跌坎消力池上举力特性试验研究

基于某水电站溢洪道消力池底板的稳定性分析,对跌坎消力池底板的上举力特性进行了试验研究。结果表明:跌坎高度比对消力池底板上举力有显著影响,适当增加跌坎高度可以降低消力池底板块上举力。由水力条件建立了底板块单位面积最大上举力的估算公式,根据估算得到的最大上举力可以计算底板稳定所需的锚固力;底板的脉动压力和单位面积脉动上举力基本呈线性关系,在数值上单位面积脉动上举力约为脉动压力的53%;底板脉动上举力和最大上举力基本呈线性关系,在数值上单位面积脉动上举力约为最大上举力的24%。     

有关溢洪道衬砌板块厚度设计的探讨

脉动上举力是导致消力池或水垫塘底板发生揭底破坏的主要原因之一。在设计溢洪道衬砌板块的厚度时必须考虑脉动压力的作用。该文对脉动上举力的形成进行了理论分析和推导。得出板块所承受的瞬时最大脉动上举力的表达式。并据此给出衬砌板块的设计厚度公式．通过与实验结果等的比较,认为这一结果是合理的。     

有关溢洪道衬砌板块厚度设计的探讨

脉动上举力是导致消力池或水垫塘底板发生揭底破坏的主要原因之一.在设计溢洪道衬砌板块的厚度时必须考虑脉动压力的作用.该文对脉动上举力的形成进行了理论分析和推导.得出板块所承受的瞬时最大脉动上举力的表达式.并据此给出衬砌板块的设计厚度公式,通过与实验结果等的比较,认为这一结果是合理的.     

止水破坏情况下的消力池护坦稳定分析

阐述止水破坏情况下消力池护坦受到脉动上举力的作用,并初步探讨止水破坏情况下消力池护坦抗浮稳定计算原则,对比止水有效及破坏情况下消力池护坦抗浮稳定安全性,提出应重视脉动上举力对消能工稳定的影响,并结合脉动上举力的产生机理及对板块的破坏形式提出消力池护坦防护措施.     

消力池底板破坏原因和预防措施

介绍了国内外研究成果提出的脉动压力是导致消力池底板揭底破坏的主要原因，并论术字计入脉动荷载的消力池底板块的设计和防护措施。     

消力池或水垫塘底板稳定性设计与防护

以往在消力池或水垫塘底板的稳定性设计中，很少注意板块上脉动荷载的作用。近年来，由大多数底板块失事工程事故分析表明，脉动压力在底板块的破坏过程中是一个不可忽视的要素，有些工程甚至起决定作用。因此，板块的稳定性设计必须考虑脉动荷载的作用，特别是对于中、高水头中。为此，对考虑脉动荷载的板块稳定性设计方法进行了详细的分析，提出了不同工况下的计算公式，并对增强板块稳定性的各种必要措施进行了讨论，以望供设计部门参考。     

脉动压力在消力池底板缝隙传播的瞬变流模型和渗流模型统一性探讨

消力池或水垫塘底板发生揭底破坏的主要原因是由于脉动压力在板块缝隙中传播，可能瞬时生成足以抵抗板块自重的脉动上举力，最终导致板块失稳破坏。本文针对脉动压力的两种传播模型，即瞬变流模型和渗流模型，分析其各自的优劣以及适用性，研究缝隙中脉动压力的传播机理。通过理论分析和数值模拟得出，这两种模型是内在统一的，但各自的适用性不同。瞬变流模型对缝隙严重堵塞情形或水力瞬变情形都适用。而渗流模型仅仅适用于缝隙中严重堵塞的情形。     

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。     

在冲坑底部岩块上脉动上举力的实验研究

本文以瞬变流模型为基础，在三峡溢流坝断面模型冲坑底部，详细地量测了不同尺寸岩块上的脉动上举力，获得脉动上举力的统计资料，验证了瞬变流理论的分析成果，为探讨基岩的冲刷机理和水垫塘内混凝土底板块的设计提供了科学依据。     

高坝下游水垫塘混凝土底板块的稳定性分析

本文利用随机振动理论详细地分析了高坝下游水垫塘底板块的失稳破坏机理和板块的起动过程，建立了板块振动过程和脉动上举力之间的统计联系，并在此基础上导出了板块的动态稳定性条件，为板块的设计提供了科学依据。     

连续跌坎型底流消能工水力特性的影响因素研究

通过大量的试验,测量了消力池底板压强分布规律、池内流态和流速分布,着重分析了入池水流单位重量水体能量、入池角度和跌坎高度的变化对消力池底板冲击压力、临底流速、池内流态及消能率的影响。研究表明,连续跌坎型底流消能工的跌坎高度与入池角度之间存在一种最优组合,可既保证消力池中消能率高,又能满足临底流速和底板动水冲击压力小的要求。该研究成果可为工程设计提供一定的科学依据。     

乌江银盘水电站消力池及导墙脉动压力特性研究

依托乌江银盘水电站,对底流消能消力池底板及导墙脉动压力特性进行了较系统的水力学模型试验研究。通过大量点、面水流脉动荷载测试数据的综合分析,获得了消力池底板及导墙动水压力的分布规律。该研究丰富和发展了底流式消力池及导墙的脉动压力特性研究,可为对该类消能形式水流动力特性的深入研究提供科学参考。     

跌坎型底流消能工水力特性的试验研究

采用水力学试验方法，对跌坎型底流消能工的水流流态、时均动水压力分布以及临底流速进行了分析。并对影响消力池水力特性的跌坎深度和水流入池角度进行了研究。研究表明跌坎型底流消能工能有效解决高水头、大单宽流量消力池水力学指标过高的问题。     

双浅水垫消力池水力特性的数值模拟与试验研究

结合大渡河泸定水电站右岸2#泄洪洞出口消力池体型优化试验,在一般浅水垫消力池体型的基础上,提出了一种双浅水垫消力池的新体型。为了深入探究该型消力池的消能机理及其水力特性,采用三维RNGk-ε紊流模型对双浅水垫消力池进行了数值模拟计算研究,并与传统的底流消力池及单浅水垫消力池(跌坎式)的数值计算结果进行了对比分析。结果表明,双浅水垫消力池更能充分发挥浅水垫的"垫层"作用,能有效地降低消力池临底流速,水跃流态更好且稳定,消能效果较佳;同时,消力池底板动水压力分布也更加均匀,对消力池稳定性和安全有利。     

低弗劳德数梯形墩-悬栅消力池水力特性

针对大单宽流量、低弗劳德数消力池内消能问题,通过物理模型试验方法,对比分析消力池内加设梯形墩和悬栅消能工后水力特性和消能效果,优化梯形墩-悬栅消力池布置形式。结果表明：在低弗劳德数水流条件下,梯形墩-悬栅联合消能工断面水深分布均匀,消力池底板沿程压力分布梯度和时均压力分布系数波动幅度较小,整体稳定性较优;动能修正系数基本保持在1<α<2的范围内,可有效改善入池断面流速分布;消能率由传统消力池的52.25%、70.37%、75.89%分别提升至56.74%、75.95%、79.22%;梯形墩-悬栅消力池内悬栅单排等间距、高度与尾坎同高布置时,梯形墩呈双排交错形式布置在距池首0.35L左右处对于整体流态改善明显,消力池出口流速可降至0.4 m/s,消能率提高至59.63%、76.12%、79.37%,研究结果可为同类工程的底流消能问题提供一种新思路。     

跌坎型底流消力池的水力特性与优化研究

本文以向家坝高水头大单宽流量水电站为例，对旨在降低消力池临底水力学指标的跌坎型底流消力池进行了系列水工模型试验，研究了不同跌坎高度的消力池水力学特性。研究成果表明，连续跌坎的采用有利于降低消力池临底流速，其应用效果取决于跌坎高度，但跌坎的存在也改变了消力池内的水流流态，对底板脉动荷载与消力池的消能效率有较大影响。对有溢流表孔与中孔的泄水建筑物采用适度收缩泄水孔出口的布置方式，可以起到稳定消力池水流流态、增进消能效率的作用，同时有利于减轻泄洪雾化。     

底流钢膜消力池底板上表面脉动压力试验

为确保消力池防护结构在水流冲击下的安全,探索一种新的钢膜消力池防护结构,即在消力池传统的不透水混凝土底板上部铺设一层均匀开孔的薄钢板。基于某底流消力池模型试验,研究了铺设均匀开孔钢膜对不透水底板上表面脉动压力分布规律的影响。试验结果表明:铺设均匀开孔的钢膜后,对于消力池前端旋滚区,脉动压力强度系数减小、概率密度函数基本满足正态分布,但幅值范围更加集中;纵向各点的相关性降低、空间积分尺度下降,涡旋保持性降低;脉动压力主频基本不变,但脉动能量集中的频带变窄。与透水底板比较,钢膜消力池防护结构可以有效减小作用在消力池前端底板上表面的脉动荷载,初步表明这种结构具有一定的可行性。     

SCALE EFFECTS OF AIR-WATER FLOWS IN STILLING BASIN OF MULTI-HORIZONTAL SUBMERGED JETS

A series of experiments were carried out on multi-horizontal submerged jets with four different model scales of 1:36, 1:57, 1:80, 1:200. In routine tests, scale effects have to be considered, due to complex vortex structure and strong air entrainment in stilling basin. Our focus was laid on measuring and analyzing the time-averaged pressure distribution, water depth and closed-to-bed velocity in the stilling basin of multi-horizontal submerged jets. The experiments results show that the model scale has but a slight effect on the time-averaged hydraulic characteristics in the stilling basin of multi-horizontal submerged jets, which indicates that the results of time-averaged hydraulic characteristics for a normal pressure model are reliable. However, the scale effects of air entrainment, fluctuation pressure and vortex structure call for further investigations in order to make the results of experiments serve as scientific references for practical engineering.     

跌坎消力池体型优化数值模拟

以某高水头大单宽流量的水电站为例,对不同体型参数的跌坎型消力池进行了一系列的数值模拟计算。在原体型设计的基础上,顺次改变出口反坡坡度、池长、进口跌坎坡度及高度,通过数值计算得出了各影响因素的变化对消力池内水力特性的影响,以此来确定最优消力池体型。由数值计算结果可得:消力池出口反坡不宜垂直;缩短消力池池长,冲击区时均压强略微减小,临底流速开始变化不大,当消力池池长缩短到一定程度时,临底流速明显增大;减小跌坎坡度,冲击区正向临底流速减小,但反向临底流速增大;降低消力池前半段高程,可使进口临底流速降低,但反坡段临底流速会有明显增大,建议不进行挖深工作;提高底板高程,时均压强减小,临底流速变化不大,考虑到挖方量,建议不降低底板高程。此研究成果可为类似工程设计提供参考和依据。     

跌坎消力池脉动压强试验

为了对跌坎消力池的水动力特性作更深入的研究,为跌坎消力池的设计防护提供参考,基于模型试验对跌坎消力池脉动压强的分布规律、幅值特性和频谱特性进行了系统研究。结果表明:水流条件是影响脉动压强的主要因素,跌坎消力池底板脉动压强系数沿程呈先增大后减小并逐渐趋于稳定的趋势;跌坎消力池底板中线和靠近边墙的脉动压强相当,脉动压强最大达到总水头的5.1%;跌坎消力池前端位于泄槽边墙延长线附近区域的脉动压强最大,最大达到总水头的11.5%;跌坎消力池前端中线的脉动压强比传统消力池有明显降低,最大降幅达55.2%。