高拱坝表孔宽尾墩体型优化试验研究

高拱坝表孔溢流坝面短,作用水头低,堰前行进水流具有向心倾向.宽尾墩消能工应用在高拱坝泄洪表孔必须与此特点相适应.本文对宽尾墩应用在高拱坝坝顶泄洪表孔的体型布置进行了试验研究.结果表明,宽尾墩应用在高拱坝表孔时,出口角度不宜采用挑角,而应采用俯角:采用较大的宽尾墩墩尾折角有利于水流的纵向扩散和减小水垫塘底板冲击动压;同时为避免拱坝曲率造成的水流径向集中现象,两边表孔宽尾墩应采用非对称体型设计.优化后表孔水流能够在竖向及纵向充分扩散,空中呈窄而高且长的流态,在水垫塘中横向分区入水明显,不仅使水垫塘底板冲击动压减小和冲击点向下游偏移,而且为高拱坝表深孔水舌相互穿插无碰撞消能,减轻泄洪雾化创造了条件,对狭窄河谷中的高坝工程具有重要的工程应用价值.     

高拱坝分层多股射流水垫塘冲击压强研究

针对表孔采用宽尾墩深孔采用窄缝坎新型消能形式,利用物理模型试验研究表深孔联合泄洪形成的分层多股射流在不同流量比情况下对水垫塘底板的动水冲击压强特性的影响。建立了表深孔流量比对水垫塘底板的动水冲击压强变化的关系,实验证实了上游水股产生的水垫对下游水股冲击压强确实具有减小的作用,水垫塘内流态稳定,消能充分,深孔射流产生的最大冲击压强随着表深孔射流流量比的逐渐增大而减小。该研究可为实际工程中合理确定分层多股射流流量比提供参考依据,为峡谷区高坝工程的坝身泄洪消能布置及水垫塘的抗冲防护和结构稳定性分析提供有力科学依据。     

三河口水利枢纽表孔泄洪消能方式研究

三河口水利枢纽为碾压混凝土拱坝设计,主要泄水建筑物是三孔泄洪表孔和二孔泄洪底孔,均采用挑流方式消能。为减轻对坝脚及下游河床的冲刷,在坝下游设置水垫塘。原方案时,表孔的泄流集中,导致水垫塘内的冲击压力较大,对水垫塘的安全运行不利。经过试验研究,最后选定的方案能最大限度的使水流分散,水垫塘内的流态及压力分布明显改善。     

与宽尾墩联合使用的消力池底板压强特性试验研究

压强分布规律是决定消力池底板能否稳定的一个主要因素。本文通过水力学模型试验测试结果,对与宽尾墩联合使用的消力池底板时均压强与脉动压强分布规律进行了研究,研究发现,池底板时均压强可沿程分为冲击区、跳跃区和恢复过渡区,冲击区一般水流可能承受动水压强作用,且不同水流条件下,动水冲击压强会出现不同的变化规律,跳跃区时均压强会随着冲击区动水压强增加而减小。脉动压强变化一般主要集中在冲击区,且脉动压强会随着尾水深度及尾坎高度的增加而减小,随着消力池长度的增加而增加,采用X型宽尾墩后,脉动压强可能比采用Y型宽尾墩减小大约20%以上。     

拱坝表孔单孔双窄缝水舌冲击压强数值分析

挑流表孔采用消能工体型不同,水舌能量分布与挑流引起的冲刷深度就存在差异。为了探索单孔双窄缝消能工体型挑流水舌的能量分布情况,研究其冲刷作用机理,本文利用数值模拟方法计算了拱坝表孔单孔双窄缝挑流水舌的流场信息,在此基础上,分析冲击压强在河床底板上的特性。研究结果表明,双窄缝消能工体型冲击压强具有普通斜淹没射流的特点,但能量更为分散,水垫区流态复杂,不同水股的相互作用更加明显,且不同工况下时均冲击压强分布形态不同,这些变化都将有利于能量的耗散。     

多层水股射流入射水垫塘流场特性的优化分析

研究表深孔上下差动出流,水股分层分散射流在水垫塘的流动特征和各水股射流之间的干扰碰撞特性.选用非定常不可压缩流动的N-S方程和RNG k-ε紊流模型,采用VOF(Volume of Fluid)法结合溪洛渡双曲拱坝水垫塘对不同间距的多层二元射流进入水垫塘后的水流结构进行了数值模拟.通过对时间的迭代,计算和分析了水股间距对水垫塘恒定流场特性的影响,按多股射流入射水垫塘后的流动特征分为四类.给出了水股间距对水垫塘底板的冲击压力的影响规律以及与流场、速度场的关系,发现射流对水垫塘底板的冲击压力特点和速度场的分布特点相对应.研究认为:对于坝身泄洪为分层出流时,在射流入水间距能保证充分发挥上游水股产生的动水垫效应的前提下,应尽量选择较小的射流入水间距,从而减小下游水股对床底的冲击压力.本研究可为水垫塘的优化设计、防护和坝身孔口的合理布局提供参考依据.     

多股水平淹没射流水垫塘流场数值模拟

水垫塘三维流场的研究是深入研究消能机理的基础 ,多股水平淹没射流水垫塘作为一种新的消力池型式 ,其水垫塘内水流流态特征是研究者最为关心的问题之一 ,本文对向家坝多股水平淹没射流水垫塘的三维流场进行了数值模拟 ,将计算的消力池底板压强及流速与实测结果进行了对比 ,计算值与实测值吻合较好 ,计算的消力池内三维流场与实验中观察到的流态及理论分析结果吻合很好 ,结合流场特性分析了试验和计算中发现的中孔射流冲击点比表孔射流冲击点更远的原因 ,分析了中孔之间不存在稳定的、明显的、贯穿的“马蹄涡”及其原因。     

泄洪洞出口体型对挑流消能效果的影响研究

为了宣泄洪水并提高泄洪灵活性,许多大型水利水电工程中布置了岸边泄洪洞,并且大都采用"挑流+水垫塘"的消能型式,因此泄洪洞出口的体型对消能效果有显著影响。本文结合某水电站工程实际,针对不同泄洪洞出口体型方案下的水垫塘消能效果进行了对比研究,分析了各体型方案下的消能效果,从水垫塘底板冲击压强、出水垫塘的水流流速等方面对消能效果进行了评价。并从中选取了最优的体型应用于工程设计,提高了泄洪洞水垫塘的消能效果,这对工程的安全运行十分有益。     

宽尾墩消力池水动力及调控响应特性研究

基于景洪水电站1:100的物理模型,对Y型宽尾墩消力池的水动力及调控响应特性进行研究,主要研究了水垫厚度、单宽流量、开孔方式对动水压强的影响。研究发现：时均压强主要受水垫厚度控制而受单宽流量的影响不大,时均压强随水垫厚度的增加而增加;脉动压强同时受水垫厚度和单宽流量控制,脉动压强随水垫厚度增加而减小、随单宽流量增大而增大;动水压强随开孔方式的改变而变化,在试验的开孔方式下,表孔由间隔开启变为相邻开启,对表孔中线的脉动压强最大值、闸墩中线的脉动压强最大值均有削弱的作用。     

拱坝水垫塘拱形底板受力与稳定性实验研究

高拱坝枢纽采用坝身泄洪、水垫塘消能是一种较好的布置型式,但水垫塘底板的型式和尺寸及其泄洪时稳定性是它的关键技术问题。本文所研究的拱形底板是一种新型的底板型式。通过实验分析,研究了冲击射流下拱形底板失稳型式,量测了底板上、下表面压强分布,概化了时均上举力（上、下表面时均压强差）的计算公式,实测了动水荷载作用下拱端推力。研究表明：拱形底板具有整体稳定性特征,它可能是高拱坝大流量泄洪水垫塘比较理想的保护型式。     

重力坝下游宽尾墩和消力池联合消能工水力特性试验研究

某水电站是目前采用＂宽尾墩＋消力池＂联合消能工中坝高最大的水电工程,加之流量大,洪峰频率高,泄洪建筑物运用频繁,其泄洪消能问题十分突出。本文通过水工模型试验研究,对表孔宽尾墩体型设计参数进行了优化,同时对比分析了长、短消力池的流态、水面线、压力分布、临底流速等水力特性,提出了一个水力学较优的消能工体型布置方案。实测结果表明,消力池底板时均冲击压力高达42.9（9.81kPa）,脉动压力高达10（9.81kPa）.恰当增加消力池长度对于降低消力池出池水流波动和减轻下游河道冲刷有利。试验成果已为实际工程的消能防冲设计提供了重要的参考依据。     

边宽尾墩体型对边墙区域水流水力特性的影响研究

本文采用模型实验和数值模拟方法对Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能进行分析研究,Y型边宽尾墩在满足泄洪消能条件下,侧收缩角设置不佳,会出现水流飞溅出边墙的问题。通过实验结果,比较分析三种不同体型边宽尾墩的整体水流流态、墩后水翅、溢流坝面时均压强、消力池时均压强及流速分布发现,边宽尾墩侧收缩角分别为19.03°、17.07°、19.98°、13.80°和19.98°、7.0°时消力池内水流流态均较好,其消能效果较好。当边宽尾墩侧收缩角为19.98°、7.0°时,水流不飞溅出边墙。     

宽尾墩体型对阶梯溢流坝阶梯面掺气和消能的影响研究

宽尾墩与阶梯溢流坝结合的新型消能工,有效的解决了我国高坝泄洪建筑物由于高水头和大单宽流量等引起的高速水流问题。本文应用水汽两相流VOF模型和三维RNG-紊流模型,采用有限体积法进行区域离散,速度与压力的耦合方式采用PISO算法,利用几何重建格式的非恒定流迭代求解,对宽尾墩收缩比分别为0.7、0.445和0.4的Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池消能方式中阶梯面掺气特性和消能特性进行了数值模拟,模拟结果显示,各收缩比条件下,沿程平均掺气浓度略有波动,但总体呈减小趋势,随收缩比减小,阶梯面掺气范围减小。在前几级阶梯面,掺气充分,沿阶梯水平固壁面向外,掺气浓度呈先减小后增大的趋势,而沿阶梯垂直固壁面向下,掺气浓度先增大后减小,相同断面处平均掺气浓度随收缩比减小而增大。在掺气末端的阶梯面上,沿阶梯水平固壁面向外,掺气浓度逐渐增大,而沿阶梯垂直固壁面向下,掺气浓度逐渐减小,相同断面处平均掺气浓度随收缩比减小而减小。阶梯溢流坝消能率随宽尾墩收缩比的减小而增大。     

岸边溢洪道侧面挑入消力池消能方式研究

本文提出了一种岸边溢洪道从侧面分散挑射出流,利用与之平行布置的已有消力池来消能的布置形式,采用模型试验和数值模拟的方法对溢洪道的水力特性以及消力池内的水流流态等进行了研究。结果表明,在适当的位置取消侧墙,并配合底板的适当倾斜,可使部分水流从侧面沿程均匀跌入消力池,溢洪道另一侧边墙末端采用圆弧收缩至消力池边墙处,可使其余水流从跌射水流上方挑射进入水力池,从而在消力池内形成一"∩"形入射水舌,使溢洪道出射水流充分拉伸扩展,分散进入消力池,避免对消力池底板造成较大的冲击。采用这种布置形式,既不影响其它泄洪建筑物泄洪时消力池的正常运行,又充分利用了已有消力池的后半部分供溢洪道消能,可大大节约工程投资。     

非对称Y型宽尾墩体型对阶梯掺气空腔长度及负压的影响研究

为了研究Y型非对称宽尾墩体型对阶梯掺气空腔长度和空腔负压的影响,本文采用水气两相流VOF方法的三维RNG k-ε紊流模型,利用几何重建格式进行水气面附近的插值,速度与压力的耦合方式采用PISO算法,用非定常流算法逼近定常流的稳定解,对宽尾墩收缩比分别为0.598、0.497和0.445的Y型非对称宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的阶梯掺气空腔长度和阶梯压力分布进行了数值模拟,模拟范围从上游库区至下游消力池尾坎。并对阶梯掺气空腔长度进行实验,将所得实验结果与模拟结果进行对比,发现计算阶梯掺气空腔长度与实测空腔长度基本吻合,最大误差为9.7%。模拟结果显示,随着非对称宽尾墩收缩比减小,阶梯掺气空腔长度逐渐增大,且侧收缩角较大一侧的空腔长度是侧收缩角较小一侧空腔长度的4~5倍。空腔负压随收缩比减小而减少,但阶梯负压分布范围逐渐扩大,各级阶梯外边缘均出现负压,空腔内最大负压出现在首级阶梯垂直固壁面上。     

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。     

宽尾墩后接阶梯溢流坝面水工设施的研究

将宽尾墩安置在阶梯溢流坝上游形成一种新的水工设施,它兼有宽尾墩和阶梯溢流坝面的特点,比纯阶梯坝单宽流量可增大数倍。由于在阶梯面与挑射水流之间形成气体空腔,可实现充分掺气。本文对其进行了数值模拟,采用了双孔方案。虽然网格数增加了一倍,但比单孔而言流场更加完整。通过数值模拟得到的墩后水翅、阶梯面挑射水舌和掺气腔体等,与实验观测到的现象吻合。介绍了复杂水工建筑物的网格生成方法。本文的研究成果可以为设计提供参考依据。     

X宽尾墩应用与发展的试验研究

本文在总结传统宽尾墩与普通X宽尾墩消能工所存在问题的基础上,通过思林水电站泄洪消能建筑物的试验结果分析,提出一种新型X宽尾墩消能工。该消能工体型简单,能满足表孔泄洪流量变化范围大、消力池纵向长度小、尾坎低的要求。与传统宽尾墩对比试验结果表明,消力池水流消能充分、下游河道水面波动小、消力池底板脉动小、满足工程安全运行的需要。