密松水电站泄洪消能体型优化试验研究

在1:60溢流坝表、中泄水孔断面模型上对密松水电站泄水建筑物的布置方案进行了泄流能力、流速流态、压力分布等相关水力学问题的试验,并通过十多个方案的比较优化,提出了基本可行的泄水建筑物体型和消力池型式。研究成果表明:表孔采用合适的宽尾墩形式,对增加消能率、缩短消力池池长有利,但无法消除宽尾墩形成的水翅击打两侧导墙现象;表孔取消宽尾墩,采用跌坎式消力池方案,可有效降低底流消能时的池底板流速,同时消除宽尾墩形成的水翅击打两侧导墙现象,达到较满意的消能效果。本文中十数个消能方案的研究成果,对类似工程的设计和科研均有参考价值。     

宽尾墩联合消能工体型选择及水力特性的研究

通过系统水力试验,给出了宽尾墩附加消能的消能机理与消能过程,以及附加阻力系数Δζ'及其计算式。对宽尾墩改善消力池内的水流结构,缩短水跃长度,减少尾水深度,提高消能率及改善跃后水流状态等进行了分析,并给出了相应计算式。通过对比试验,得出了宽尾墩体型选择参数。     

宽尾墩消力池透水底板脉动压力试验研究

与不透水底板相比,透水底板能够降低作用在其上的动水荷载,达到防护结构安全稳定的目的。为了更好地认识透水底板这种新型防护结构形式,基于阿海水电站宽尾墩底流消力池水工模型试验,系统地研究了消力池平底透水底板表、底面脉动压力特性在板块开孔前后的变化规律。试验结果包括脉动压力沿程分布规律、概率密度分布的正态性、板块表、底面时空相关性、积分尺度以及脉动压力功率谱密度,并初步探讨了透水底板减压降载机理。试验成果可为消力池透水底板设计提供参考。     

明渠收缩过渡段流速分布及紊动特性试验

受地形、地质等条件影响,明渠收缩过渡段在输水工程中十分常见,过渡段长度过短,会导致水面波动,水体紊动加剧。为研究明渠不同长度过渡段内纵向时均流速及紊动强度的分布规律,通过室内模型试验,利用二维电磁流速仪ACM2-RS测量了渠道内沿程中垂线不同深度处瞬时流速。试验结果表明:收缩段内,纵向时均流速沿程增加,紊动强度沿程降低,遵循涡旋的拉伸机制和线性扭曲理论;受二次流影响,最大流速位于水面以下,且最大流速的位置随二次流作用的增强而降低;不同长度过渡段对下游纵向流速分布和紊动强度影响不同,过渡段越短,下游水流紊动越强,但非渠底附近紊动强度沿垂向先减后增的规律不变。     

低弗劳德数水流二级消力池水力特性试验研究

针对低弗劳德数水流消能问题,在确定单级消力池和二级消力池体型的基础上,采用物理模型试验方法,分别研究了低弗劳德数水流单级和二级消力池的水力特性和消能结构特性。结果表明,在低弗劳德数水流条件下,二级消力池将原单级消力池出池水面较大波动区变成了适应区,对下游尾水位的适应区间显著增加,出池水面波动更小。同时,单级消力池内流线更加稀疏,流速梯度更小;消力池涡量大小明显低于二级消力池,而雷诺应力明显大于二级消力池;二级消力池内雷诺应力大小分区较单级消力池更明显,表面旋滚区明显大于底部旋滚区,水流更加稳定。相比单级消力池,二级消力池消能率显著提高,且有利于下游河床和岸边的防冲保护,工程应用更为有利。     

低弗劳德数水流二级消力池体型参数试验研究

低弗劳德数水流条件下,二级消力池是解决消能问题的一种有效途径。但至今为止,有关二级消力池的工程应用研究较多,而在体型参数和消能机理方面研究较少。为此,采用理论分析和物理模型试验相结合的方法,研究了低弗劳德数水流二级消力池体型参数及其敏感性。结果表明:消力池的长度、深度和尾坎高度等参数都存在界限值,超出界限值时第一级消力池易于产生波状或远驱水跃,而第二级消力池出池水面波动显著增大。池长小于界限值时,消力池池内流态恶化,消能率明显降低;尾坎高度越低,消波效果越好。优化后的二级消力池消能率明显提高,且二级消力池对尾水位的适应性也显著扩大。引入尾坎高度修正系数ωi,提出了各级池长和尾坎高度的计算公式。     

水平多股淹没射流水力特性及消能分析

针对不能采用挑流消能型式的大型水电工程,提出了多股多层水平淹没射流新型消能型式.它是利用与下游消力池底板具有一定高差且基本平行的多股射流进入消能水体的中间,在每一股射流的四周形成强剪切并各有一个较为稳定的三元紊动旋滚的水平多股淹没射流进行消能.对该消能方式的水力特性和消能特性进行理论分析,推导出三元水平多股淹没射流水力参数计算公式,计算结果表明它是一种流态稳定、适应性强、低雾化、高消能率,有利于降低临底流速的新型消能方式.     

冰盖下水流紊动特性试验研究

河冰是陆地冰冻圈的重要组成要素,在生消演变过程中影响水流运动规律,受冰凌影响河流流态可分为明流、完全冰封和部分冰封。为探究冰盖下水流的紊动特性,采用声学多普勒三维测速仪测量3种流态的恒定均匀流场,对比分析纵向时均流速、雷诺应力和紊动强度的分布规律。结果表明：完全冰封流纵向时均流速垂向上呈不对称“■”型分布,雷诺应力在垂向上线性分布,紊动强度在基于双层假定划分的冰盖层和床面层均符合指数分布律;部分冰封流纵向时均流速垂向分布兼具明流和完全冰封流的特性,存在横向动量交换,导致冰盖区、明流区和过渡区的雷诺应力和紊动强度在水深方向上也存在明显的差异。试验结果可为冰凌灾害防治和供水安全保障提供理论指导。     

索风营水电站泄洪消能工设计研究

索风营水电站河谷狭窄,单宽流量大,泄洪消能布置较困难,通过各种消能形式比较及水工模型试验验证,采用新型结构形式--＂X＂形宽尾墩＋台阶坝面＋消力池的综合消能形式,水流流态和泄量均满足设计要求.通过调研、设计、施工和模型试验论述了这一新型消能工的优越性,为今后类似工程提供科学依据.     

某水电站表孔溢洪道消力池段结构优化的试验研究

通过对新疆某水电站表孔溢洪道的模型试验研究,发现在原设计消力池通过设计流量(30 a一遇洪水)1 856.2 m³/s时,消力池内水流波动剧烈,表现在池长和边墙高度均不能满足泄洪要求。因此文章通过对多种修改方案的试验研究,提出了在消力池内设置趾墩—消力墩—尾坎的方案四为最优修改方案。试验结果表明：方案四有效的改善了池内水流流态,同时缩短了池长、降低了池深,节省了工程造价,解决了下游冲刷问题,试验成果对于同类工程设计具有借鉴意义。     

深筒式消力井水力特性试验研究

结合一个深筒式消力井工程的水力学模型试验,说明在高水头、小流量条件下,当水流从管道水流转换为明渠水流时,深筒式消力井是一种合理、可行的消能措施.深筒式消力井能承受输水管道很高的水头,与消力井进水管上安装有控制阀门密切相关.结合理论分析说明,输水管道的压力水头大部分耗散或损失在阀门处,阀门是消力井工程的关键部位,其开度应随压力水头的变化而变化;试验表明消力井出水管出口处的流速呈外弯大、内弯小的流速分布.     

高拱坝宽尾墩三维流场数值模拟

高拱坝表孔宽尾墩收缩射流水舌的扩散特性与其出口流速分布密切相关,为了求得收缩射流的水力特性,应用RNGk ε双方程湍流模型对高拱坝表孔不同体型及过流量条件下可能出现的降水曲线流态、急流冲击波流态、水跃壅水流态、缓流流态4种流态进行了数值模拟计算,水流自由表面的模拟采用VOF法,得到了溢流水面及流速分布。结果表明,无论在何种流态下,计算所得的水面曲线均与物理模型试验值吻合良好,所得的出口流速分布结构也验证了高拱坝宽尾墩收缩射流水舌不同流态下分散的机理。     

微淹没圆形射流空化特性减压试验

空化空蚀和掺气减蚀机理的研究是高速射流研究的重要方面。在微淹没条件下,保证闸室面积与射流出口面积比不变,对设置门槽的有压矩形闸室后接圆管射流的突扩突跌消力池空化特性进行减压试验,其中跌坎高度S（5.5 m和4.0 m）和圆管长度L₂（L₂/d=2、1和0,d为圆管直径）。跌坎高度S从5.5 m降低至4.0 m,门槽及圆管射流出口处消力池边墙发生空化的可能性变化仅10%。圆管长度L₂/d=2和0时门槽发生空化的可能性比L₂/d=1时高出40%~60%;而L₂/d=0时圆管射流出口处边墙的空化可能性比L₂/d=1时可高出260%,L₂继续增加对空化特性的不利影响有限。增加跌坎高度S有利于水流掺气,为达到良好的掺气减蚀效果,不宜过低。因此,跌坎高度S对门槽及圆管射流出口处消力池边墙空化特性影响较小,而圆管长度L₂对其空化特性影响较大。     

渐扩散水跃跃长的研究

首先通过对作用于渐扩散水跃的压力分析,阐述了渐扩散水跃跃长总比非扩散水跃跃长短的原理。在此理论基础上,考虑边墙扩散角的影响,建立了渐扩散水跃表面质点运动方程,并结合动量方程和连续方程,推导出渐扩散水跃跃长的半理论、半经验公式。同时,引入非扩散水跃跃长经验公式,使渐扩散水跃跃长公式大大简化。其次,对该理论的局限性进行了分析,得到了该公式的适用范围。在该范围内,该公式能较好地吻合实验结果,从而该理论得以证实。最后对各家渐扩散水跃跃长经验公式进行分析归类,并推荐工程适用公式,以便工程运用。     

吹填土强夯加排水地基处理的数值分析与应用

强夯加排水地基处理方法是近年来发展的一种地基处理技术,在吹填土地基处理方面得到了广泛应用。根据强夯能量耗散分析与土体密实机制,基于冲击荷载作用下孔隙水压力的发展模式,建立了强夯加排水地基处理的数值分析模型,并采用有限差分法进行了求解。采用编写的数值程序分析了强夯过程中超孔隙水压力的发展与土体密实效果,以及土体渗透系数、单击时间间隔以及砂井间距等对加固效果的影响,讨论了“重锤少夯”和“轻锤多夯”的差异,并与工程实例进行了比较。研究结果表明,建立的数值模型可以模拟强夯加排水地基处理的施工过程,较好地反映强夯过程中孔隙水压力的发展变化规律和加固效果。排水措施的设置有利于超孔隙水压力消散和加固深部土体,进而提高土体加固效果和缩短工期。最后,根据数值分析结果,提出了强夯加排水地基处理的合理设计建议。