带键槽透水底板脉动压力试验研究

消力塘防护结构是大坝安全的第一道防线,消力塘的安全是高坝泄洪安全的前提与保障。依托向家坝物理模型,以将“主动防护”与“被动防护”相结合的带键槽的透水底板为试验对象进行试验,主要针对带键槽透水底板的脉缝隙水流压力特性、下表面的脉动压力分布规律、时空相关性、空间相关性和压力频谱特性进行试验分析。结果表明,在水跃稳定区,增设透水孔后,带键槽底板下表面及垂直缝隙处各测点脉动压强最大值和脉动压强系数有所减小;带键槽底板下表面各测点间的相关性有所减小,同时涡漩的空间积分尺度与保持性减小;底板下表面及键槽处各测点的功率谱密度有所减小,并趋于低频。     

平底水垫塘透水底板下表面脉动压力试验研究

基于模型试验结果,研究了平底水垫塘透水底板下表面的脉动压力特性,分析了不透水底板及透水底板不同开孔率情况下的下表面脉动压力的分布规律、概率特性以及互相关特性和频谱特性。分析结果表明：在水舌冲击区,脉动压强系数随着开孔率的增大而增大;互相关系数随着开孔率的增加而略有减小,其旋涡保持性有所降低;透水底板较不透水底板下表面的脉动能量更加集中于低频。     

透水底板破坏模式研究

通过数值模拟建立三维非线性接触有限元模型,通过非线性静力计算与动力计算分析,研究带键槽透水底板可能的破坏模式。分析表明,中间板块往往是板块水垫塘透水底板失稳的危险点,在脉动压力的做用下,中间板块更容易失稳,底板在扬压力的作用下,可能产生劈裂失稳破坏。可为工程建设、优化带键槽透水底板的体型、水垫塘安全等提供参考。     

基于锦屏一级原型观测水垫塘底板振动特性研究

锦屏一级水电站大坝作为目前世界最高双曲拱坝,对于高水头水垫塘振动安全问题最为显著。基于锦屏一级高拱坝水垫塘泄洪振动原型观测试验,分析研究了在不同组次下水垫塘底板的振动响应,研究结果表明锦屏一级水垫塘底板在深孔单独泄洪时振动强度沿程逐渐增大,在表孔单独泄洪和表深孔联合泄洪时水舌在水垫塘附着点水流紊动剧烈,振动强度大;底板振动的优势频率基本分布在0.3~1.3 Hz之间,属于水流脉动的频率范围,在水流荷载作用下,底板做受迫振动;各相邻测点底板振动有很好的相关性;各组次底板振动的空间积分尺度都维持在45m以上,底板的整体性和结构完好。给锦屏一级水电站合理调度、科学的运行以及下游泄洪建筑物的运行安全提供了参考。     

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。     

脉动压力在板块缝隙中传播衰变机理研究

探讨高坝下游水垫塘内脉动压力在底板缝隙水介质中的传播机理,分析缝隙粗糙程度及堵塞程度对脉动压力传播的衰变影响,进一步阐明脉动压力在水垫塘底板破坏中的作用。基于一维瞬变流模型和特征线法,同时考虑缝隙通道的阻滞作用,对脉动压力在缝隙中的传播进行数值模拟,得出单体板块入口端瞬时感应到低频余弦脉动压力干扰波、出口端分别为盲端和自由端时,不同堵塞系数下底板缝隙中点处的点脉动压力时间过程。分析得出:缝隙中点处的脉动压力是由低频干扰波和由于缝隙中类似于水击的水力瞬变引起的高频波的叠加。受缝隙通道阻滞作用,脉动压力的高频脉动分量在短时间内迅速衰变,时间过程曲线趋于与干扰波同频率的余弦曲线。     

不同衬砌形式水垫塘水工模型试验研究

水垫塘作为下游河床消能的防护结构,其自身在宣泄高速水流冲击下的安全性尤为重要,也是水垫塘消能防冲研究的关键。水垫塘底板破坏的主要原因是冲击动水压力(冲击压力和脉动压力),即形成向上的上举力,依托阿尔塔什水利枢纽工程左岸泄洪系统,分别对水垫塘底板衬砌出现的最大上举力和不衬砌时底板抗冲刷能力进行水工模型试验,通过试验为选择设计方案提供数据支撑,提出采用水垫塘底板衬砌的设计方案。     

高坝泄洪水垫塘底板防护安全研究

高坝泄洪水垫塘底板是重要的消能防护结构,若大坝下游河床防护不当,水垫塘底板的破坏可能危及大坝安全。通过模型试验对影响水垫塘底板受力的因素作了研究和探讨,根据试验结果提出了改善其受力条件,增加工程安全性的相关建议。     

阿尔塔什水利枢纽水垫塘边坡稳定性试验研究及数值模拟

通过阿尔塔什水利枢纽水工模型试验,分析了其水垫塘护坡在6种工况下的脉动压力、上举力的分布规律。结果发现,护坡受水垫塘横向涡旋影响,使脉动压力作用范围较广,1#表孔、2#表孔、中孔全开泄洪时,随着上游水位的升高,脉压峰值向下游偏移,且峰值逐渐增大,校核水位时脉动压力达到最大;随上游水位的升高,最大上举力总体呈增大趋势,单位面积最大上举力峰值为5.36×9.8 kPa,位于右岸X/L(各测点相对于护坡长度的位置)为0.63位置,且各工况下脉动上举力最大值均出现在X/L为0.63位置。水垫塘边坡衬砌在动水压力作用下存在上浮和倾覆两种主要的破坏形式,通过模型试验与数值模拟结合的方式对两种破坏形式进行分析研究,结果显示,边坡衬砌满足安全要求,不会发生上浮和倾覆破坏。通过模型试验计算分析水垫塘检修工况下的边坡稳定性,结果表明衬砌满足安全要求,不会发生失稳破坏。     

带键槽透水底板破坏模式研究

通过数值模拟建立三维非线性接触有限元模型,通过非线性静力计算与动力计算分析,研究带键槽透水底板可能的破坏模式,为工程建设、优化带键槽透水底板的体型、水垫塘安全等提供参考。通过模拟可以看出,键槽提高了透水底板水垫塘的整体抗力水平;中间板块的变形速率远远大于边缘板块,中间板块由于锚固失效首先失稳;键槽处的剪应力小于其抗剪强度,不会发生受剪破坏。     

水垫塘冲击区掺气浓度对脉动压强作用的试验研究

采用水工模型试验,研究泄流进入水垫塘后在水垫塘底板冲击区内掺气浓度对脉动压强的作用。通过改变掺气量,使水垫塘内水体的掺气浓度发生变化,开展不同的掺气浓度对水垫塘冲击区底板脉动压强影响的研究。结果表明:在保持水垫深度和泄流流量不变的情况下,增加掺气量,水垫塘冲击区同一测点水体掺气浓度值随掺气量的增加而增加。水垫塘冲击区内掺气浓度分布规律为在冲击点处达到最大值,由冲击点向上、下游递减;冲击区底板总动水压强的峰值随掺气量的增加而降低;脉动压强的方差值随掺气量的增加而减小,即脉动变幅减小。脉动压强的概率密度分布为正态分布,分布曲线随掺气量的增加而变陡、变窄,脉动强度系数分布集中,即方差变小,压强峰值减小,脉动强度减小。同一测点脉动压强的频谱分布规律一致,其优势频率集中在低频范围,随掺气量的增加,脉动幅值降低,即脉动压强降低。     

长潭岗水电站反拱形水垫塘研究及应用

介绍了长潭岗水电站反拱形水垫塘的布置型式和结构构造，用有限元的方法计算了动水荷载作用下的底板应力和位移，通过水工模型试验，测试了底板上的动水压强，本工程已经建成，并埋设了结构和水力学原型观测仪器，长潭岗拱坝反拱形水垫塘的应用研究，可为大型水电站拱坝水垫塘型式选择提供借鉴。     

消力塘透水底板脉动壁压幅值相似律研究

以底流消能情况下消力塘透水底板下表面脉动壁压为研究对象,设计了系列比尺(1∶1,1∶2,1∶4)模型试验,分析了透水底板脉动壁压强度、偏态系数、峰度系数以及概率密度函数沿程分布特征,并研究了系列比尺模型试验中脉动壁压幅值特性的相似律问题。结果表明,底流消能情况下消力塘透水底板脉动壁压幅值符合重力相似律。     

多股水舌入射水垫塘底板脉动压力互相关特性及其灰色关联分析

本文对１：１００比尺的小湾水垫塘底板脉动压强进行了量测，对水舌冲击区附近各测点，进行了时空相关分析。结果表明，相关系数随水垫深度增加有所增大，随离冲击区距离的增大呈近似指数衰减。文中还首次引入了灰色关联分析方法对其进行了灰色关联分析，结果表明其关联度均在０．６以上，说明灰色关联分析在脉动压强相关分析中有其一定的优越性。     

宽尾墩-跌坎型底流联合消能工水力特性试验研究

通过水工模型试验着重分析比较了宽尾墩-跌坎联合消能工与跌坎以及常规消能工消力池内的水流流态、临底流速以及脉动压力等,并根据试验结果拟合分析了该联合消能工的强迫水跃长度公式。试验结果表明,该种新型的消能方式改善了跌坎消力池内的水流流态,降低了消力池内的临底流速和脉动压力,缩短了消力池的长度,减轻了下游河道的冲刷,并且能很好地利用宽尾墩良好的消能率,克服宽尾墩挑射水流对消力池底板的冲击问题,为类似工程提供了参考,同时也丰富了泄洪消能工的型式。     

用二维瞬变流方程分析缝面层中脉动压力传播规律

本文利用二维瞬变流方程探讨了高坝岩块底 部或水垫塘底板块底部脉动压力波的传播规律，并提出计算可能最大脉动上举力的方法和公式。     

溢洪道挑流鼻坎水气二相流数值模拟研究

针对某溢洪道挑流消能存在的问题,采用VOF方法、立方体网格和k-ε紊流模型对溢洪道整体水力特性进行了三维数值模拟,对挑射水流流态、水舌掺气、水垫塘底板压强、下游河道流速等方面进行了分析。将某溢洪道由原高低式挑流鼻坎修改为差动式后,增大了下泄水流入水范围,提高了挑流消能的消能效率,减小了水垫塘底板压强,降低了下游河道水流流速。优化方案数值模拟结果得到了模型试验结果的验证。     

趾墩悬栅联合消能紊动及荷载特性数值模拟

基于Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型,采用流体体积函数法(Volume of Fluid,VOF)追踪非线性自由界面,对比趾墩悬栅联合消能与单一悬栅消能2种方式的水力特性差异,模拟水跃过程产生的大尺度紊动及水汽两相的强烈掺混作用。获得消力池内精细流场结构及边壁所受压力变化,以此对紊动特性及压力分布规律进行研究。结果表明:趾墩悬栅联合消能结构显著增加了渥奇段内水体紊动强度与规模,其中0.4＜h^*＜0.8(h^*为相对水深)范围内紊动强度相较单一悬栅显著增加,沿程衰减显著;消力池底板动水压力呈现明显波动,其平均动水压力相比单一悬栅略有降低;压力脉动峰值位于0.3＜x_p＜0.4(x_p为沿程相对位置),其动压力系数为消力池底板最大动水压力系数的2.0~2.4倍。研究成果可为消能机理的研究提供可靠依据。