龙抬头式泄洪洞水力特性试验研究与数值模拟

为探索采用数值模拟研究龙抬头式泄洪洞水力特性的可行性,以黄河小浪底水利枢纽2~#龙抬头式泄洪洞作为研究对象,结合1∶40正态水工模型,利用RNG k-ε湍流模型,从泄流能力、洞顶余幅、断面流速、测压管水头、水流空化数、挑流射程及冲坑深度等方面对设计与校核两种洪水位条件下龙抬头式泄洪洞的水力特性进行了研究,并将模拟值与试验值进行对比。研究结果表明,模拟值与试验值吻合,利用数值模拟探究龙抬头式泄洪洞水力特性是可行的。泄洪洞洞内水流平稳,且洞顶余幅大于25%,即不存在明满流交替的不良流态。在校核洪水位时,流量系数模拟值与试验值都高于设计值,泄流能力能达到防洪设计要求。渥奇段和挑流段的水流空化数较小,有发生空蚀破坏的可能,需采取适当减蚀措施;高速流体在不平整的水工模型表面可能引起局部负压,应关注表面施工问题。研究所得成果可为泄洪洞设计、施工提供参考和理论依据。     

大型泄洪洞高速水流的研究进展及风险分析

高水头、大流量泄洪洞内高速水流问题主要问题之一是水流空化引起过流表面空蚀。几个实际工程泄洪洞发生空蚀破坏的实例表明反弧段下游一定范围是容易发生空化空蚀的敏感部位，其主要原因是由于反弧段内的水流流速高，流态复杂，在水流离心力的作用下沿程压力梯度大，水流掺气条件差，缺乏有效的掺气保护。掺气减蚀是解决泄洪洞过流表面空蚀的有效措施，对水流进行三维掺气的减蚀技术有了较大进展。“龙落尾”式和 “龙抬头”式是高水头、大流量泄洪洞的两种常用布置型式，风险分析认为“龙落尾”式泄洪洞布置对地形地质的适应性更好，即使发生事故对大坝的安全威胁小，也更具有抗风险的能力。     

龙抬头式泄洪洞水工模型试验分析

龙抬头式泄洪洞是小浪底水利枢纽工程的主要泄水建筑物。针对高速水流产生的不良水力学问题,采用几何比尺为1∶40的水工模型,根据重力相似准则,对设计和校核两种洪水位工况下小浪底库区右岸2号龙抬头式泄洪洞的泄流方案进行了试验研究。结果表明:龙抬头式泄洪洞泄流能力满足要求;龙抬头式泄洪洞侧墙空化数均大于0.3,洞身侧墙区域未发生严重的空蚀破坏;下游河道的挑流射程较远,形成的冲坑深度对大坝基础影响较小;挑流消能会对大坝的右岸山体产生冲刷与掏空效应,需要对山体坡面采取抗冲刷措施。     

三道湾水电站泄洪洞水工模型试验研究

通过模型试验对三道湾水电站泄洪洞的相关物理量进行了计算，从设计和校核两种工况分析得出：该泄洪洞设计方案的泄流能力能够满足要求；泄洪洞底板七各测点的空化数都大于0．3，且各测点均无负压，故无空蚀危害。下游冲涮试验得出，冲坑对左岸坡脚有一定的冲刷淘空作用，建议对左岸山坡采取防冲措施。     

判别泄洪洞反弧段发生空蚀的水力特性标准

 搜集了国内外已建工程龙抬头式泄洪洞的运用情况共22例， 对其中一些工程发生空蚀破坏的原因、条件进行了综合分析。提出可以用泄洪洞作用水头、反弧末端平均流速及反弧段水流空化数等3项水力特性的界限值， 作为判别龙抬头式泄洪洞反弧段是否会发生空蚀的水力特性标准。     

泄洪洞有压出口渐变段及工作闸门室体型优化

针对黄金坪水电站1号泄洪洞原设计方案有压出口渐变段顶板存在负压,在工作闸门小开度运行时工作闸门室底板出现大范围负压,容易引起空蚀等问题,根据水力学模型试验,提出通过增加有压渐变段长度、改变工作闸门室底板连接形式,对有压出口渐变段及闸门室体型进行优化。试验实测结果表明,优化后的有压段出口顶板及闸门室底板在各种运行工况下均没有出现负压,闸门室底板水流空化数显著增加,提高了泄洪洞安全运行的可靠性。     

小湾水电站泄洪洞减小空蚀程度的保证措施

小湾水电站泄洪洞在泄洪时具有高水头、高流速、泄量大的特点,对混凝土冲刷力强,容易产生空蚀破坏。泄洪洞抗冲耐磨混凝的土施工及质量控制是减小泄洪洞过流面空蚀程度的基本保证措施,掺气减蚀方案的设计是减小泄洪洞过流面空蚀的最有效措施。     

满拉水利枢纽工程泄洪洞龙抬头段施工组织与管理

满拉水利枢纽工程泄洪洞龙抬头段不仅是工程的关键部位，也是施工难度最大的部位。就此介绍了泄洪洞龙抬头段的施工布置，包括风、水、电、砂石料系统和混凝土拌和系统的布置，以及道路交通布置，分述了泄洪洞龙抬头段的开挖和混凝土衬砌的施工工艺和技术措施。最后，简述了包括施工质量控制、安全管理、施工组织在内的泄洪洞龙抬头段的施工管理情况。     

小浪底水利枢纽工程孔板泄洪洞设计

小浪底工程在世界上首次将导流洞设计改建成１４０ｍ高水头孔板泄洪。孔板泄洪洞由龙抬头段，孔板消能段，闸室前渐变段，中间闸室，闸室后洞身段，出口挑流段等部分组成，其中孔板消能段是泄洪洞的核心部位，设三级孔板消能。文中详细介绍了孔板泄洪洞的特点，孔板型式，消能原理，体形设计，结构设计以及为减少负压和防止水翅冲击弧形闸门支铰等难题而进行的创新设计。结合设计，给出了泄洪洞各组成部分的结构计算方法及结果。     

龙抬头式泄洪洞反弧末端边墙掺气减蚀设施的研究

高水头龙抬头式明流泄洪洞发生空蚀的部位一般位于反弧末端下游边墙及底板上，因此研究该部位的掺气减蚀设施具有十分重要的应用价值。结合二滩水电站1号泄洪洞，研究了反弧段边墙掺气问题，基于掺气挑坎设计中应遵循的基本原则，提出了一种新型的斜侧收缩式掺气挑坎体形，并分析了影响侧收缩掺气挑坎挟气量及挑坎下游水流流态的因素。