拱坝坝身泄洪孔道脉动压力分布规律及其振动特征

摘要

【目的】高拱坝坝身泄洪安全研究涉及泄洪孔道设计、结构强度、泄洪过程中的水流压力分布和流态特性等方面。【方法】以某坝高为270 m拱坝为研究对象，利用计算流体力学模拟坝身泄洪孔道流场并分析其脉动压力分布特征，利用流体/结构耦合有限元模拟最不利工况压力脉动与坝体结构振动特征，解析泄流激励下高拱坝坝身振动机理。【结果】研究结果表明，拱坝坝身泄洪孔道内脉动压力变化极为复杂，其中表孔脉动压力最大值为133.25 kPa，最小值为29.48 kPa；中孔脉动压力最大值为5 274.99 kPa，最小值为953.24 kPa.拱坝坝身泄洪孔道脉动压力在频域的能量分布均具有低频的特征，主能量分布在0～10 Hz的频率范围内。在泄流激励条件下，拱坝坝身总位移随脉动压力变化呈现一定周期性，且随周期总位移逐渐衰减，总位移值与脉动压力在同周期内先增大后减小，总位移值在1.2 s增大至最大值0.212 0 cm，对应泄洪孔道脉动压力增大至极大值；拱坝坝身等效应力和等效应变的变化规律基本一致，1.2 s时等效应力和等效应变极大值分别为1 426.60 kPa、7.49×10-5，且同周期内脉动压力呈现同样的变化趋势，拱坝坝身等效应力和等效应变与脉动压力变化具有完全的相关性。

关键词

拱坝泄洪孔道 / 数值模拟 / 时均压力 / 脉动压力 / 流固耦合模型 / 振动机理

基金资助

科技部创新方法专项（2020IM030400）; 流体与动力机械教育部重点实验室开放基金（LTDL2020-001）; 教育部高等学校能源动力类教学研究与实践项目（NSJZW2021Y-09）