泄洪洞水擊數(shù)值模擬研究.pdf

1、泄洪洞作為水利樞紐的主要泄水建筑物，保障樞紐安全運(yùn)行。工作閘門(mén)位于泄洪洞末端，閘門(mén)的安全運(yùn)行是泄洪洞發(fā)揮泄洪作用的必要條件，閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的水擊可能引起閘門(mén)結(jié)構(gòu)振動(dòng)破壞。采用已發(fā)展成熟的特征線(xiàn)法進(jìn)行泄洪洞水擊的數(shù)值模擬，研究成果可為工作閘門(mén)的設(shè)計(jì)和閘門(mén)運(yùn)行方案的制定提供參考。
　　高水頭、大流量泄洪洞的特點(diǎn)是水流流速高，應(yīng)考慮流速對(duì)水擊壓強(qiáng)的影響。
　　本文主要研究?jī)?nèi)容及研究結(jié)果:
　　(1)當(dāng)工作閘門(mén)勻速啟閉時(shí)，

2、盡管閘門(mén)啟閉速度較小，但其運(yùn)行過(guò)程中仍然伴隨有水擊現(xiàn)象的產(chǎn)生，水擊壓強(qiáng)周期性變化，往復(fù)作用于閘門(mén)上，可使閘門(mén)產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，甚至發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致閘門(mén)結(jié)構(gòu)破壞。水擊問(wèn)題對(duì)泄洪洞的安全運(yùn)行很重要，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行深入研究。
　　(2)保持恒定流時(shí)工作閘門(mén)前水流壓強(qiáng)不變且閘門(mén)啟閉時(shí)間一定，數(shù)值模擬L=100m、L=300m、L=600m和L=900m四種洞長(zhǎng)情況下的水擊壓強(qiáng)，分析對(duì)比計(jì)算結(jié)果可得出如下結(jié)論:工作閘門(mén)勻速啟閉時(shí)，泄洪洞不同洞

3、長(zhǎng)情況下均有水擊現(xiàn)象產(chǎn)生。泄洪洞洞長(zhǎng)越大，水擊壓強(qiáng)振幅越大、振蕩時(shí)間越長(zhǎng)，水擊作用于閘門(mén)上的瞬時(shí)荷載越大且作用時(shí)間越長(zhǎng)，越容易引起閘門(mén)結(jié)構(gòu)共振。在設(shè)計(jì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)和制定閘門(mén)啟閉方案時(shí)，需考慮泄洪洞洞長(zhǎng)對(duì)水擊壓強(qiáng)特性的影響，尤其當(dāng)泄洪洞較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)盡量避免因水擊作用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、水擊壓強(qiáng)振幅過(guò)大而引起閘門(mén)結(jié)構(gòu)破壞，影響泄洪洞以及整個(gè)水力樞紐的安全運(yùn)行。
　　(3)通過(guò)水工模型試驗(yàn)測(cè)出陜西省三河口水利樞紐泄洪底孔工作閘門(mén)上典型測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力，再

4、運(yùn)用特征線(xiàn)法數(shù)值計(jì)算三河口泄洪底孔水擊壓強(qiáng)，最后將水擊壓強(qiáng)特性和脈動(dòng)壓強(qiáng)特性進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明:水擊壓強(qiáng)振蕩頻率大于脈動(dòng)壓強(qiáng)脈動(dòng)頻率，水擊壓強(qiáng)振幅大于脈動(dòng)壓強(qiáng)振幅，即水擊壓強(qiáng)振蕩強(qiáng)度大于脈動(dòng)壓強(qiáng)脈動(dòng)強(qiáng)度。當(dāng)水擊壓強(qiáng)振蕩頻率和工作閘門(mén)自振頻率接近時(shí)，由于水擊壓強(qiáng)作用于閘門(mén)上的瞬時(shí)荷載大于脈動(dòng)壓強(qiáng)作用于閘門(mén)上的瞬時(shí)荷載，所以水擊壓強(qiáng)比脈動(dòng)壓強(qiáng)更容易引起閘門(mén)結(jié)構(gòu)振動(dòng)。當(dāng)設(shè)計(jì)三河口泄洪底孔工作閘門(mén)時(shí)，應(yīng)當(dāng)著重考慮水擊壓強(qiáng)對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的影響，而

5、非脈動(dòng)壓強(qiáng)，并且閘門(mén)自振頻率應(yīng)當(dāng)盡量避開(kāi)水擊壓強(qiáng)振蕩頻率(5.39Hz)，防止因閘門(mén)自振頻率和水擊壓強(qiáng)振蕩頻率耦合而發(fā)生閘門(mén)結(jié)構(gòu)共振破壞，為泄洪洞的安全泄洪提供保障。
　　(4)在茨哈峽水電站泄洪洞工作閘門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉兩種閘門(mén)運(yùn)行工況下，對(duì)泄洪洞水擊進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并保持工作閘門(mén)啟閉時(shí)間不變，改變閘門(mén)啟閉方式，數(shù)值模擬泄洪洞工作閘門(mén)不同啟閉方式下的水擊壓強(qiáng)，分析模擬結(jié)果可得:當(dāng)工作閘門(mén)勻速開(kāi)啟時(shí)，水擊發(fā)生于閘門(mén)開(kāi)啟初始階段，水擊壓強(qiáng)振

6、幅呈對(duì)數(shù)規(guī)律遞減;當(dāng)工作閘門(mén)勻速關(guān)閉時(shí)，水擊發(fā)生于閘門(mén)關(guān)閉后階段，水擊壓強(qiáng)振幅呈指數(shù)規(guī)律遞減;工作閘門(mén)關(guān)閉工況下的水擊壓強(qiáng)振蕩時(shí)間大于閘門(mén)開(kāi)啟工況下的水擊壓強(qiáng)振蕩時(shí)間。在設(shè)計(jì)茨哈峽水電站泄洪洞工作閘門(mén)時(shí)，應(yīng)避免因工作閘門(mén)自振頻率和泄洪洞水擊壓強(qiáng)振蕩頻率(0.42Hz)耦合而引發(fā)閘門(mén)共振破壞。閘門(mén)運(yùn)行方式對(duì)水擊壓強(qiáng)振蕩頻率沒(méi)有影響，但對(duì)水擊壓強(qiáng)振幅影響較大。工作閘門(mén)加速開(kāi)啟、減速關(guān)閉的運(yùn)行方式可有效降低水擊對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的影響，甚至可忽略水擊