孔梁水库工程溢洪道下游冲刷及水垫塘水力特性研究

论文摘要

我国水系发达,江河水系中蕴藏着十分丰富的水力、水运资源,建设水库工程是开发利用这些资源最普遍的一种方法。统计目前国内水库工程泄洪消能的方式,采用最多的为挑流消能形式,但挑流消能工带来的下游河床冲刷问题直接关系到大坝的安全与稳定,一直是水利学界不断探索的焦点问题。孔梁水库工程具有高水头、大单宽流量、河道地形特殊等特点,可以作为研究高坝挑流泄洪消能引起下游局部冲刷问题的工程实例。本文以重庆巫溪县孔梁水库工程为研究对象,采用水工模型试验与三维数值模拟相结合的研究手段,为高坝挑流工程泄洪消能提供可供参考的研究方法,同时运用理论分析的方法得出预测高坝挑流冲刷下砂卵石河床冲坑深度的估算公式,以期望对高坝挑流冲坑深度进行较为准确的预报。得出的主要成果有:（1）本文基于孔梁水库工程极为复杂的地形条件以及近百米上下游水位差的特殊情况,通过物理模型试验研究得到了满足消能设计要求的溢洪道设计体型。以保证上下游水工建筑物安全运行为前提,根据下游冲坑的物理试验结果来指导上游挑流鼻坎形式,得到了挑流鼻坎优化体型,有效改善了水舌射流方向,避免冲折水流、雾化现象的发生,纠正了冲坑位置向河道左岸偏转而引起边坡失稳的问题,使得冲刷最深点归于主河槽内,有效减小了冲坑范围且使得冲坑形状趋于规则,改善了特殊地形带来的不良水流流态。（2）采用RNG k-ε双方程紊流模型结合VOF捕捉自由水面的数值模拟方法,得到了孔梁水库溢洪道工程从库区到溢洪道再到下游冲坑水垫塘的全程水气二相流三维数值模型。对上游溢洪道相关物理量的验证,得到模拟结果与试验结果较为吻合的结论,说明可以用其来进行下一步的数值模拟试验研究。（3）通过数值模拟得到水垫塘流速场以及流场水气百分比、临底压力场、紊动能及紊动能耗散率分布等信息,分析冲坑内水流形成的类似螺旋流态的三元水流结构,以此来研究冲坑的进一步发展情况;通过冲坑压力场分布特征及冲击点压力峰值,说明入射水流对河床的冲击压力越大,冲刷程度就越厉害;通过分析紊动能、紊动能耗散率分布可知,在冲击点附近,二者的值均达到最大,表明这些区域是水流能量传递和耗散的主要区域。（4）分析影响高坝挑流下游局部冲刷的主要影响因素,包括单宽流量、上下游水位差以及河床组成粒径,并根据孔梁水库工程试验结果及大量原型观测数据拟合出估算冲刷坑深度的经验公式。为了验证公式的适用性,通过其他3个水电站的实测冲刷资料对该公式进行验证,结果表明,计算值与实测值吻合较好,为其他类似高坝挑流冲刷问题提供冲坑深度估算依据。

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摘要

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第一章绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 冲坑深度估算公式研究现状

1.2.2 冲刷问题的物理模型试验研究

1.2.3 冲刷问题的数值模拟研究现状

1.3 研究内容、研究方法及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

1.3.3 技术路线

1.4 小结

第二章孔梁水库工程物理模型设计与布置

2.1 孔梁水库工程概况及设计方案

2.1.1 孔梁水库工程溢洪道陡槽泄流方案

2.1.2 孔梁水库工程阶梯溢洪道方案

2.1.3 孔梁水库工程挑流鼻坎优化方案

2.2 模型的设计和制作

2.3 模型测量断面布置

2.3.1 溢洪道测量断面布置

2.3.2 下游冲刷地形测量断面布置

2.4 小结

第三章孔梁水库工程物理模型试验研究

3.1 试验目的和内容

3.1.1 试验目的

3.1.2 试验内容

3.1.3 试验设备及仪器

3.2 阶梯溢洪道下游动床冲刷试验观测

3.2.1 阶梯溢洪道物理模型试验方案布置

3.2.2 模型试验工况

3.2.3 过流能力分析

3.2.4 试验结果及分析

3.3 挑流鼻坎优化方案下游冲刷试验观测

3.3.1 挑流鼻坎优化物理模型试验方案布置

3.3.2 模型试验工况

3.3.3 挑坎的不足与优化

3.3.4 试验结果及分析

3.4 小结

第四章数值模型的建立

4.1 数值模型建立理论

4.1.1 流体力学基本控制方程

4.1.2 控制方程的离散

4.1.3 流场数值计算方法

4.1.4 三维紊流数学模型

4.1.5 VOF多项流模型

4.1.6 边界条件及壁面函数

4.2 孔梁水库溢洪道工程数值模型的建立

4.2.1 几何模型的创建

4.2.2 数值模型网格的划分

4.2.3 数值模型边界条件的设定

4.2.4 三维数值模型网格质量检查与优化

4.3 数值模型参数的确定

4.4 溢洪道数值模型验证

4.4.1 流态比较

4.4.2 水面线验证

4.4.3 水舌验证

4.5 小结

第五章溢洪道下游冲坑水垫水力特性研究

5.1 水流水气比分析

5.2 流速场

5.2.1 水流结构

5.2.2 时均流速分布

5.3 临底压力场

5.4 紊动能（TKE）分布

5.5 紊动能耗散率分布

5.6 小结

第六章冲刷坑深度估算

6.1 冲刷坑形成的阶段与机理

6.2 影响冲坑深度因素分析

6.3 冲坑深度估算公式拟合

6.4 公式验证

6.5 小结

第七章结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 冯帆

导师: 付旭辉

关键词: 高坝挑流,水垫塘,下游冲刷,数值模拟,冲坑深度

来源: 重庆交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程,水利水电工程

单位: 重庆交通大学

分类号: TV651.1;TV135.2

DOI: 10.27671/d.cnki.gcjtc.2019.000358

总页数: 101

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