小浪底孔板消能泄洪洞过流原型观测试验

小浪底水利枢纽的三条孔板消能泄洪洞,是目前世界上采用孔板消能技术的最大的泄洪洞.孔板泄洪洞的实际泄洪效果和安全性,一直是专家关注的焦点.1号孔板消能泄洪洞过流原型观测试验,就长期以来国内外专家十分关注的孔板洞消能效果、水流空化、脉动水流诱发衬砌结构及围岩的振动、中闸室出口水流的掺气及空腔负压、闸门开启过程的流激振动以及孔板环、衬砌结构应力等进行了现场测试.从压力系数和消能系数分布看,原型观测结果与模型试验结果吻合较好,验证了模型试验成果的相似性.     

多级孔板空化与脉动壁压特性

本文结合小浪底四级孔板泄洪洞和碧口二级孔板泄洪洞,研究了多级孔板的空化与脉动特性,对多级孔板的水流空化数和初生空化数随孔径比的变化关系进行了详细地探讨。得到了随着孔径比的增加,孔板的消能率降低而孔板抗空化能力提高的结论。同时,对多级孔板空化前后的脉动荷载分布、脉动压力随孔径比的变化关系进行了讨论,某些成果已被工程设计单位采用。     

泄洪振动分析中脉动压力的模拟

在泄洪振动分析中关键之一是确定作为激励荷载的水流脉动压力，对于一定泄洪工况下的水流脉动问题，可以作为平稳高斯过程处理，结合脉动功率谱图，按照三角级数模型可以模拟水流脉动压力的过程线，从而实现对结构的泄洪振动分析，本文结合工程实际，采用计算程序模拟脉动压力进行泄洪振动分析，对解决类拟问题有一定的参考价值。     

水流脉动压力作用下溢流面板坝泄槽模态分析

依据溢流面板坝泄槽水流脉动压力的分布规律和时域荷载构造方法,采用模态分析法对不同泄流条件下系统频率以及坝料弹模、泄槽刚度对其频率的影响进行了研究。结果表明,溢流面板坝泄槽在水流脉动压力作用下的系统模态主要取决于泄槽中的流速,当流速大于40 m/s时,系统频率降低较快,易与水流脉动压力的主频范围重叠,从而导致系统结构振动失稳,设锚杆使系统基频降低速率明显变缓;坝料弹性模量及泄槽刚度对系统频率也具有较大影响,提高坝料弹性模量及增大泄槽板厚有利于避免水流脉动压力诱发系统振动。研究结果可为同类坝型的结构设计和泄流状态的安全评估提供参考。     

高含沙泄洪水流的荷载特性试验研究

高含沙水流特性已有较多研究,但主要针对河道中的高含沙渐变水流开展的,而对高含沙河流高坝枢纽泄洪水流荷载特性的研究较少,本文开展了孔板消能工高含沙水流的时均压力和脉动压力特性研究。试验共研究了含沙量从0至300 kg/m~3,流速从1.78 m/s至3.73 m/s,共28组不同工况。结果表明:高含沙泄洪水流的时均和脉动压力的沿程分布规律与清水相同,但幅值变化规律存在差异,相同流速条件下时均压力幅值随含沙量的增加而增加,而脉动压力幅值受含沙量和流速条件的双重影响,随含沙量的增加呈现出先增加后减小的趋势;脉动压力概率密度分布符合正态;频率分布范围受水流条件影响随流速的增加而增加,其中低频分量随含沙量的增加而增加。根据试验结果,提出了高含沙泄洪水流荷载计算的修正方法,该方法对于高含沙枢纽的工程设计有重要参考价值。     

孔板水流压强脉动特性

孔板水流经过孔板时突缩突扩,流线变化剧烈,引起流速脉动并导致压强脉动.孔板水流压强脉动是由孔板的特殊体形决定的,其有两个高峰,一个在孔板稍前位置,另一个在孔板后水流再附点附近,后一个高峰脉动幅值要大于前一个高峰.孔板水流脉动在负半周期的时间远大于气核发育成气泡的时间,因此孔板水流压强脉动对空化有不可忽视的影响,在计算孔板空化数时应考虑水流脉动的影响.     

地下水对节理岩体隧洞围岩稳定性的影响

采用离散网络渗流模型模拟节理岩体中的渗流,分析渗流对节理地下洞室稳定性的影响。通过对洞室开挖后常规静力荷载、常规静力荷载与渗透压力耦合作用以及常规静力荷载作用下考虑地下水对洞室围岩的软化作用3种工况进行模拟,得出洞室在3种工况下的应力和位移变化情况。结果表明:考虑地下水与否,不受其他外加荷载作用时,节理岩体地下洞室的围岩都不会遭到破坏;有高水头地下水作用时,渗透压力对洞室围岩的影响要比地下水对洞室围岩的软化作用对洞室围岩的影响大得多;渗透压力对地下洞室围岩的影响主要集中在洞顶部位,洞室侧壁围岩受地下水的影响较小。     

科研、教学简讯

为适应生产与科研的需要,近年来,水利水电科学研究院水力学研究所在高速水流脉动及水工建筑物的振动问题作了一系列工作。为研究大渡河二滩水电站厂房顶溢流时高速水流引起厂房结构振动问题,进行了建筑物断面模型试验。量测了水流压力脉动强度及谱特性(包括建筑物表面一些特征点的水流压力脉动特性,以及一些局部表面所受总压力的脉动特性),然后,将水流压力脉动特征值作为输入数据,利用随机荷载下建筑物结构振动二维有限元程序,计算出二滩水     

不同底缘形式的平板闸门水力特性数值模拟

为优化闸门体型,探究不同底缘形式下闸门的水力学特性,采用RNG k-ε模型和VOF方法,结合动网格划分技术,对高水头平板闸门闭门过程中水力学特性进行了数值模拟分析。采用模型试验实测数据验证了数值方法的可靠性;利用非平稳随机过程处理技术(EMD),有效地提取底缘压力趋势项,进而开展底缘形式与水流脉动、持住力相关关系的探讨;通过综合考量底缘压力脉动、空化及持住力特性,寻求最佳底缘体型。结果表明,闸门底缘形式的改变对启闭力影响显著,前倾角底缘形式启闭力最小,底缘压力脉动较小,最不易出现空蚀破坏。     

平面钢闸门流固耦合分析与优化设计

针对潜孔平面钢闸门在启闭过程中,受水流脉动压力荷载作用可能引起强烈振动而容易发生 破坏的问题,以某引水工程取水口工作闸门为例,运用有限元软件,采用流固耦合法,对平面钢闸门进行 了流固耦合分析,得到闸门的自振频率;通过对闸门进行水动力学模型试验分析,得到作用在闸门底缘 上的脉动压力能量主要集中在20Ｈｚ以内,并以此预测出闸门有产生共振的风险。为防止闸门在运行中 产生共振,对闸门进行优化设计。结果表明,通过提高闸门的自振频率,使闸门的自振频率远离脉动水 流高能区,能够有效预防闸门产生共振的风险。     

水工弧形空腔闸门动力特性数值分析

大尺寸弧形钢闸门振动剧烈时可能会引起动力失稳破坏。为了解新型翻转式弧形空腔闸门的动力特性,通过Fortran语言自编用户子程序,利用商业有限元软件ABAQUS二次开发功能将模型试验测定离散的水流脉动压力数据转化为作用在闸门上的水动力荷载,基于随机振动分析方法对该空腔闸门进行结构动力数值仿真:①对不同工况下的闸门自振特性进行计算,得到闸门的自振频率和振型;②根据频谱分析理论,对水流脉动压力时域曲线进行了频谱分析;③计算了不同工况下闸门的随机振动响应;④编写了位移、应力最值处理程序。计算结果表明:闸门结构局部应力较大,超出结构容许应力,需对闸门结构进行修改优化,否则结构局部强度不满足要求。     

有压泄洪洞多级孔板消能室的紊流特性试验研究

在水电工程中,将有压泄洪洞设置多级孔板逐级消能,可以有效地降低内水压力、控制平均流速、降低工程造价。但是设置孔板后,在一定范围内水流现象复杂,紊动强烈,能否在大型工程上采用尚存在一定的疑虑。为了解此种水流运动的内部结构及对洞壁的影响,我们采用二维激光测速仪对孔板之间的管段内流速脉动情况进行了测试     

桐柏抽水蓄能电站下水库坝身溢洪道泄槽底板锚固筋型式试验研究

桐柏抽水蓄能电站下水库溢洪道为布置在大坝中间坝段上坝身溢洪道,坝身溢洪道以堆石坝体为基础.由于下游坝坡较陡,泄槽底板在其自重、水流拖曵力、水流脉动压力、板顶动水压力等荷载组合作用下,底板抗滑稳定至关重要,为保证斜坡面上的泄槽槽身的稳定,采用锚固板加锚固筋,锚固筋布置层数多,采用何种型式关系到坝身溢洪道的施工难易程度及经济性,为此进行了锚固筋型式的试验研究。     

基于模型试验的水电站闸墩结构有限元分析

重力坝坝身泄水孔闸墩三维有限元模拟的难点在于准确量化高速水流对闸墩结构作用荷载的大小，文中针对某水电站中孔异形闸墩结构，开展了单体水工模型试验，获得不同泄水工况下闸墩水面线以及时均压力的分布成果；在对试验成果进行分析后，根据试验成果对闸墩进行有限元数值仿真计算，获得闸墩应力变形计算成果，解决了高速水流下异形闸墩结构应力变形计算难题；文中提出的分析方法，在工程设计及应用方面具有一定的实用价值，可为类似工程提供参考。     

基于全量理论的洞室围岩抗力系数计算

视衬砌在内压力作用下与围岩共同承载联合工作,采用全量理论将岩体单轴应变非线性软化本构模型推广,得到复杂应力状态下岩体等效应力和等效应变关系,将围岩划分为松动区、塑性区、弹性区,对衬砌压力隧洞在等压荷载作用下进行弹塑性分析。在推导出围岩松动区、塑性区、衬砌内任一点的应力和位移解析计算公式基础上,得出了不同工况下围岩抗力系数计算公式,该围岩抗力系数计算公式不仅考虑了中间主应力的影响,而且与已有的围岩抗力系数计算公式相通。     

三峡左岸电站ALSTOM机组导流板应力试验研究

通过蜗壳导流板振动、应力和压力脉动测试,分析机组在开、停机等过渡过程及不同运行负荷下导流板动应力和静应力水平以及其随负荷的变化规律,并对导流板撕裂的原因进行了初步分析。     

间歇吸气旋涡对进水口消涡工脉动压力的影响及其点面关系的转化

对间歇旋涡作用下进水口消涡工脉动压力特性进行了试验研究，给出了作用于消涡工上的脉动压力的时间相关特性、频率特性以及空间相关特性。由时空相关特性得到涡体的传递速度，在此基础上用数理统计理论将场分布的脉动压力转化为结点荷载，从而为在脉动压力作用下消涡工响应的有限元计算提供了一种荷载补理的方法。     

碧口排沙洞增建孔板消能现场试验研究

在泄洪洞内设多级孔板消能是一种新型消能型式。鉴于国内外尚缺乏这类型式消能的实际工程经验,决定选择碧口水电站排沙洞增建孔板进行现场消能试验,通过试验取得了有关孔板消能效果、水流脉动、孔板及其围岩的诱发振动、空化特性等大量数据,与相应的模型试验和理论计算对比,说明利用多级孔板在洞内消能技术上是可行的,为多泥沙河流上修建高水头泄水建筑物开辟了新的消能途径。     

消力池护坦板上水跃脉动压力的特性分析

中高水头泄水建筑物泄水时,由于高速水流内部的紊动特性等原因,水流存在脉动现象。这种脉动现象在水流内部表现为流速脉动和压力脉动,而反映在固体边界上,则为压力的脉动。水工建筑物的振动和空蚀都与水流压力脉动的频率和幅值有着密切的关系。因此,脉动压力的研究日益引起人们的重视。而水流脉动压力对坝体、厂房顶溢流面板和消力池底板等建筑物的影响尤其令人关注。但是,引起水流脉动的原因极其复杂,它的内部实质还未     

窄缝消能工动压及脉动特性

本文通过大量实验,对窄缝消能工的时均动水压力及脉动压力特性进行了初步研究.认为:窄缝消能工的底板和边墙所承受的动水压力比常规挑坎情况大得多,窄缝消能工的动水压强沿程分布规律符合本文表达形式(2)的;高速水流对窄缝消能工边墙冲击的脉动特性属于低频脉动,边墙上的脉动荷载占相应的动水荷载的比值较小,脉动能量主要集中在极低的频率范围内,因此动水压力脉动引起窄缝消能工边墙振动的可能性较小;窄缝消能工边墙的水流脉动压力振幅概率分布符合正态性.