汛期泄洪闸门开度对闸坝流场及结构的影响分析

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随着十四五战略规划的提出,水利工程智慧化模拟亟需进入高质量发展,为工程建设、运行调度等方案优选提供精准化决策,故对数字孪生工程建设和水利三维仿真优化等方面提出了更高的要求。其中,水利防洪工程安全检测占据着重要地位。汛期大流量洪水通过水工建筑物,为保证泄流安全,需控制运行调度以满足不同洪水流量的要求,但库区流场的流态必定发生变化,致使不稳定流动和不良流态的形成,严重时引发水利枢纽结构的冲蚀破坏,不利于大坝的稳定安全运行。因此本文开展了汛期泄洪闸门开度对闸坝流场及枢纽结构的影响分析,研究结果可为水利枢纽的结构设计及安全运行提供一定的参考依据。具体研究内容及结论如下:(1)本文选取的研究对象为低水头径流式电站,枢纽右岸为挡水坝段和泄洪闸段(5孔),枢纽左岸为厂房坝段(含排沙孔)和土工膜堆石坝,上下游导墙分别衔接厂房段的进出口断面。采用数值模拟计算了设计洪水工况下库区流场的流态分布,并率定了泄洪闸测点流速,流态及流速变化规律与试验结果是相吻合的。(2)汛期来流量在2200~3700m~3/s范围内,将库区流场划分为库区上游、库区下游和闸下流场三部分,从速度、涡量和Q准则分布三方面研究了泄洪闸门开度对库区流场流态的影响。结果表明,当泄洪闸门开度增大时,库区上导墙右侧区域流速增大,库区下游导墙前低速带分布沿横河向左岸扩散,闸前流速增大,闸后水流愈发漩滚;库区上导墙右侧壁面附近涡量集中提高,下导墙两侧涡量带皆沿顺河向下游扩散,下导墙前端的涡量带沿横河向右岸扩散,闸后涡量带范围持续增大;库区上导墙侧附近涡流范围先缩小后扩大,上导墙处的涡流从左侧转移至右侧,下导墙右侧涡流范围沿顺河向下游扩散,闸前水流为剪切流。(3)将计算工况的流场数据作为边界条件,以流固传递方式将水动力荷载加载到结构上,计算各枢纽结构的应力和位移,并根据相关理论判定评价标准,得出相关结构的影响分布规律。结果表明,当泄洪闸门开度增大时,仅弧形闸门门轨处和厂房内部阀门进口处受到较大拉应力,均超过了砼C30抗拉强度标准2.01Mpa,且门轨处和厂房内部阀门进口处的拉应力分别以顺河向、横河向拉应力为主。门轨上、下游侧高拉应力区范围分别在开度3.5m和1.0m时达到最小,需对其进行加固处理,而其余枢纽结构均小于相应的强度要求,受开度变化的影响较小,表明结构较为稳定。
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