔接、减小消力池规模为控制指标,采用物理模型试验比较了采用"光滑溢洪道+底流消力池"与"前置掺气坎式阶梯溢洪道+底流消力池"两种消能方案的优劣,对不同布置方案在不同运行工况下的水流流态、入池流速与消能率等水力学指标进行详细对比分析。研究成果表明:采用前置掺气坎式阶梯溢洪道后,消力池长度能缩短57.1%,入池流速减小最大达51.18%,综合消能率大于84%。同时,前置掺气坎式阶梯溢洪道使阶梯泄槽内掺气更充分,继而可减小发生空蚀破坏的可能性。研究成果可为类似工程设计提供一定的参考。     

折坡扩散型消力池的水跃特性试验研究

折坡扩散型消力池在中小型水利工程中经常采用,消能效果良好,能较好地适应地形变化。但由于其边界条件的复杂性,对其水跃特性的研究较少。通过水工模型试验,对不同工况下折坡扩散型消力池的水跃流态、跃长、跃后水深等水跃特征进行了研究。分析对比了在相同来流条件下,平底等宽型、折坡等宽型、折坡扩散型消力池的跃后共轭水深。结果表明,相同来流条件下,相较于等宽型消力池,折坡扩散型消力池因其单宽流量较小,可以更好地适应下游水深,且所需消力池深度更小。     

安宁水电站溢洪道消能防冲试验研究

低水头、低佛汝德数消能一直是中小型水利工程泄洪消能的关键问题,通过水力学模型试验方法,对安宁水电站溢洪道泄洪消能问题进行了研究。结果表明:通过折坡消力池中布置两排消力墩以及护坦末端加设尾坎的方案,解决了该溢洪道消力池消能及水流衔接问题,提高了消能率,改善了下游河道水流条件。     

掺气坎角度对溢流坝阶梯面掺气空腔的影响

在宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工中利用前置掺气坎连接WES曲面与阶梯溢流坝,能有效增加阶梯面掺气,避免阶梯遭受空化空蚀破坏。主要引用水气两相流VOF方法的RNG k-ε模型,采用几何重建方式对水气面附近进行插值以及利用PISO算法和非定常流算法进行数值模拟,模拟前置掺气坎角度8°,10°和11.3°时阶梯溢流坝上坎后掺气空腔长度及阶梯面压力分布,模拟范围从库区至消力池尾部。为验证模拟计算的可靠性,对阶梯溢流坝坎后掺气空腔进行模型试验,通过坎后空腔长度模拟值与实测值的对比分析,发现两者吻合较好,最大偏差为7.9%。模拟结果表明,掺气空腔长度随前置掺气坎角度的增加而增加,阶梯近壁面最大负压绝对值及压力随前置掺气坎角度的增加而增加且负压分布范围逐渐扩大。     

并线桥墩局部冲刷试验研究

针对并线桥墩在多沙河流上的局部冲刷问题,采用1:100正态模型水槽对桥梁平面正交在不同形状、上下游不同桥梁间距的桥墩布置进行了系列试验研究,对上下游桥墩在不同水流强度、不同桥梁间距条件下的局部冲刷过程进行系统观测和分析。结果表明,桥墩并线时,桥墩周围水流流态较为复杂,受上游墩阻水绕流影响,下游墩周围水流紊动强度减小,流速减弱。当上下游桥墩距离较近时,上下游桥墩局部冲刷坑深度均小于相应单独桥墩,下游桥墩冲深小于上游桥墩冲深,这种差异随桥梁间距的增大而逐步减弱。随着水流强度及桥墩尺度的增大,下游桥墩不受上游桥墩影响的距离相应增大,当流速为2 m/s、墩径为2~8 m时,其影响距离约为350~660 m。     

岸边并联泄洪洞下游河道冲坑预测

挑流水舌对下游河道的冲刷关系到工程安全。根据动量方程推导了射流在下游水垫中的扩散规律,分析了下游水垫流速对射流扩散的影响,提出了动水垫下射流的临底流速计算方法。研究结果表明:动水流速增加了射流在水中的扩散距离,促进了射流扩散及射流流速衰减,降低了射流临底流速。将研究结果应用于白鹤滩岸边泄洪洞下游河道的冲坑深度预测。模型试验结果表明:在鼻坎水流参数相同的情况下,河道中水流为动水时的冲坑深度较静水时冲坑深度减小约10%,且位于河道下游侧的挑流水舌形成的冲坑深度小于上游侧挑流水舌形成的冲坑深度。与常规预测公式相比,该方法能准确预测不同位置挑流水舌的冲坑深度,研究结果可为泄洪设施下游河道消能防冲设计提供依据。     

Investigation of turbulent flows using spillway models aiming to aid downstream migration of fish

Dams and other flow control structures constitute obstacles to upstream and downstream aquatic habitats, reducing life-cycle success and even eliminating diadromous and potamodromous fish species from river basins. Providing effective passage past hydroelectric dams is critical for restoring habitat connectivity and sustaining populations of fish species. Surface water release over spillways is effective in diverting fish from turbines and establishing a safe bypass for downstream migrants. Developing an effective passage system over spillways requires both biological knowledge of fish behavior and abilities, as well as hydraulic knowledge of spillway flows to provide hydrodynamic conditions that fish may exploit. The present study experimentally investigates several depths, velocity, and turbulence fields intended to promote the downstream migration of fish over spillways. Instantaneous velocity fields were measured in an open recirculating rectangular water channel. A 90° standard spillway model, as well as a spillway model with a modified upstream face slope of 45°, were tested for two water depths. The results show the presence of a distinct recirculation bubble at the heel of the 90° standard spillway with the shallower water depth. It was concluded that the upstream recirculation bubble may be suppressed by either increasing the water depth or decreasing the upstream face slope. Decreasing the upstream face slope also resulted in a more uniform distribution of acceleration and lower turbulence along the upstream face of the spillway. The modified spillways provide more suitable hydrodynamic conditions for downstream migrants.