坝下游面钢衬钢筋混凝土管道结构研究综述

坝下游面钢衬钢筋混凝土管道（简称“坝下游面管”）是目前坝后式电站引水管道的主要布置形式,其安全性和可靠性直接关系到水电站的安全生产和正常运营。本文首先对坝下游面管的优缺点和发展过程进行了简要回顾与分析,然后从坝下游面管国内外典型工程实例的应用和存在的问题出发,对坝下游面管的理论分析、模型试验、数值计算等主要研究方法,以及管道在内水压力、温度作用和地震作用下的承载机理和开裂特性的研究进展进行了归纳和总结,重点讨论了管道混凝土裂缝宽度的计算方法和控制措施,在此基础上提出了需要进一步研究的问题和发展方向,可为今后坝下游面管的深入研究和创新提供思路。     

三峡工程表孔空化问题试验研究与原型验证

针对三峡工程溢流坝表孔设计体型,通过减压模型试验研究了其空化特性.成果表明:WES曲线坝面为免空蚀体型;挑流鼻坎有弱空化发生,但空蚀的可能性不大;工作门槽有蒸汽型空化发生,其强度随工作水头增大而加大,通过对双门槽布置的优化,使其空化特性得到明显改善.原型观测的成果与模型试验成果基本一致,表孔过流面未出现明显空化,发生空蚀破坏的可能性很小.     

台阶式溢流坝跌落水流时压强特性研究

当台阶均一的台阶式溢流坝在跌落水流流态时，台阶面上的脉动压力主要由跌落水舌影响，台阶水平面上压强均大于竖直面。由于水舌掺气，时均负压主要集中在台阶竖直面自台阶凸角至台阶凹角3／4的台阶高度范围内；受到跌落水舌在台阶水平面上的冲击，时均正压则主要集中在台阶水平面凸角水舌跌落处附近。台阶竖直面上的脉动压强强度远小于台阶水平面，而台阶水平面上的脉动压强强度则集中于水舌跌落处。     

影响阶梯溢流坝消能率的因素

为了探求提高阶梯溢流坝消能率的措施，本文首次采用紊流数值模拟方法，对影响阶梯溢流坝消能率的一些主要因素，如单宽流量、坝坡、阶梯高度等进行研究。结果表明，消能率随单宽流量的增大而显著降低。坝坡越缓，消能率越高。阶梯高度对消能率的影响与单宽流量有关，当单宽流量较小时，消能率随阶梯高度变化较大；当单宽流量较大时，阶梯高度对消能率的影响很小。根据紊流数值模拟得到的坝面流场的紊动动能和紊动耗散率分布，对单宽流量增大时消能率降低的根本原因进行了探讨，提出了一些提高消能率的具体措施。     

响应曲面法优化深槽面贴式永磁同步电机

研究采用深槽结构对面贴式永磁同步电机的弱磁调速性能的影响。首先建立深槽面贴式永磁同步电机磁路模型。然后对该电机进行方案优选,通过有限元方法计算,分析深槽面贴式永磁同步电机的弱磁扩速情况。最后通过响应曲面法将满载效率及弱磁扩速倍数作为优化目标进行深槽面贴式永磁同步电机的优化,获得最佳方案。有限元分析结果验证该方法的有效性。     

基于特征点匹配的室内表面流场快速测量系统

为提升室内模型试验表面流场测量的计算效率,建立了基于图像特征点匹配的模型试验表面流场快速测量系统。该系统由摄像机、示踪粒子和测速软件组成,试验中首先投掷示踪粒子并采集试验视频,然后导入测速软件进行图像预处理和基于图像特征点匹配算法的快速测流计算并实时展示瞬时流场,最终输出原型尺度的时均流场及流线图。该系统应用于堰坝水闸工程模型试验和泄洪洞射流模型试验,系统自动化程度高,计算效率高,应用场景适应性强;输出的流场具有高时空间分辨率,精度与PIV相当,可真实反映出试验工况下表面水流特性。     

过渡阶梯体型对一体化消能工水力特性的影响

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的一体化消能工有效地解决了我国高坝泄洪建筑物在高水头、大单宽流量下的高速水流问题,但仍然存在空蚀破坏的问题。通过对三种过渡阶梯与阿海原工况共4种方案下Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工进行水工模型试验,对比分析其水力特性,结果表明：①各方案反弧段内的最大时均压强出现在方案一中,相比有过渡衔接方式的三种方案的最大时均压强增加了3.3%;②过渡阶梯体型对台阶面负压影响较大,最大负压均出现在第二台阶立面凸角上缘,四个方案中,方案三最大负压最小,为-0.33 kPa;③从消能方面来看,方案一的消能率最低,为51.71%,方案三的消能率最高,为52.77%,比方案一增加了2.05%。     

不同台阶数的过渡阶梯对阶梯溢流坝面压强及消能特性的影响研究

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工很好的解决了我国由于大单宽流量和高水头等引起的高速水流问题,该消能工常采用过渡阶梯连接宽尾墩与阶梯溢流坝。本文基于阿海水电站溢流表孔,应用水汽两相流VOF计算方法的三维RNG k-ε湍流数值模型,速度与压力采用PISO耦合的算法方式,利用几何重建格式对水气交界面附近进行插值的非恒定流迭代求解,对1个高2 m、宽1.5 m台阶组成的过渡阶梯,2个高2 m、宽1.5 m台阶组成的过渡阶梯,3个高2 m、宽1.5 m台阶组成的过渡阶梯和原工况四种方案的宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工进行三维流场数值模拟。结果表明:各方案均在首级阶梯内产生负压,且前三种工况在首级阶梯固壁压强分布基本一致,竖直壁面最大负压均出现在桩号22.56 m附近,其最大负压(-0.899 k Pa)较原工况最大负压(-4.469 k Pa)小。同时前三种工况水平壁面最大负压(-0.597 k Pa)较原工况最大负压(-3.898 k Pa)也小。即过渡阶梯的台阶数对负压分布影响不大。在消能方面,有2个台阶组成的过渡阶梯对阶梯溢流坝的消能率最高(为34.205%),其中过渡阶梯的首级台阶对阶梯溢流坝的消能效果影响最大。     

地震作用下重力坝动水压力的高精度时域公式

提出一种计算直立坝面上地震动水压力的高精度时域公式,与坝体有限元模型结合用于考虑坝-水动力相互作用,避免半无限库水区域的数值模拟。在频域内,基于库水区域分离变量解析解和坝-水交界面条件推导精确的坝面动水力-坝面绝对水平运动关系,之后利用作者已经提出的时间卷积局部化方法将该关系转化为含有辅助变量的高阶精度时域公式。该公式的时空离散形式与坝体有限元模型的耦合方程,可以采用显式时间积分方法求解。为了能够利用商用有限元平台分析非线性坝体-库水动力相互作用问题,在ABAQUS有限元软件中通过UEL用户单元子程序二次开发实现了提出的动水力公式,公式用户单元在有限元建模阶段与坝体有限元模型无缝结合,后续动力计算过程中无须重启动等任何特别处理。刚性坝面地震动水压力分析表明,提出公式的计算结果稳定,并与解析解较好吻合;之后将该公式应用于Koyna重力坝地震反应分析。     

太平哨电站三次大坝安全定检的几个主要问题

太平哨水电站已进行了三次大坝安全定期检查,均被评定为正常坝。检查中发现溢流坝闸墩垂直裂缝、坝体上游面水平裂缝和坝基扬压力超限等问题,为此进行了专门分析和必要补强加固。     

确定大坝混凝土起裂韧度的简化极值法

研究了确定大坝混凝土起裂韧度的简化极值方法与相应模型。基于极值理论思想,推导出楔入劈拉试件起裂韧度的解析表达式,进而建立了确定大坝混凝土起裂韧度的简化极值方法。该方法仅需断裂试验的峰值荷载,避开了传统试验中必须测量临界裂缝嘴张开位移值或粘贴应变片测量起裂荷载的方法,且无需进行复杂的数值积分运算。采用所提方法确定了不同尺寸与不同龄期的大坝混凝土起裂韧度值。进一步研究了不同裂缝张开位移形式对计算结果精度的影响,并与现有全级配大坝混凝土的起裂韧度确定方法进行了比较。研究结果表明：采用不同裂缝张开位移形式对起裂韧度结果无明显影响,即使采用最简单的线性形式,由简化极值模型仍能得到较精确的计算效果;基于简化极值法确定的起裂韧度值与试验应变测试方法、线性回归方法得到的结果对比较好,验证了所提方法与模型的合理性与适用性。     

布西水电站泄洪洞阶梯消能布置方案数值模拟研究

对布西水电站泄洪洞采用紊流数值模拟方法,在设计水位3301.69m的工况下,进行了不布置阶梯、在不同位置布置阶梯及布置不同长度阶梯的八种组合方案的数值模拟计算.数值计算结果与模型试验结果验证表明,本文采用的数值模拟方法是合理可行的.对阶梯起始布置位置的计算结果表明,阶梯起始位置布置在流速较大处,其消能率会较高,但流速过大时(Fr>7.0)阶梯处容易形成射流,达不到增加消能率的目的.对不同的阶梯布置长度的计算结果表明,阶梯起始位置不变的情况下,随着阶梯布置长度的加长,消能率提高,且呈非线性变化;但当阶梯布置长度大于一定长度后,其消能率增加不明显.本文研究成果对陡坡泄洪洞采用阶梯消能的布置设计有重要的理论指导意义.     

用流速对数律研究附壁射流区的壁面阻力

依据Myers和前人对附壁射流区流速分布的实测资料以及附壁射流区边界层发展的经验公式,研究了附壁射流区的壁面局部阻力系数、阻力系数、平均壁面阻力系数和壁面阻力的变化规律,提出了附壁射流区流速分布的对数律公式,给出了壁面局部阻力系数C_f'与U_mδ/v的关系,C_f'和壁面阻力系数C_f与跃前断面雷诺数Re_1和相对距离x/h_1的关系,给出了壁面阻力和平均壁面阻力系数的计算方法。通过与Myers的试验资料进行对比,表明了本文给出的公式适用范围大、计算方法简单、精度高。     

大坝混凝土凝结过程的超声波联合测定方法北大核心CSCD

新拌混凝土的凝结状态测定对大坝混凝土施工质量控制至关重要。传统的混凝土凝结时间测定方法是贯入阻力法,该方法为有损监测且难以实现对混凝土凝结过程的连续、实时监测。新兴的超声波无损监测主要采用单一的透射法或反射法,然而,反射法受入射角度影响较大、透射法存在波速的计算需要人工精准确定首波出现时间的问题。针对上述问题,本文提出了超声波透射-反射联合测定方法,并以此开展混凝土凝结状态的监测试验研究,构建基于L-M(Levenberg-Marquaredt)算法的神经网络模型,并以能量指标确定的时间点数据集进行训练,用以精确计算大坝混凝土凝结时间。将该方法用于C25大坝混凝土的凝结试验中,并同基于能量分析的反射法、透射法和基于波速分析的透射法进行了对比。结果表明:本文所提的方法相比上述方法计算所得凝结时间的最大相对误差降低了2.5%~18.7%,且计算所得初凝时间和终凝时间与真实值的相关系数分别为0.89和0.96,验证了超声波透射-反射联合法的准确性。本文提出的“透射-反射”联合法能够准确监测大坝混凝土凝结过程,可为大坝混凝土施工质量控制提供新的有效手段,具有重要的理论意义与实用价值。     

滩坑水电站过水围堰堰型修改模型试验研究

滩坑水电站工程采用全段围堰和隧洞泄流的导流方式.上下游围堰均采用土石过水围堰型式.通过初步模型试验,调整了堰体和坝体过流保护措施.为进一步改善上游过水围堰的水力条件,降低过堰最大流速,确保围堰和坝体度汛安全,进行了堰型修改模型试验.本文试验中,进一步研究了降低上游围堰高程、抬高上游围堰下游侧平台高程、抬高大坝过流坝面高程和下游围堰坝顶高程的各种组合工况的技术合理性.这些成果为工程导截流设计与施工组织及坝体度汛提供了重要的指导作用.     

基于精确河道地形的溢流坝泄流三维数值模拟

论文提出了包括实际工程精确河道地形的溢流坝泄流计算流体力学(CFD)三维数值模拟的方法。利用CATIA模型设计平台建立了湖北省喻家河水库工程三维模型,成功实现了实际工程精确河道地形与水工建筑物实体的融合,模型真实反映了实际工程的空间布置情况。采用紊流二方程中的RNG k-e模型进行数值模拟计算,用VOF方法进行自由表面的追踪,在1669 m~3/s、1199 m~3/s、728 m~3/s流量下,对溢流坝泄流时的水流流速、流态、时均压力进行了数值模拟。经过与物理模型试验对比分析,证明数值模拟结果与试验值吻合较好,从而验证了数值模型的可靠性。该研究成果为解决复杂水利工程的三维建模及相关数值模拟提供了新的方法,具有一定的参考价值和良好的应用前景。     

基于阻力特性的粗糙度计算方法

床面粗糙度Ks是沙粒阻力计算的重要因素，对流速分布、推移质运动及输沙率等问题的研究具有重要的意义。基于阻力特性，综合考虑水沙条件，建立了以泥沙中值粒径、非均匀系数、水力半径和床面坡度为变量的床面粗糙度计算公式。经实测资料验证，并与其他学者的计算方法进行均方差分析对比发现，基于非均匀沙的Ks计算方法的计算精度明显高于基于均匀沙的Ks计算方法；本文公式既适用于均匀沙粗糙度计算，也适用于非均匀沙粗糙度计算，且计算精度明显高于其他学者的计算精度；床面沙波及泥沙输移对公式计算精度的影响均较小，沙波的影响程度小于泥沙输移的影响程度。     

动态潮汐能大坝水头数值计算

动态潮汐能是一种新型的潮汐能开发方式,由荷兰海岸工程师Hulsbergen和Steijn提出,具体为建立一个长度为几十千米以上且垂直于海岸线的T型坝,使沿岸的潮汐波变形,从而在坝的两侧产生水头差,可用于潮汐能发电。不同的大坝尺寸会产生不同大小的水头,理论公式和数值模型均被用于计算该水头大小。本研究利用Kolkman公式和平直海岸二维潮流模型,分别计算了作用在大坝上的动态水头并进行无量纲处理,对比发现两种方法获得的结果较为接近。其中采用Kolkman公式所获结果略小,说明在开阔海域中海底阻力对动态潮汐能起次要作用,Kolkman公式忽略阻力项的算法是可行的,理论公式也同样能够反映潮汐和大坝的相互作用,通过Kolkman公式和数值模拟结果的互相验证,可以提高水位差的计算准确度。     

水布垭工程差动窄缝挑坎型溢洪道水力特性的试验研究

对水布垭水利枢纽工程高水头大流量泄洪条件下,带有弯曲引水渠和差动窄缝挑坎的溢洪道水力特性进行了模型试验研究。观测了引水渠和溢洪道内的水流流速分布和流动形态,分析和评价了斜型差动窄缝挑坎挑流特性,初析了消能效果。