小挑坎在导流隧洞出口消能中的应用

针对山区河道导流隧洞出口布置消能措施空间有限的问题,采用物理模型试验,对比研究了预留岩埂、消力墩、连续坎与差动坎四种不同布置方案的消能效果,通过对比不同方案下导流隧洞出口水流流态、流速、冲刷等水力学指标,最终确定连续坎方案为最优方案。水面线和水流流态对比结果表明,该方案增大了水流的横向扩散,优化了水流衔接流态,大幅减小了水流衔接段单宽流量,进而降低了下游岸边流速,减小了下游河床冲刷。     

排水洞出口斜交河道挑流鼻坎优化研究

因工程布置需要,某水电站渣场排水洞与出口河道以60°夹角斜向上游相交,可能导致河道岸边涌浪过大、流速过快等问题,对此提出了扩散式舌形坎这种新型挑坎形式。在1∶25的水工物理模型上对燕尾坎、舌形坎及扩散式舌形坎进行试验研究,对比分析了3种挑坎体型的水舌入水形态、岸边流速、河道涌浪高度等参数,试验结果表明扩散式舌形挑坎具有横向扩散宽度大、挑距适中、挑射水流对下游河道影响小等优点,可有效解决洞轴线与出口河道大角度斜交情况下的水舌落点控制及消能问题,具有较好的应用前景。     

跌坎底流消力池在某高水头闸坝工程中的应用

针对高水头、大单宽流量闸坝工程消能问题,在分析传统底流消力池体型的基础上,提出将跌坎型底流消力池应用于高水头闸坝工程,并结合实际工程进行了水工整体模型试验,研究了消力池及下游河道水流流态、流速分布、下游河道水面线、河床冲刷情况。结果表明,跌坎底流消力池不仅体型简单、施工难度小,且在各种运行工况下均能获得稳定的流态及较高的消能率,可较好地解决高水头闸坝泄洪消能问题。     

反弧鼻坎起挑流量和终挑流量挑距拟合分析

小流量挑射情况下,起挑流量、终挑流量出坎水流的水舌均较分散,在空气阻力的影响下,出坎水流流速系数明显小于现行规范推荐的经验公式计算值。对此,在水工模型试验基础上,基于小流量水面线分析并应用规范推荐公式计算挑距。同时,应用数学回归法拟合高水头泄水建筑物起挑流量、终挑流量经验公式中的流速系数,进而计算挑距。结果表明,两种算法得到的小流量挑距计算值和实际工程吻合良好,均可直接用于挑流消能反弧鼻坎下游的防护设计。研究成果可为工程设计提供参考。     

黄登水电站燕尾型挑坎挑流消能适用性试验研究

针对黄登水电站泄洪消能原方案存在的问题,通过1∶50整体水工模型试验,研究了传统挑坎（窄缝坎、扩散坎、斜切坎）与新型燕尾坎在黄登水电站表、底孔上的适用性问题,分析了燕尾坎对挑流消能的影响。结果表明,与传统窄缝坎相比,燕尾坎对上游来流的适应性更好,挑坎边墙的动水荷载小,在拉近最近挑距、避免对右岸边坡和下游围堰堰脚冲刷的同时,减小了电站尾水区附近水流的波动,水垫塘内底板基岩的冲淤结果满足“护坡不护底”的要求,可供类似工程参考。     

一种新型溢流坝面结构的消能效果数值模拟研究

针对高坝水头高、下泄水流能量大而传统坝体消能效果较差、工程下游河道冲刷严重的问题,设计研发了一种包含分道挑流结构的新型溢流坝面,采用Flow-3D软件对其挑流消能效果进行水动力数值模拟,并与传统溢流坝面结构消能效果进行对比分析。结果表明,新型溢流坝面结构通过改变下泄水流流态分布,能有效降低水流流速,减小对下游河道的冲刷,为大坝高效挑流消能提供了新思路。     

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。     

沙坪一级水电站施工导流束窄河道冲刷防护试验研究

针对分期施工导流中通过围堰束窄河道会使河道的水流流速变大进而可能引起围堰堰坡、河床及岸坡坡脚冲刷的问题,以沙坪一级水电站一期导流为例,通过物理模型试验研究了束窄河床覆盖层的冲刷情况,并针对河床冲刷特性提出河道防护方案,最后通过数值模拟验证物理试验结果。物理模型及数值计算结果表明,导流工程的布置较为合理,围堰的设计防护措施能抵御水流冲刷,针对下游左岸岩坎处冲刷情况,采用块石防护方案能更显著改善河床覆盖层的冲刷现象。研究成果为采用分期导流的水利工程提供一定的技术参考。     

狭窄河道垂直交角泄洪洞水舌落点控制试验研究

曼转河水库泄洪洞下泄流量较大、水流落差大、出口位置处河道狭窄,且原设计中泄洪洞轴线与河道交角近乎垂直、挑距大、水舌落点处水垫层厚度小,冲刷山体严重.针对此工程特点,水工模型试验中分别采用高低坎加大消能、缩短无压段长度、控制闸门开度3种措施控制挑射水流落点,使其归入主河道,减轻了对对岸山体的冲刷,控制水舌落点效果较明显.     

杨房沟水电站初期导流模型过流试验

杨房沟水电站工程施工导流采用围堰断流、隧洞导流方式,为进一步掌握施工初期导流阶段的水流条件,确定围堰和坝体的施工安全,进行了初期导流模型试验研究。通过模型试验,测试了导流隧洞的泄洪能力、水流流态、空化数及下游流速与河床的冲刷情况,验证导流隧洞过流安全。根据模型试验结果,进一步优化了围堰堰顶高程与导流隧洞进口的进水条件,为工程初期导流设计与施工组织提供了重要的指导作用。     

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。     

倾斜底板角度对侧向挑入消力池的岸边溢洪道的影响

针对岸边溢洪道从侧面挑入与之平行布置的已有消力池来消能的布置形式,采用数值模拟方法研究了不同倾斜底板角度及挑坎与消力池间高差的溢洪道水力特性及消力池内的水流流态等。结果表明,随着挑坎底板倾角的逐渐增大,水舌左支流量逐渐减小,右支流量逐渐增大,挑坎所受最大压强与挑坎内最大水深均逐渐减小;消力池底板最大压强逐渐增大,但最大冲击点位置逐渐向消力池右侧及上游区域移动,即消力池左侧边墙与尾坎逐渐不受冲。     

益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.     

毛家河水电站溢洪道三维数值模拟

为寻求毛家河水电站溢洪道较优的泄洪消能形式,以质量守恒及动量守恒为基础,建立了κ-ε湍流模型封闭雷诺方程组,采用VOF方法追踪自由液面,对溢洪道泄流能力、水面线、底板压力及槽身和下游河道的流速进行了三维数值计算,数值计算结果与模型试验结果吻合较好,并根据工程实际情况拟定了多种方案对溢洪道全域及下游河道进行了数值模拟。计算结果表明,设置中隔墙并使左、右泄槽挑流鼻坎错开布置方案,溢洪道槽身段水流流态较好,挑射水流与下游河道水流衔接平顺且对两岸岸坡冲刷较轻,总体效果较好。     

泄流建筑物异型挑流鼻坎三维设计研究

受地形地质条件限制,水利工程中常采用异型挑流鼻坎解决消能问题,但也给异型挑流鼻坎体型的设计带来很多难题。为研究某水库工程的挑流鼻坎最佳体型,运用BIM三维建模技术,采用挑流消能鼻坎底板和边墙三维联动,改变挑流鼻坎的边墙偏转角、底板右挑高角和挑角三个参数进行结构优化设计。通过对三个设计方案进行数值模拟比选出最佳方案,并推求出最优挑流鼻坎的底板三维函数。结果表明,偏转角为19.814°、右挑高角为0°~arctan(1/12)、挑角为25°方案的挑流水舌成功规避了右岸冲刷,消能效果良好,对泄流建筑物的异型挑流鼻坎三维设计具有重要参考意义。     

某溢流坝下游泄洪消能防冲布置优化研究

为优化分析某溢流坝泄洪消能防冲布置形式,运用数值模拟的方法,建立溢流坝挑流消能及下游防冲的三维数值模型,根据工程特点,在前期物理模型试验成果的基础上,拟定多种下游消能防冲优化布置方案并进行数值模拟计算。计算结果表明,将原方案水垫塘预挖冲坑的下游斜坡改为垂直挡墙结构形式,能有效改善下游水流流态,降低预挖坑后的流速大小、均化流速分布,降低护坦处的压强,提高消力塘的消能效果,可减小对护坦及下游河床、岸坡的冲刷影响,可为类似工程设计提供参考。     

低弗劳德数宽尾墩多级消力池三维数值模拟

低弗劳德数二元水跃消能效率低,当无尾坎消力池受地形限制,其长度较短且下游水位较低时水跃无法稳定在消力池内,消力池下游护坦承受较大冲刷压力,甚至护坦出口水流余能对下游河床造成严重冲刷。对此,提出采用宽尾墩联合尾坎消力池来改善消能效果,并采用RNGκ-ε紊流模型结合自由面追踪的VOF方法对宽尾墩联合尾坎消能工的水流流场进行三维数值模拟,通过宽尾墩与平尾墩、设置尾坎与不设置尾坎的综合对比分析得出,采用宽尾墩联合尾坎消能工的消能体型可有效调控水流并提高水流的消能效率,明显改善消力池内水流流态,有效减少对护坦及下游河岸冲刷。研究成果可为类似工程提供借鉴。     

废黄河地涵工程冲淤成因及其防治措施

近年来,废黄河地涵工程出现冲淤现象,对防洪和工程安全均产生巨大隐患。通过模型试验分析了废黄河上游引河段的水流流动情况及主要冲刷区和淤积区的位置和面积,利用加丁坝挑流方式,改善上游水流状态,同时利用Flow-3D软件对地涵工程及其上下游河道进行三维水动力数值模拟。结果表明,地涵工程上游左岸有回旋区及低速区,极易造成淤积,而在河道中央及靠右岸的区域,水流流速较快,容易产生冲刷现象;建议采用3种方案交替运用的方式来进行控制,同时添加两道斜向下游的丁坝,对改善河道流态和防冲减淤具有重要的工程参考意义。     

大石涧水库溢流特性与坝下河道冲刷模型试验研究

基于物理模型试验探讨了大石涧水库溢流坝的溢流特性及不同洪水工况下坝下河道冲刷特性,发现大石涧水库溢流表孔体型设计合理,泄流能力满足设计要求;溢流堰面压强分布合理,最小负压值满足规范要求,不易发生空蚀破坏;采用连续鼻坎挑流消能,对泄水建筑物的安全性无影响,但受两岸回流影响,下游护坦末端在小流量条件下会产生冲刷;下游河道主...     

某阶梯溢洪道与光滑溢洪道水力特性对比

某溢洪道工程原设计方案采用光滑溢洪道,但光滑溢洪道出口流速较大,挑距较远,对右岸岸坡造成冲刷破坏。对此,提出采用阶梯溢洪道替换光滑溢洪道的设计方案。为定量分析两种溢洪道水力特性,采用水工模型试验与数值模拟试验相结合的方法做了对比分析。结果表明,阶梯溢洪道的消能率明显大于光滑溢洪道的消能率,有效减小了溢洪道出口流速和挑距,避免了对下游岸坡的冲刷,该修正方案合理。研究成果可为类似工程提供参考。