某水闸结构导流墙对水流状态的影响研究

本文以某多孔水闸结构导流墙为研究对象,研究导流墙对下泄水流状态的影响。采用模型试验和数值模拟相结合的方法,重点针对消力池和海漫上部的水流状态进行研究。结果表明,当导流墙长度为消力池长度的1/2,且水闸下泄水流采用对称连续开启三孔的方式,消力池的消能效果较好,消力池中的水流状态可以控制在合理的范围内,海漫上部的流速较小,在允许不冲流速范围内,满足不冲刷的要求。     

灌区闸门运行时应注意的事项

（1）闸门开启高度的控制。对于灌区的跌水工程,闸门开启高度,应视下游尾水水情而定,一般≤0．5m,要求水跃发生在消力池内,避免发生远驱式水跃。在开闸时,闸后水位还未提高时,很可能发生远驱式水跃,这对闸后水流能量消除极为不利,造成下游严重冲刷。因此,在开闸门时,应该慢慢提升,提高下游水位,保证出闸水流在消力池内形成水跃,再进行第二次提门,增大闸门开度,分次达到所需之开启高度。     

溢流堰表孔弧形闸门开启过程非恒定流水力特性

采用RNGκ-ε紊流模型结合动网格技术对某水利工程Y型宽尾墩泄洪表孔弧形闸门开启过程进行了三维动态数值模拟研究。为了解闸门开启过程中各相对开度的水力要素特性,采用6种不同的开启总时间,给出各开启总时间对应的闸后流速、压强等水力要素对闸门开启速度的依赖关系,并定义了反弧及消力池3个压强分布区域。研究表明,闸门开启总时间较小时,闸后水流的滞后效应明显,各对应相对开度时闸后水面线偏低;开启过程中溢流堰反弧处最大流速、冲击区最大压强等都会远大于恒定情况时的对应值。冲击区最大压强及其与调节区平均压强的差值随开启速度的增大迅速增加,且需经过较长时间才逐渐回到正常值。开启速度较小时,各水力要素增加较为平缓。将闸后水面线等计算结果与试验结果进行对比,吻合良好,验证了数值方法的可靠性,可为类似水工闸门运行提供借鉴。     

闸后三元突扩水跃特性初步研究

突扩多孔水闸开启少数闸门时,闸后水流在局部范围内紊动剧烈,形成流态复杂的三元突扩水跃。为了探究不同突扩比对闸后水流流态的影响,基于重力相似准则,以某拦河闸为原型设计试验模型,通过调节上下游水位、闸门开度等初始条件,对突扩比分别为0.296、0.378、0.552、0.630四种空间突扩水跃进行了多种工况下的模拟。在忽略渠道摩阻力条件下,对形成的抵挡水跃所需尾水水深的公式进行了修正,发现当闸门单孔流量和单宽流量相同时,二元平面水跃的跃长均大于空间突扩水跃跃长。     

陡坡后消力池内水跃的数值模拟

利用三维RNG k-ε紊流模型和体积率(VOF)跟踪自由水面的方法,对4种不同工况、相同坡角的陡坡后消力池内的水跃特性进行了数值模拟,并与模型试验结果进行了对比.结果表明,不同工况下消力池内水面线特征、流速和水跃长度与模型试验吻合较好,陡坡后消力池内淹没水跃长度大于自由临界水跃长度.同时,数值计算与试验结果均表明,陡坡后消力池内水跃长度不能按照平底矩形水跃长度计算公式进行计算,必须考虑淹没度的影响,从而有效避免陡坡后消力池设计中的不足.     

低水头水闸下游流态及消力池长度计算分析

在分析低水头水闸泄流下游流态的基础上,对水闸下游消力池长度的计算方法进行较系统地研究。研究成果包括了水闸的3种闸门开启运行方式的下游消力池长度计算:①行;②闸门全开、Qm运行时,水闸为自由出流运行;③本涵盖了低水头水闸下游消力池长度的计算方法,可供工程设计和运行参考。     

不同闸门组合下分水墙对消能效果的影响

在实际工程中,水闸根据承担任务不同分类,如分洪闸、冲沙闸、排冰闸等。有时根据工程实际情况不同闸门组合需要布置在同一轴线上,为了不影响闸门正常工作,消力池中常设置分水墙隔开不同闸门的出流,消力池中也常设置分水墙用于隔开不同孔型的出流。工程中对不同的泄水量进行不同闸门组合开启,本试验主要研究不同闸门调度下,分水墙对水流影响。通过分析得出,闸门全开时,水流受墙体边界影响水流雍高明显。无分水墙情况下,部分闸门开启时,消力池中的部分水流回雍会影响水流下泄,雍高水位。     

低水头水闸下游消力池长度优化研究

低水头水闸下游消力池的水流条件较复杂,水闸出流条件(自由出流、淹没出流)对闸下游的流态和水跃长度影响较大。通过水力模型试验研究,提出了水闸闸门全开敞泄、宣泄最大流量运行条件的下游消力池长度的计算方法:水闸出流为自由出流时,可按现有的水闸设计规范的方法计算消力池长度;水闸出流为淹没出流时,闸下游水跃长度较短或呈无水跃状态,此时,可采用水闸上游为正常蓄水位、闸门控制下泄最大开度泄量计算消力池长度。研究成果可合理地计算和选取低水头水闸下游消力池长度,在确保工程安全运行的前提下,大大节省工程投资。     

导流洞出口消力池试验研究及数值模拟

通过对ATS水利枢纽导流洞出口消力池进行物理模型试验,得出导流设计洪水工况下,水跃跃首基本发生在消力池进口,即在消力池内发生接近临界水跃,水流旋滚剧烈,最大水深19m,未超过边墙高度。消力池底板脉动压力均为正值,无负压出现。利用流体力学计算软件FLUENT,对消力池内水流进行三维数值模拟,得到消力池内详细的水力学特征参数,池内水面线变化﹑流速分布﹑池内脉动压力等水力学参数的变化规律与物理模型试验基本一致,两者基本吻合。数值模拟计算结果弥补试验数据数量不足,有效验证了物理模型试验结果的准确性,能够为工程的设计及计算提供参考。     

实例谈水电站水闸闸门改造设计

底流式消能工程一般比较常见于低水头水闸结构,我们在进行该型式消力池设计时,确定消力池尺寸的控制条件情况是比较复杂的,它与水闸上、下水位差,过闸单宽流量、下游水深、闸门开启方式,闸门开启速度和下游水位能否迅速抬高等因素有关,还与启闭机的选择有关。如果我们能设计一种合理的、简便易操作的闸门操作型式,则有可能大大节省消能工程的工程量。     

突扩式水跃跃后水深的分析与计算

突扩式消力池常见于多孔水闸和泵闸结合的水利枢纽,其水跃跃后水深的计算是一个无法回避的问题。由于突扩式水跃水流的复杂性,对其跃后水深的理论研究尚不成熟与完善。根据已有文献的试验资料,对前人常用研究方法所得的突扩式水跃跃后水深成果进行了定量分析与比较。结果表明,当边墙反力对应的压强水头等于跃前水深和跃后水深的平均值时,其计算的跃后水深与实际更加相符。通过建立绕流阻力新模型,结合已有文献的实测资料,给出了突扩式水跃绕流阻力系数的计算公式,提出了突扩式水跃跃后水深计算的新方法,并对其准确性和通用性进行了验证。     

SUE水电站工程设计方案评价及优化

依据国际规范及合同要求,采用变态定床模型试验方法,对 SUE 水电站工程建筑物设计方案合理性进行评价。结果表明,SUE 水电站建筑物体型尺寸设计合理,泄洪闸过流能力满足要求,上游翼墙及下游导流墙起到导流、平稳流态的作用,但设计洪水流量时泄洪闸下游消力池消能防冲效果欠佳;为此,根据下游水跃的特点,合理加长消力池长度,并在消力池水跃尾部合适位置设置消力墩对原设计方案进行优化;优化后 PMF 洪峰流量时,海漫水流平稳,海漫末端断面垂向流速分布趋于正常流速分布;设计流量时,海漫下游底部流速减小,下游河床不会发生冲刷。     

大潮差河口闸下水流的流动特性分析

福建数座河口水闸发生剧烈淘刷,闸上游和下游的最大冲刷深度达到闸室高度的0.5~1.2倍,且屡修屡毁。有的水闸经多次除险加固后,不得不再花巨资重建。通过数学模型和物理模型揭示了河口水闸下游水位因受东海大潮差海潮影响发生剧烈波动时的变化规律,发现了水闸泄流过程中的间歇性淹没及非常工况甚至出现逆流的独特流动现象,给出了典型日孔流及堰流泄流能力动态变化过程线,分析了消能工变化对闸址水流结构的显著影响,并对水闸水毁修复前后闸下冲刷进行了预测。结果表明:水闸修复前闸下涨急最高水位4.53 m,修复后下降0.67 m,水闸修复后逆流现象减弱。修复后首次水跃位置往上游移动了35 m,平均水跃高度下降47.46%,闸后及二级池末端最大流速2.27 m/s和0.08 m/s,较修复前分别下降了40.58%和96.48%。常遇泄流条件下,水闸的淹没度和泄流能力呈现不断变化的动态过程。当西溪水闸62#先启孔全开,上游保持正常高水位3.2 m,下游为最低潮位-0.72 m时,修复后最大冲刷深度减少64.48%,消能防冲效果十分明显。研究成果对河口水闸安全运行具有一定的参考价值。     

波状床面消力池水跃特性试验分析

研究波状床面水跃共轭水深和水跃长度对于波状床面消力池的设计极为重要。根据已有文献关于波状床面消力池水跃特性的试验资料,分析波状床面消力池共轭水深、水跃旋滚长度、水跃长度和水跃区消能率随跃前断面弗劳德数、壁面粗糙高度、跃前断面和跃后断面水深的变化规律。给出了波状床面水跃跃后水深的半理论公式和水跃旋滚长度、水跃长度的拟合公式,并对其进行验证,水跃共轭水深的平均误差分别为4.5%和3.3%,水跃旋滚长度和水跃长度的平均误差分别为7.4%和5.9%。研究表明,水跃跃后水深和水跃长度不仅是跃前断面弗劳德数的函数,还是壁面粗糙高度的函数;波状床面消力池水跃区消能率远大于一般混凝土壁面消能率,在相同弗劳德数情况下水跃区消能率随着壁面粗糙高度的增加而增加。     

超低弗劳德数闸下消能试验

低弗劳德数、低水头、低尾水的闸下消能消力池内不能产生稳定充分水跃,池内壅起的水流出池后会产生二次跌落,对下游河床冲刷严重。针对芦潮港水闸工程,通过物理模型试验提出了一种新型辅助消能工,即在池后海漫设置梅花形布置墩群,可使下泄水流达到充分消能、均匀扩散的效果,并分析了墩群的消能机理。实践表明,这种新型的消能布置方案可以有效地解决超低弗劳德数底流水跃消能不充分的问题,可供类似工程参考。     

大单宽流量低傅汝德数收缩墩底流消力池的试验研究

为解决大单宽流量、低傅汝德数底流消能中存在振荡水跃,进而导致消力池内流态不稳定、水面波动大、消能率低等问题,采用模型试验的方法,对在消力池前设置收缩墩后的收缩扩散与底流复合消力池进行了研究。结果表明:设置Y型收缩墩后消力池内呈较为稳定的收缩射流与淹没水跃的三元复合流态,水流更为稳定,振荡水跃消失,可有效解决池内的水流间歇性振荡和水面大幅波动等问题。同时,设置收缩墩后,可有效降低池内最大临底流速,由近30 m/s降至约20 m/s。消能率由60.93%提升至66.61%,消能效果显著。此外,下游河道冲刷大大减小。最不利冲刷工况下的2年一遇洪水时,基岩最大冲深由近32.0 m降为5.6 m。消力池前设置收缩墩,对于因受地形地质等客观条件限制,无法通过改变池长池深来解决大单宽低傅汝德数的底流消能问题,提供了一种新思路。     

泄水陡坡后消力池的水跃特性数值模拟

水跃消能是水利工程中经常采用的消能形式,国内外许多学者对水跃进行了大量的研究。在工程实践中发现,泄水陡坡后消力池内水跃的水力特征值与规范方法计算得到的值有较大差异。通过对不同坡度的陡坡后消力池内水跃特性进行数值模拟,结合室内模型试验,分析了陡坡消力池内陡坡坡度与水跃长度的关系,并对比了数值模拟所得的水跃长度值与经验公式及模型试验结果。研究结果表明,数值模拟结果与实测值相对误差较小,经验公式的计算结果误差较大。因此,在今后实际工程设计中,可通过数值模拟的方法对陡坡后消力池长度进行初设。     

高重力坝防冲建筑物体型参数对水力特性的影响

高重力坝防冲建筑物体型参数的选取决定了泄洪消能水流的水力特性,从而影响水电站的安全运行。采用水工模型试验的方法,研究了防冲建筑物体型参数对水流的水力特性影响规律。研究结果表明：水垫塘长度的减小,使塘内淹没冲击射流的扩散空间减小、冲击区的紊动增强,导致塘内底板时均压强谷值减小、脉动压强均方根峰值增大、底板安全风险增大;二级消力池池长的减小,使出池临底流速增大、下游冲刷风险增大;二道坝高度的降低,导致水垫塘底板沿程时均压强减小、脉动压力均方根峰值增大、底板安全风险增大,同时导致二级消力池内水跃收缩断面水深增加、跃首区临底流速降低、紊动强度降低、脉动压力均方根峰值减小,但出池临底流速增大。     

扩散型梯形翼墙消力池最不利消能工况计算研究

针对目前消能计算大多适用于矩形断面情况,根据水力学理论、数学函数理论及无量纲原理对扩散型梯形翼墙水闸最不利消能工况进行研究,推导出扩散型梯形断面相对收缩水深、相对跃后水深的解析计算公式。通过Matlab软件数值分析及数学推导给出了受潮位影响的沿海挡潮排涝闸消力池池深极值、水跃长度极值的简捷计算公式,并通过工程实例计算比较,该解析计算式方便简捷、精度可靠。     

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。