溢洪道收缩段结构改进设计及数值分析.pdf

四 川 水 利 溢洪道收缩段结构改进设计及数值分析焦致锐王 涛王大川赵 斌谢美铃(中水君信工程勘察设计有限公司成都 西华大学能源与动力工程学院成都)【摘 要】溢洪道是保护大坝安全的重要水工建筑物收缩段是溢洪道的重要组成部分 为优化收缩段功能结合工程实际地形设计一种迅速由宽浅式变为窄浅式的溢洪道收缩段结构采用 模型对其进行数值模拟并将计算结果和常用直线型收缩段结构进行对比 结果表明:改进溢洪道收缩段结构较直线型收缩段的占地面积小 水流流态在横向上分布更均匀且提高了溢洪水流流速两种收缩段结构中的水流湍动强度分布相似水流平均湍动强度值相近 改进溢洪道收缩段结构具有占地面积小、泄洪效率高、适应性强等特点相关成果可为溢洪道工程设计提供参考【关键词】溢洪道收缩段 结构改进 占地面积 水流流态 湍动强度 中图分类号:文献标志码:文章编号:()引言溢洪道是水利水电枢纽工程中的一项主要建筑物对保护大坝安全起着重要作用 一般包括进水段、控制段、收缩段、泄槽段、消能段和出水段 收缩段是进水渠与泄槽段的连接部分其作用是减小泄槽宽度以节省泄槽土石方开挖量和衬砌工程量 传统泄水建筑物的下泄水流一般为急流易造成收缩段产生明显的急流冲击波对收缩段及其下游的流态产生不利的影响 尤其是部分开敞式溢洪道中入水口净宽较大控制水流流速及流态尤为重要由于受地形、地质、枢纽布置、施工、运行条件等方面的限制要改变溢流堰和泄槽段的位置或轴线是比较困难的只有选择合适的收缩段形态才能改善水流条件增加溢洪道的泄洪效率本文结合工程实际改进设计溢洪道收缩段结构并通过数值模拟对比分析溢洪道常用直线型收缩段和改进收缩段结构内水流流态说明收缩段结构改进设计的可行性和实用性 溢洪道结构改进设计某等中型水库以农业灌溉、城乡供水为主兼有防洪等综合效益主要建筑物级别为 级水库总库容 万 水库正常蓄水位 设计洪水位 校核洪水位 水库枢纽工程由大坝、溢洪道、上坝公路组成 溢洪道位于大坝右侧全长 从上游至下游依次为进水段、控制段、收缩段、泄槽、消能防冲段采用底流消能的形式 左岸工程地质条件良好但该地段地形陡峭地形坡度达 以上而岩体风化强烈强风化层厚度大边坡开挖较高开挖量较多边坡处理难度及投资较大且溢洪道开挖对大坝施工填筑互相干扰不利于大坝施工控制结合工程实际情况改进设计溢洪道收缩段结构由宽浅式迅速变为窄浅式改进结构示意如图 所示旨在保证溢流流态稳定的基础上有效提高断面收缩效率减小收缩段的开挖量提高工程整体施工进度改进溢洪道收缩段断面为矩形入口宽浅段宽 出口窄浅段平缓段净宽 边墙高 底板厚 边墙厚 表面采用 厚 硅粉混凝土浇筑 采用反曲线并迅速收缩为窄浅段宽浅段内侧边墙转弯半径 四 川 水 利角度 窄浅段内侧边墙转弯半径为 角度 改进收缩段尺寸标注见图 该尺寸下的改进收缩段占地面积为 相同出入口 尺 寸 的 常 用 直 线 型 收 缩 段 占 地 面 积 为 其尺寸标注见图 改进收缩段占地面积较常用直线型收缩段小 减小了收缩段的占地面积节省土石方开挖量和衬砌工程量图 溢洪道收缩段结构改进示意()直线型收缩段 ()改进收缩段图 平面尺寸标注示意 计算原理及模型 控控制制方方程程采用 软件中的 模型和速度压力耦合 算法对溢洪道收缩段流态进行数值模拟计算求解采用主要方程表达式如下:连续性方程:动量方程:()方程:(方程:式中、为时均速率 为流体压强 为流体的运动黏度为湍流运动黏性系数 为湍流动能 为湍流动能耗散率 为 方程的一附加项代表平均应变率对 的影响 网网格格划划分分及及边边界界条条件件为了对比分析溢洪道收缩段结构的改进设计效果分别建立直线型收缩段和改进收缩段结构模型 使用 对所建模型进行网格划分直线型收缩段模型网格单元数为 节点数为 改进收缩段模型网格单元数为 节点数为 划分后的两种收缩段结构网格模型如图 所示()直线型收缩段()改进收缩段图 网格模型焦致锐王 涛王大川赵 斌谢美铃:溢洪道收缩段结构改进设计及数值分析 根据实际工程情况设置入口流速为 /并将出口边界条件设置为自由出流边墙边界条件均设置为无滑移速度边界 改进设计效果分析 水水流流流流速速分分析析分别对直线型收缩段和改进收缩段结构内水流进行数值模拟计算两种收缩段的流速分布如图 所示()直线型收缩段()改进收缩段图 流速云图由图 可知:()直线型收缩段中的水流流速在横向上呈现着明显的中间大两边小的趋势沿轴向逐渐增大改进收缩段中的水流流速在横向上分布较为均匀沿轴向逐渐增大()两种收缩段的最大流速均出现在出口处其中直线型收缩段的最大流速 /改进收缩段的 /改进收缩段的最大流速 较直线型收缩段提高了 增强了溢洪道的泄洪效率 水水流流湍湍动动强强度度分分析析两种收缩段结构内水流湍动强度分布如图 所示()直线型收缩段()改进收缩段图 湍动强度分布云图由图 可知:()两种收缩段结构中的水流湍动强度分布相似仅在靠近出口的边墙处发生较大湍动强度()两种收缩段结构的水流平均湍动强度数值相近其中直线型收缩段水流平均湍动强度为 /改进收缩段水流平均湍动强度为 /结语利用 中的 模型对两种溢洪道收缩段结构内水流进行了二维数值模拟计算经比较分析得到主要结论如下:()溢洪道收缩段由宽浅式变为窄浅式的改进结构较直线型收缩段的面积小 减小了收缩段的占地面积节省土石方开挖量和衬砌工程量 四 川 水 利()改进溢洪道收缩段结构中的水流流态在横向上分布更均匀且提高了出口处的水流流速提高了溢洪道的泄洪效率()两种收缩段结构中的水流湍动强度分布相似水流平均湍动强度值相近()溢洪道收缩段由宽浅式变为窄浅式的改进结构具有占地面积小、泄洪效率高、适应性强等特点相关成果可为溢洪道工程设计提供参考参 考 文 献侯佩瑾赵克梅张云岗等.溢洪道进口段设计中的若干水力学问题.山西水利科技():.杨玉海李 嫣.浅议正槽溢洪道泄槽设计.中国水运(下半月刊)():.陈素文寿伟冈.洪家渡水电站溢洪道克服收缩段冲击波的结构型式.水利水电技术():.肖天培张小飞黄佳敏.大倾角、大收缩角泄槽收缩段水流特性研究.江西水利科技():.黄智敏付 波周成永.溢洪道陡坡收缩段边墙水深计算和研究.中国农村水利水电():.任勇奇.某水库除险加固新增溢洪道设计的优化方法.珠江水运():.张领护.溢洪道弯道急流冲击波消减技术措施研究.西北农林科技大学.谢美铃付成华吴一杰.新型竖缝式双池室鱼道设计及其水力特性分析.人民珠江():.作者简介:焦致锐()男山东高密人高级工程师本科研究方向:水利水电工程:王 涛()男四川新津人高级工程师本科研究方向:水文与水资源工程:王大川()男四川武胜人工程师本科研究方向:工程造价:赵 斌()男河南商丘人工程师本科研究方向:地质工程:谢美铃()女四川南充人硕士研究方向:生态与智慧水利工程:(上接第 页)结语通过优化预应力混凝土配合比掺入一定量的粉煤灰、矿渣粉减少水泥用量可降低早期混凝土绝热温升同时对长期处于潮湿环境下的内衬预应力混凝土结构耐久性能有利 超过一定范围时宜采用 或 龄期强度进行设计以充分利用掺矿物掺合料混凝土的后期强度参 考 文 献孙金库冉懋鸽.不良地质洞段高压固结灌浆处理.岩石力学与工程学报():.赵顺波李晓克严振瑞等.环形高效预应力混凝土技术与工程应用.北京:科学出版社.卫瑞岗.预应力混凝土衬砌在引水隧洞工程中的应用.山西水利科技():.谢小玲苏海东.穿黄隧洞预应力双层复合衬砌结构受力特性研究.长江科学院院报():.田振华李宝石王经臣.水工隧洞混凝土衬砌裂缝监测与成因分析.水力发电():.郝飞翔.探究水工隧洞衬砌混凝土裂缝产生的原因及预防策略.四川水泥():.洪跃庭.水工隧洞衬砌混凝土裂缝成因分析及控制措施分析.四川水泥():.程洁铃段亚辉刘 琨.温度裂缝对水工隧洞安全运行的影响分析.中国水运(下半月)():.武云华李玉峰.隧洞衬砌混凝土裂缝成因及施工改进措施.工程建设与设计():.:./.武荣成陈 杰.高寒地区水电站引水隧洞衬砌混凝土裂缝的控制.云南水力发电():.杨医博梁 松莫海鸿等.海洋环境下大掺量矿物微粉混凝土的试验研究.武汉理工大学学报():.谢祥明莫海鸿.大掺量矿渣微粉提高混凝土抗氯离子渗透性的研究.水利学报():.孙 勇文梓芸.大掺量细磨矿渣在混凝土中的应用研究.广东建材():.作者简介:王俊礼()男河南郸城人硕士主要从事水利水电工程管理工作: