亭子口水利枢纽底孔泄洪消能体型设计研究

亭子口大坝底孔设计运行水头为国内最高,底孔有压段出口处存在高水头弧形闸门止水问题,明流段及消力池内也存在高速水流下的空化空蚀问题。为解决上述问题,对底孔体型及消能工型式进行了深入研究,弧形工作闸门区采用突扩突跌掺气体型以满足闸门止水和掺气减蚀要求;消能工采用跌坎式消力池,以降低闸墩尾部立轴漩涡对跌坎立面和消力池底板的空蚀破坏,同时消力池内临底流速得以大幅降低,使底板发生冲蚀破坏的可能性大大减小。经模型试验验证,底孔泄洪消能体型设计能够满足工程运用要求。     

跌扩型底流消能工特征流速影响因素试验研究

通过水力学模型试验,着重分析了跌坎深度、突扩比和弗劳德数对跌扩型底流消能工的最大临底流速和最大临边墙流速的影响。结果表明:在跌扩型底流消能工中,选择合适的跌坎深度、突扩比和入池水流弗劳德数能有效降低消力池内最大临底流速和最大临边墙流速,在一定的最优组合下,可满足消力池底板和边墙处最大流速较小的要求,避免底板和边墙的冲磨破坏和空蚀破坏。     

水布垭水利枢纽放空洞突扩跌坎水力学问题研究

水布垭放空洞具有工作水头高、流速大、上游水位变幅大等特点.针对其工作门区的突扩跌坎掺气体型,通过1∶25局部模型和1∶40减压模型,对该体型的水力特性及空化特性进行了试验研究,结果表明:放空洞在工作水头H0＝0～110 m范围内运行,工作门区突扩跌坎体型可免于空蚀破坏;工作门区侧扩跌坎体型设计参数相对应的临界工作水头Hk为35～50 m;工作水头H0=20 m时,侧空腔浅小,底空腔基本消失,水流不能有效掺气,而侧冲击区有初生状态的蒸汽型空化发生,为安全计,宜采用抗蚀材料对边墙水流冲击予以防护.分析评估了该体型的抗空蚀破坏能力,研究成果为设计决策提供了科学依据.     

跌扩型底流消能工压力分布特性的试验研究

通过水力学模型试验着重分析了突扩比、跌坎深度和入池水流弗劳德数Fr0对消力池底板冲击区动水压力的影响。研究结果表明,在跌扩型底流消能工中,选择合适的突扩比、跌坎深度和入池水流弗劳德数Fr0,能有效降低消力池内底板和边墙的水力学指标。他们在一定的最优组合下,可既保证消力池中消能率高,又能满足消力池底板和边墙处动水冲击压力小的要求,避免造成底板板块的失稳破坏。     

泄洪洞突扩式跌坎底流消能研究与应用

针对闸后设置扩散段泄槽的泄洪洞,将传统的底流消力池优化为突扩式跌坎底流消能。研究结果表明:跌坎加大了池内水深,入池水流能够和池内水体充分撞击;另外,突扩边墙使得消力池内水流分股,入池水股和两侧反向水流的摩擦和剪切作用明显,主流流速进一步降低,从而达到提高消能率,水流平顺归河的目的。     

不同跌扩组合对扩散式泄槽底流消能水力特性影响研究

通过水工模型试验,研究跌扩型底流消能工进口接扩散角为3°的扩散式泄槽,在不同跌坎深度、不同边墙突扩宽度的组合下,其消能工内临底流速、时均压强、脉动压强方差值以及尾水渠水流流态的变化情况。结果表明:当跌坎深度由0.05 m增加到0.10 m,边墙突扩宽度由0.30 m增加到0.35 m时,消力池内临底流速降低、时均压强逐渐回升,尾水渠水流较为平顺。进一步增大跌坎深度和边墙突扩宽度,消力池内水力特性和出口水流流态虽继续改善,但效果已不明显。     

跌坎式底流消力池边墙突扩宽度对池长的影响研究

对于山区峡谷,底流消能工长度方向工程布置往往受限。通过水工模型试验,研究跌坎深度10cm,跌坎式底流消力池边墙突扩宽度变化时,池内水流流态、底板时均压强及脉动压强不均匀系数的变化对消力池池长的影响。成果表明:流量Q=12L/s,相对于传统的底流消力池,突扩宽度由5cm依次增加到10、15、20cm时,消力池池长缩短长度分别为24、27、29cm。     

小石峡水电站溢洪道消能工优化试验

通过新疆维吾尔自治区库马拉克河小石峡水电站溢洪道水力学模型试验,对其原设计方案的消能工结构形式进行了优化。试验表明,消力池段在通过设计流量30年一遇洪水1 856.20m3/s时,池内不能形成完整水跃,水跃前后波动剧烈,水流大量溢出,原设计方案的边墙高度、池长均不能满足过流要求。提出采用减小消力池池深、设置分流趾墩-消力墩-低消能坎的综合式消力池代替原设计方案的常规消力池的修改方案,在设计流量下进行泄水试验,试验结果表明,在分流趾墩、消力墩、低消能坎的联合作用下,消力池内形成强迫水跃,流态明显改善,水跃长度减小,跃后水深降低,消能率提高。采用分流趾墩-消力墩-低消能坎的综合式消力池可有效缩短消力池池长,降低边墙高度,节省工程造价,试验结果可为优化工程设计及其他同类工程优化消力池提供参考。     

掺气分流墩设施的研究

一、前言 拓林水电站泄洪洞在正常高水位65.00m时、时,泄流量为898m~3/S;万年一遇库水位71.38m时,为981m~3/S。但是,历年运用库水位为56.38—60.35m,泄流量为736—814m~3/S条件下,原有的一级趾墩消力地跃首区两侧导墙、趾墩本身及其下游护坦均发生了空蚀破坏,最大空蚀坑深度达0.7m;下游河床基岩也冲出深1.7m的冲坑。为了防止空蚀和冲刷,曾进行了改良趾墩、消力墩体形和在陡坡上设置挑坎进行掺气以减免消力池空蚀的试验研究,但由于受到已建工程条件的限制都未能达到既减免空蚀又充分消能的目的。     

阿尔塔什水利枢纽深孔工作弧门突扩突跌门槽体型试验研究

阿尔塔什水利枢纽是叶尔羌河流域内最大的控制性水库工程,工作弧门的门槽采用突扩突跌坎型式。该工作闸门运行水头高、过流流速大,存在较大的空化空蚀风险。以研究论证工程1#深孔出口工作弧门突扩突跌门槽体型的水力及空化特性为目标,通过减压模型试验,采用三种方案比较优化了突扩突跌门槽区的水流形态。试验结果表明,通过调整突扩后边墙扩散段的扩散角至1.273°,有效消减了下游边墙的水翅强度,门槽段的动水压力、水流空化特性均有明显的改善。提出的水流流态及抗空化特性较好的突扩突跌门槽体型,为今后高水头、大流量深孔工作弧门的门槽体型设计提供了经验和参考。     

构皮滩水电站泄洪表孔分流齿坎的空化试验研究

 高拱坝泄洪表孔增设分流齿坎可以改善下泄水流流态和水垫塘底板的压力特性,提高消能效率,但由此带来分流齿坎的空化问题。采用减压模型试验方法对构皮滩水电站泄洪表孔分流齿坎的空化特性进行了试验研究。试验成果表明：该处空蚀可能性较大,而修改方案中,此处空化强度明显减弱且未超过空化初生阶段。     

大单宽流量低傅汝德数收缩墩底流消力池的试验研究

为解决大单宽流量、低傅汝德数底流消能中存在振荡水跃,进而导致消力池内流态不稳定、水面波动大、消能率低等问题,采用模型试验的方法,对在消力池前设置收缩墩后的收缩扩散与底流复合消力池进行了研究。结果表明:设置Y型收缩墩后消力池内呈较为稳定的收缩射流与淹没水跃的三元复合流态,水流更为稳定,振荡水跃消失,可有效解决池内的水流间歇性振荡和水面大幅波动等问题。同时,设置收缩墩后,可有效降低池内最大临底流速,由近30 m/s降至约20 m/s。消能率由60.93%提升至66.61%,消能效果显著。此外,下游河道冲刷大大减小。最不利冲刷工况下的2年一遇洪水时,基岩最大冲深由近32.0 m降为5.6 m。消力池前设置收缩墩,对于因受地形地质等客观条件限制,无法通过改变池长池深来解决大单宽低傅汝德数的底流消能问题,提供了一种新思路。     

低水头、大单宽流量泄洪消能方式研究

对于具有低水头、大单宽流量、低佛氏数、深尾水以及下游水位落差变幅大等特点的泄洪消能问题,其过流特点是:由于闸下跃前水流的佛汝德数较低,消力池内水垫较深,水流下泄后下游水位对闸室水流和消力池内水流流态影响较大。通过水工模型试验研究,提出了采用淹没式宽尾墩消力池联合消能方式。在闸室末端采用宽尾墩后,水舌沿纵向拉伸扩散,消除和抵消了常规的等宽闸墩情况下出现水跃的来回震荡现象,水流经宽尾墩收缩后,以淹没射流形式进入消力池,池内水流具有三维射流特性,消力池内产生横、纵向扩散和剪切、掺混,加强了消能效果,达到了稳定水跃、分散水流、加强紊动剪切和掺混的目的,较好地解决了下游河床的消能防冲问题。     

百色水利枢纽RCC主坝表孔宽尾墩联合消能工设计与研究

介绍百色水利枢纽RCC主坝表孔宽尾墩联合消能工设计、试验研究成果。该工程泄洪流量大、下泄功率高、河床水深偏浅且地质条件较差，通过研究，确定采用“表孔宽尾墩 中孔跌流 底流式消力池”新型联合消能工，溢流面设置掺气坎，减轻溢流坝面气蚀破坏。消力池底板厚5～8m，附加底板锚筋，满足安全需要。     

收缩墩与跌坎消力池水力特性的试验研究

为探究解决跌坎型消力池在大单宽、低弗劳德数条件下引起的振荡型水跃问题,进行了跌坎型消力池和收缩墩与跌坎型消力池两类消能工试验,对比分析了试验的流态、流速和压强分布规律。试验结果表明,加设收缩墩后,入池射流破坏了表面水流与水垫层剪切形成的大幅度振荡波动,有效地解决了振荡型水跃问题,降低了水流对底板的冲击压力。     

阿海水电站溢流表孔消能技术优化研究

阿海水电站可研阶段溢流表孔采用Y型传统宽尾墩＋底流消能方式,通过类比国内已建成并成功运行的水电站消能工设计经验,结合阿海水电站泄洪消能特点,基于水力学试验及研究成果,通过消能技术优化和比选,技施阶段拟定了表孔X型宽尾墩＋台阶面＋消力池的泄洪建筑物消能布置形式。在消能技术上,对阿海水电站在龙头水库尚未建成的情况下汛期小流量频繁泄洪、水舌冲击消力池底板、下游河道消能防冲等问题得到了协调解决。     

T型墩在廖坊水利工程消能中的应用

通过水工模型试验，廖坊水利枢纽工程采用Ｔ型墩为辅助消能工的消能形式，不但大大缩短了消力池的长度，而且得到较好的水流流态，满足了下游防冲要求。     

莲花台水电站宽尾墩联合消能工的应用研究

针对莲花台水电站泄洪建筑物泄量大、单宽流量大、河床易冲刷的特点,通过模型试验对原设计的挑流消能方案和Y型宽尾墩+戽式消力池联合消能工方案进行了对比研究.试验结果表明,联合消能工方案在典型工况下消能充分,下游河床及电站尾水护坦末端冲刷大为减轻,出池水流衔接平顺,下游河道流态明显改善.该研究成果对类似工程有借鉴意义.     

深孔泄洪洞工作（闸）弧门下游水流空化特性分析

深孔泄洪洞工作弧门下游体型及弧门开启方式决定着水流流态的变化,选择不合理有可能引起底板的空蚀破坏。为了明确与此相关的空蚀发生机理及条件,通过水力学模型试验,并结合简单数值模拟计算,对不同体型、不同水头、不同开度条件下的水流空化与空蚀特性进行研究。研究结果表明:受弧门出口射流流场分布影响,弧门下游抛物线及下游陡坡初始段底板压强随着底板以上总水头的增加及弧门开度的减小会快速下降,最大负压接近或超过-14 k Pa,连接闸室与抛物线之间的水平段长度增加5 m,虽然可以使底板压强有一定幅度增加,但高水头、小开度工况下的水流最小空化数仍然比较小,最小值不足0.2;如果以0.2作为抛物线及其上下游段水流初生空化数,同时底板的施工不平整度有所控制,则总水头40 m时弧门最小开度可以达到1/4,若总水头增加至65 m时,弧门只能全开或3/4开度运行,低海拔地区或水平段加长5 m后最小开度可到1/2~3/4。     

阶梯溢流坝和宽尾墩及消力池组合消能的水流数值模拟研究

采用两相流模型,辅以Realizable k湍流模型,来模拟阶梯溢流坝和消力池组合以及阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合两种联合消能工的水力特性,获得了流速场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率等物理参量的分布。网格划分采用了分区域划分:模型中任何形状不规则的复杂部分采用非结构网格划分,对形状规则的部分则采用了结构网格划分,并根据流动梯度的大小安排网格的疏密程度。采用有限体积法对控制方程进行离散。采用了VOF法处理自由水面,使用PISO算法求解速度与压力的耦连方程组。比较分析了两种消能工在速度场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率的差异。研究结果表明:受宽尾墩的影响,坝面及消力池中的流速均小于无宽尾墩的情况,而台阶坝面的压强明显高于无宽尾墩的情况;在消力池中紊动动能及其耗散率均大于无宽尾墩的情况。可见,阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合消能工的消能优于无宽尾墩的情况。