台阶式溢流坝试验研究与消能率计算

由于台阶式溢流坝坝面台阶的存在,使下泄水流在台阶之间形成横轴旋滚,并与坝面主流发生强烈的掺混作用,使水流紊动加剧、掺气增强,消散了部分能量,大大减小了下泄水流的能量,改善了坝趾处的水力条件,使坝下游的消能设施得以简化.结合某水电站工程水工模型试验,对台阶溢流坝面的掺气起始位置、台阶坝面水面线、台阶坝面压力和台阶消能率进行了研究探讨.结果表明:影响台阶坝面消能率的主要因素为台阶坝高、台阶的突出高度、台阶坝的坡度和单宽流量.同时根据试验资料推导了消能率的计算公式,该公式可为相关设计提供参考.     

台阶式溢流坝面水力消能计算方法探析

文章结合河南省内乡县打磨岗灌区烟草水源工程雲露湖水库碾压混凝土大坝台阶式溢流坝面设计,采用两种计算方法,对三种不同台阶尺寸的坝面消能效果进行了水力计算。其结果表明,台阶式溢流坝在一定的下泄流量范围内,由于台阶间形成强烈的横向漩滚、水流掺气,显著提高了坝面的消能效果,但随着泄量的增大,消能率逐渐降低,也即小流量情况下消能效果好,大流量情况下消能效果差,故台阶式溢流坝适宜在单宽流量不大的情况下采用。     

台阶式溢流坝的消能试验与计算

对台阶式溢流坝进行了不同比尺、不同台阶高度的水力模型试验。试验成果分析表明，不同比尺模型的消能率一致性较好。同时，从台阶式溢流坝因下游坝面台阶的存在，增加了下游坝面糙率的观点出发，求得了台阶式溢流坝消能率的计算公式，可用于台阶式溢流坝消能率及其坝下游水流衔接计算。     

台阶式溢洪道掺气消能效果试验研究

通过模型试验分析了台阶式溢洪道掺气对消能效果的影响。对比分析了无掺气坎、掺气坎高分别为20 cm和40 cm时的掺气效果和消能率。当掺气坎高时,水体掺气充分,水流涡旋剧烈,形成水汽两相流,水流下泄旋滚过程中势能转化成动能,在泄槽段可耗散较多能量。因此,设置掺气设施比不设置掺气设施消能效率大、消能效果好,有效地防止了空化空蚀现场的发生。     

新疆某水电站溢洪道台阶段水工模型试验研究

通过建立溢洪道物理模型,在台阶坡度恒定条件下,试验采用0.65、1.0和1.3 m三种台阶高度,研究不同水位下的消能效率、掺气状况及水流流态,研究表明:同一台阶消能率与单宽流量成反比,单宽流量越大,消能效果越差;对不同台阶高度,台阶高度越高,消能率也越大。增加掺气坎,可使水流充分掺气,水流流态良好,可保证台阶面安全可靠运行。     

东西关台阶溢流坝的水力特性

根据东西关水电站右岸台阶溢流坝体型，对４种不同的台阶坝面进行了试验研究。试验结果表明：台阶式溢流坝面通过台阶之间形成的水流旋滚及水流掺气，可大量消散泄流能量，在溢流面设台阶是一种有效消能工，但不宜在大单宽注睛采用。对东西关电站溢流坝来主，其坝面为台阶式是可行的，台阶上台压值一般较小，坝面可不设勇气设施。     

台阶消能掺气试验优化设计研究

台阶式溢洪道掺气效果直接影响其消能率。文章对台阶式溢洪道掺气设施进行水工模型试验,从掺气坎水流流态、空腔长度、空腔稳定性、通气井风速及台阶段掺气情况看,掺气坎体型是合理的,通气井风速满足规范要求。掺气设施的布置,以期为类似工程提供参考。     

台阶式溢流坝水力特性初探

本文结合嘉陵江东西关水电站枢纽右岸台阶式溢流坝坝型，对四种不同台阶型式坝面的流态、消能效果及台阶上时均压力分布进行了实验研究。其结果表明，台阶式溢流坝在一定的下泄流量范围内，由于台阶间形成强烈的横向漩滚．水流掺气．显著提高了坝面的消能效果，台阶上的时均负压值一般不大，但在较大的单宽流量下，由于坝回流速较大，仍易发生主化现象，故台阶式溢流坝适宜在单宽流量不大的情况下采用。     

掺气分流墩阶梯溢流坝面水力特性试验研究

对有掺气分流墩和无掺气分流墩的阶梯溢流坝面流场进行了对比试验研究。通过对压力、掺气浓度和消能效果等的分析和讨论，得出了掺气分流墩的增设将消除或降低阶梯凹角内和立面上的负压，显著增加了坝面水流的掺气量和掺气范围并提高了阶梯坝面消能率等重要结论。本研究为在大单宽流量下如何提高阶梯式溢流坝的消能率和防止空蚀破坏等方面进行了探索。     

东西关水电站右岸溢流坝断面的试验研究

东西关水电站右岸溢流坝选用台阶式溢流坝，根据对溢流坝断面模型进行的流态、消能效果与台阶上时均压力分布的试验研究表明，该坝面采用台阶式是可行的，在一定流量范围内，由于水流自掺气的形成，显著提高了溢流坝面的消能效果，台阶上的时均负压一般不大，在合理的运行条件下，坝面不会发生空蚀破坏，台阶上也可不设通气设施。     

台阶坝面消能水气两相流数值模拟

 采用VOF法模拟自由表面,用非结构网格来处理复杂的边界形状,并根据边界形式进行适当的分区,利用k-ε气液两相流模拟光面和台阶溢流面的流场,得到了溢流面的流场、水面线以及消能率等相关水力参数。数值模拟试验结果表明,台阶溢流坝面水流紊动掺气充分,消能率较高,并与物理模型试验结果进行对比分析,二者吻合良好。     

三峡大坝左导墙长度优化设计

左导墙位于泄洪坝段与左厂房坝段之间的导墙坝段下游。其作用是将河床中部的泄洪消能水流与左电厂尾水渠隔开 ,避免泄洪时高速紊动水流与左电厂尾水出流的相互干扰和不利影响。经对泄洪建筑物体型优化后 ,减轻了坝下冲刷 ,有利于消能防冲 ;消能后水流对左电厂尾水渠的影响也相应减轻 ,使左电厂尾水渠流态有明显改善。这说明存在可适当缩短左导墙长度的可能性 ,经试验研究 ,缩短左导墙长度 52m。     

河床下切对闸坝泄洪消能的破坏及对策

河床下切导致的闸坝下游水位降低,上下游水位差增大,造成原有消能工不能满足消能要求,甚至大洪水时发生严重破坏。小埠东橡胶坝工程采用一、二级消力池联合消能工设计,由于下游河道连续多年采砂超量,河床急剧下切,导致消能工多次毁坏,严重危及闸坝安全且带来巨大损失。通过水力学模型模拟了小埠东枢纽消能工消能效果,分析了破坏原因。结合多个消能工优化方案的消能试验,提出的推荐方案一、二级消力池均能产生稳定的水跃,满足校核洪水消能要求。通过变动枢纽下游水位的消能试验,研究了消能工推荐方案下游河道允许下切极限。工程实际应用表明,推荐的消能工结构遭遇大洪水时未发生破坏,研究提出的因河床下切造成的消能破坏加固理念和对策可为类似工程借鉴参考。     

溢洪道安设橡胶坝对其水力特性影响的试验研究

针对溢洪道无消能工和防洪能力不足等问题,修建橡胶坝可以提高其潜在效益。为了研究溢洪道控制段内修建橡胶坝对溢洪道水力特性的影响,结合工程实例,从溢洪道的泄流能力、水流特性以及出口消能防冲效果3个方面进行了对比分析。分析成果表明:安设橡胶坝的溢洪道泄流能力减小,但仍大于工程设计要求,可保障溢洪道安全运行;橡胶坝对溢洪道流速有较小影响,坝前流速变化幅度比坝后流速大;橡胶坝塌坝和充水2种工况下的溢洪道水面线变化趋势相近,突变点发生在坡度变化点附近和橡胶坝附近;溢洪道消能防冲能力几乎不受橡胶坝的影响。因此,有条件的溢洪道控制段内建设橡胶坝是可行的。研究成果可为类似工程的设计和中小型水库的除险加固提供参考依据。     

万家口子水电站泄洪消能布置优化研究

云南万家口子水电站大坝坝址河谷狭窄,泄洪能量大,水头高,泄洪消能难度大。文章结合模型试验,通过对表、中孔泄流建筑物体型参数进行优化设计,使各孔水流在跌落下降过程中先扩散后碰撞,有效地减小了下泄水流进入水垫塘的动水压力,降低了水垫塘内消能压力,保证大坝和消能建筑物的安全。     

透空潜坝附近水流特性的数值模拟

透空式潜坝是一种兼顾生态和环境的新型整治建筑物。为深入了解透空潜坝附近水流特性,基于N-S方程和不可压缩气液两相流理论建立三维数值水槽,对梯形透空式潜坝附近水流特性进行数值模拟,研究了透空率、水深和流速对潜坝附近流场、紊动能和涡量等水流特性的影响规律。结果表明:相同水流条件下,随着透空率的增大,坝后回流流速减小,坝后根部紊动强度逐渐增大,而坝后1~4倍坝高范围内紊动强度逐渐减小,涡量先增大后减小。透空率不变情况下,在相同断面平均流速条件下随着水深增大,透水率逐渐减小,潜坝附近紊动强度整体减小,但紊动范围变化不大,坝顶强涡量区面积减小。在相同水深条件下随着断面平均流速增大,涡旋回流强度逐渐增大,潜坝附近高紊动区紊动强度整体也增大, 坝体顶侧和透水圆孔附近正负涡量间隔分布,强度逐渐增大。     

水库溢洪道方案比选与试验模拟研究

对河北省海河流域骨干河流新建水库坝址、坝轴线及地形地质情况进行研究,选定具体溢洪道布置及设计方案,利用重力相似准则对溢洪道进行模型设计,确定模型比尺λL=40,进行泄流能力和消能防冲试验观测,通过对敞泄情况下库水位—泄量关系规律、水面线情况、水流流态及流速分布规律,控泄时水流情况,以及两种情况下消能防冲情况、起挑流量进行观测、记录、分析,为溢洪道的布置及设计提供技术支撑。     

A New Total Variation Diminishing Predictor Corrector Approach for Two-Dimensional Shallow Water Flow

This paper presents a new efficient and robust hydrodynamic model for simulation of unsteady shallow water flow. The governing equations of shallow water flows in two dimensional forms are solved using a new total variation diminishing (TVD) MacCormack predictor corrector scheme. In this numerical technique an additional TVD term is added after the traditional predictor corrector steps. The advantage of the present TVD term is that it is very simple and gives accurate results at the same time removing the numerical oscillations. Further, application of semi implicit treatment of the friction slope term helps in flow simulation even with very low water depth. Finally the model is used to analyze a wide variety of hydraulic problems including quiescent water above irregular bed, steady flow over irregular bed, steady flow over irregular bed with a shock, dam break flow over dry bed and dam break flow over wet bed. For each of the cases numerical results are compared with available analytical solution and known experimental data. The agreements between the results are satisfactory.     

无黏性土坝漫顶溃决过程及机理研究

以室内试验为技术手段,以无黏性非连续宽级配沙砾料土坝为研究对象,首次尝试采用"埋入式轻型冲蚀捕捉器"动态记录溃决过程。在上游恒定来流量30 L/s条件下,研究了洪水漫顶条件下坝体(1 m高)的冲蚀过程和溃口水力要素变化过程。明确提出了坝体溃决过程的4个阶段:即侵蚀沟形成发育阶段(下游坡面侵蚀缓慢渐进)→"多级跌坎"冲刷阶段(下游坡面冲蚀能力逐渐加大)→"瀑布状跌落水流"冲蚀阶段(坝体快速溃塌)→坝体冲蚀趋于稳定阶段。初步分析了坝体溃决的机理,揭示了冲蚀过程的非均衡性和溃口水力要素的强非恒定流特性。     

Computational investigation of hydraulic performance variation with geometry in gabion stepped spillways

Over recent years, there has been a clear increase in the frequency of reported flooding events around the world. Gabion structures offer one means of flood mitigation in dam spillways. These types of structures provide an additional challenge to the computational modeller in that flow through the porous gabions must be simulated. We have used a computational model to investigate the flow over gabion stepped spillways. The model was first validated against published experimental results. Then, gabion stepped spillways with four different step geometries were tested under the same conditions in order to facilitate inter-comparisons and to choose the best option in terms of energy dissipation. The results show that normal gabion steps can dissipate more energy than overlap, inclined, and pooled steps. An intensive set of tests with varying slope, stone size, and porosity were undertaken. The location of the inception point and the water depth at this point obtained from this study were compared with those from existing formulae. Two new empirical equations have been derived, on the basis of a regression analysis, to provide improved results for gabion stepped spillways.