收缩式窄缝挑流水流特性及挑距的研究

国外五十年代开始采用的窄缝式挑流消能,为解决狭谷河段建坝的消能防冲问题开辟了一条新途径,国内是从七十年代中期开始这方面的介绍、研究与应用的。实践与研究都说明,窄缝挑流是适于狭谷河段枢纽泄水建筑物的消能措施。由于窄缝挑流的挑坎出口断面急剧收缩,其水流条件比较复杂,所以这种消能工有待于进一步探讨。本文仅就收缩段的水流特性及挑距计算问题作一些研究。(一)窄缝挑坎收缩段的水流特性1.窄缝挑坎的起挑水头窄缝挑坎的水舌流态是随上游水头的升高而变化的。底孔上采用窄缝挑坎,水流首先由强迫水跃转化为过渡流态,即水舌主体形成挑流,挑坎内水流表面仍有漩滚存在(图1—a)随水头增高表面漩滚的挑出,且当收     

适用于高水头窄河谷的燕尾斜切组合挑坎试验研究

窄缝挑坎和燕尾挑坎是高水头、窄河谷泄水洞挑流消能常采用的挑坎型式,通过纵向拉伸水流形成片状水舌,达到水流顺利入槽、下游河道水流充分消能的目的。由于挑坎自身具有的特点,窄缝挑坎和燕尾挑坎的出射水流沿泄槽轴线纵向拉伸,下游河道落水区域呈平面一字型。为了避免挑坎内缘水流落砸本岸,需控制水舌的纵向拉伸长度;而对于下游河道地质条件较差的工程,水流消能难以达到满意的效果。结合两河口水电站溢洪道1∶40水工物理模型,通过窄缝挑坎、燕尾挑坎和新型燕尾斜切组合挑坎的对比试验研究,所提出的新型燕尾斜切组合挑坎在适应河型和充分利用水舌纵向拉伸长度方面具有一定的优势,能更好地满足工程下游河道的消能防冲要求。试验研究成果可供类似工程参考。     

铅厂水电站泄洪冲沙底孔出口挑坎设计

铅厂电站泄洪冲沙底孔消能设计中采用挑流消能方式,底孔布置在左岸岸边位置处,由于河道地形狭窄,轴线方向与河岸斜交,给河道岸坡安全带来威胁.经过比较,采用扭曲式挑坎挑流消能的方案,使挑射水流在顺水流方向向右岸分散,改善了均匀挑坎水舌集中靠近左岸的缺点,增加了水流的消能效果.     

燕尾型挑坎在李家岩水库溢洪道中的应用

针对李家岩水库下游消能防冲问题,通过1∶30水工模型试验对比了传统连续坎和新型燕尾型挑坎下游挑射水舌特性及河道冲刷形态。试验结果表明:燕尾型挑坎对上游来流的适应性好,起挑流量要求更小。燕尾坎体型下挑射水舌底缘偏离底板程度随单宽泄量的增加而增大,造成近端挑距越小。燕尾型挑坎相比连续坎水舌的横向扩散明显减弱,且沿水流方向充分拉伸,整个水舌落点范围呈狭长型,从而避免了对狭窄型水垫塘或河道两侧岸坡的冲刷,燕尾型挑坎更加适用于狭窄型河谷。燕尾坎体型下挑射水舌的落水范围总体相比连续坎得到伸展,有效减小了入水单宽流量,下游河道的水体波动及冲刷均有所减弱。在试验和类似工程的基础上总结得出了燕尾型挑坎的体型设计原则,相关研究成果可供其他工程参考。     

窄缝挑坎水翅危害强度研究

为了探讨水流流经泄水建筑物末端的窄缝挑坎时产生的水翅导致强降雨对下游造成的不利影响,进行了系列模型试验研究,分析了能够表征水翅危害强度的各参数(水翅影响区距挑坎出口位置、降雨强度等值线包裹范围面积、椭圆形态系数、椭圆偏态系数),并构建水翅危害强度表达式。利用此表达式对模型试验实测降雨强度计算分析,结果表明:来流弗劳德数增大及挑坎底板采用的俯角角度减小时,窄缝水翅对泄水建筑物产生的危害强度呈降低趋势,而对下游岸坡和环境危害强度呈增加趋势;挑坎收缩比减小时,对泄水建筑物及下游岸坡和环境的危害强度均呈增加趋势。研究成果可用于物理模型试验研究时定量评判窄缝挑坎水翅危害强度,为窄缝挑坎体型参数选择提供理论支撑。     

亚碧罗水电站下泄消能设计与坝型的选择

亚碧罗水电站坝址处河道天然落差较大,河谷狭窄,且汛期流量大。通过水工模型试验对亚碧罗水电站面板堆石坝方案与碾压混凝土重力坝方案下游河道内的水流流态、流速分布、水面波动以及河道冲淤等相关水力特性进行量测及对比分析,从而得到具有窄河谷、高水头、大泄量特征的大型水电站在项目可研阶段泄洪建筑物布置与坝型选择之间的相互制约关系。结合工程实际情况和通过试验采用了扭鼻坎、窄缝式鼻坎、曲面贴角窄缝式鼻坎以及在溢洪道出口处设置分流墩等方式对挑射水舌形态进行优化。     

观音岩水电站泄水建筑物模型设计及泄流安全性试验

为验证观音岩水电站泄水建筑物泄洪的安全性,通过泄水建筑物水工模型泄流试验,分析泄水建筑物的各种泄流工况。试验结果表明:明渠表孔在校核水位下运行安全性可以得到保证;双泄中孔在正常水位泄洪本身是安全的;当溢洪道泄洪量大于3 500 m3/s时,泄槽段水流平顺稳定,掺气坎通气顺畅,水流掺气充分,同时溢洪道水舌落点基本位于河道中心,无冲砸岸坡现象,故建议溢洪道最小起挑泄流流量为3 500 m3/s。     

窄缝挑坎在高拱坝深孔中的 初步应用研究

在锦屏一级水电站（拱坝坝高305 m）整体水工模型上将窄缝挑坎应用于高拱坝泄洪深孔,对窄缝挑坎体型参数选择和布置进行了试验研究。试验结果表明,窄缝挑坎应用于高拱坝深孔,可以获得窄长下泄水流流态;边墙压力测量结果显示,深孔采用窄缝挑坎后边墙无负压出现,但在窄缝收缩起点附近存在压力增大;射流水舌在水垫塘内纵向扩散效果显著,水垫塘底板时均冲击动压分布相对常规挑坎时而言更加坦化,底板冲击动压差也大大减小,这对水垫塘底板稳定和减小射流冲刷有利.     

梅州抽水蓄能电站阶梯溢流坝与底孔泄洪建筑物试验研究

结合梅州抽水蓄能电站泄洪建筑物水工模型试验,确定在表孔堰面曲线末与阶梯连接处增设过渡阶梯、阶梯与护坦间采用反弧衔接、底孔纵向布置调整及出口窄缝挑坎的体型,对阶梯溢流面流态、流速、消能率进行研究探讨。成果表明,阶梯溢流面水流均匀滑行、掺气充分、流态平稳,护坦处水流衔接较好;底孔窄缝挑坎水舌纵向扩散效果较好,下游冲刷较轻;阶梯消能率呈现出随单宽流量增大而减小的变化规律。     

泄洪洞窄缝燕尾组合挑坎试验研究

采用物理模型试验的方法,在综合考虑燕尾挑坎、窄缝挑坎2种消能工各自特点的基础上,针对长河坝水电站2^#泄洪洞挑流水舌所必须达到的挑射效果,进行了窄缝燕尾新型组合挑坎的试验研究。从挑坎内部水流流态、出挑水舌形态以及下游消能防冲效果3个方面进行了燕尾挑坎、窄缝挑坎以及新型组合挑坎之间的对比试验。研究结果表明新型的组合体型兼有燕尾挑坎与窄缝挑坎的优点,它在改善坎内水流流态、水舌形态、减轻下游河道冲刷方面起到了重要作用,同时也满足2^#泄洪洞出挑水舌的限制要求。试验的研究成果可供类似工程参考。     

挑坎水舌运动轨迹控导措施研究

依托某工程泄洪洞出口消能工体型优化试验,对常规挑坎、平面扩散型和纵向扩散型消能工（窄缝挑坎）的挑坎水舌特性进行了对比研究,其中重点对窄缝挑坎消能工鼻坎体型对水舌运动轨迹、水舌形态、入水范围的控导作用进行了初步探讨。研究结果表明：通过侧墙非对称偏向、出口局部偏转等措施实现挑坎水舌运动方向的控导效果,适应下游河道边界特殊需要,较好地解决了工程消能难题,可为同类型工程提供参考,但鼻坎体型、尺寸等参数与水舌运动轨迹的定量关系仍有待进一步深入系统研究。     

柳树沟水电站泄洪消能试验研究

结合新疆开都河柳树沟水电站溢洪洞及泄洪洞挑流鼻坎体型优化的试验研究,通过调整鼻坎体型,提出了一种适合于窄泄槽、高流速、泄槽与河道交角大、窄河道的异型窄缝鼻坎.这种鼻坎水舌不仅能沿纵向、竖向拉开,还能横向有所扩散,使水舌覆盖消能区较大范围,削弱了岸边回流,减轻了河床冲刷,且有效地控制了水舌落水位置、范围及分布,减少淤积体对电站尾水抬高的影响.     

溪洛渡水电站泄洪洞双曲挑坎体形设计

溪洛渡水电站4条泄洪洞位于沙谷两岸，为防止泄流水舌冲刷河岸，要求水舌挑射玉河床中心，同时使水舌沿河道方向扩散。为此，泄洪洞出口采用了异形扭曲挑坎。在不可压缩流的NavierStokes方程基础上，以求解流体力学逆命题的方式，按照水电站的地形、地质条件及下泄水流的具体要求，根据事先选定的挑流入水范围，通过计算反求能满足这些要求的挑坎体形。按此设计出的双曲挑坎满足上述要求，而且泄水时挑坎上的压力均呈正压，有利于防止空化的产生。     

窄河谷高拱坝收缩式表孔体型研究

无碰撞泄洪消能方式是狭窄河谷地区高拱坝工程优先选择的坝身泄洪消能方式,其核心思路是利用宽尾墩形成横向收缩、纵向拉伸的表孔水舌,以适应狭窄河谷地形条件,同时满足表孔水舌从深孔水舌间隙穿插,表、深孔水舌空中不发生碰撞,从而减轻表、深孔联合泄洪时泄洪雾化的目的。然而,高拱坝表孔多为开敞式溢流堰结构,流道短、作用水头小、出流流速低,通常难以形成流态稳定、纵向拉伸效果好的表孔水舌。为此,以锦屏一级特高拱坝工程为依托,采用了理论分析与水力学模型试验相结合的分析方法,先后开展了5种收缩式表孔体型的探索研究,成果表明,采用宽尾墩辅以出口透空体型能够有效地提高表孔水舌的空中稳定性、改善表孔水舌纵向拉伸效果、增加水舌纵向入水长度,从而减小水垫塘底板的最大冲击压力。     

窄缝式消能工的水力特性及其体型研究

研究窄缝坎挑流的水流特性、消能要求及其体型参数的选择 .窄缝使水舌出流挑角增大 ,水舌纵向拉开 ,形成水流变形耗能 ,且加剧了水流紊动、水舌破碎而掺气的耗能 ,使消能效果增加 ,冲刷减少 .提供了不同收缩比与水舌出流挑角变化关系的试验成果及水舌纵向拉开值的估算公式 .     

溢洪道挑流鼻坎水气二相流数值模拟研究

针对某溢洪道挑流消能存在的问题,采用VOF方法、立方体网格和k-ε紊流模型对溢洪道整体水力特性进行了三维数值模拟,对挑射水流流态、水舌掺气、水垫塘底板压强、下游河道流速等方面进行了分析。将某溢洪道由原高低式挑流鼻坎修改为差动式后,增大了下泄水流入水范围,提高了挑流消能的消能效率,减小了水垫塘底板压强,降低了下游河道水流流速。优化方案数值模拟结果得到了模型试验结果的验证。     

溢洪道差动式挑坎水力特性分析和计算探讨

溢洪道差动式挑流鼻坎可增大其挑射水舌的扩散、碰撞、掺气和消能率,从而减轻下游河床的冲刷。目前对差动式挑坎水力特性研究成果仍较少,给工程设计带来极为不便。在现有的文献和成果总结和分析的基础上,开展了差动式挑坎下游河床冲刷特性的试验研究,对差动式挑坎段的水面线、挑射水舌挑距及其下游河床冲刷特性和计算方法进行探讨,并进一步补充了差动式挑坎下游冲刷影响系数与其体型和泄流水力参数的关系。研究成果与水力模型试验结果较吻合,可供类似工程设计和运行参考。     

无中隔墩卧底式窄缝差动挑坎的设计研究

针对目前在多孔河岸式溢洪道上采用窄缝挑坎消能工，都是沿闸墩用长墩隔开，至出口段将墩体升高加厚、急剧收缩成窄缝的结构形式。全程隔墩混凝土用量大，加上强大侧向水压力荷载等影响到工程投资、结构安全与泄洪运行管理问题。该设计提出省去泄槽中部的长隔墩，只在溢洪道出口连续挑坎下部加入“卧底式窄缝”，借以实现继续应用收缩式消能工。经模型试验表明：通过“分段连续坎”与“窄缝”的差动作用，出射水舌抛射呈十、廿、卅字形，加大入水面积和碰撞机率，消能效果良好，并方便人为控制水舌落点。在水电工程中有扩大应用潜力。