与宽尾墩联合使用的台阶面水流近底流速特性

通过工程原型与模型试验资料的类比分析,结合台阶面水流流态特点,对与宽尾墩联合使用的台阶面水流近底流速特性进行了研究.研究结果发现,台阶面坡比及台阶高度对台阶面水流近底流速分布影响很小,近底流速随台阶位置在下游尾水中深度的增加而减小,在尾水面以上,近底流速沿程变化很小,其值仅与堰上水头和宽尾墩形式有关.堰面采用Y型宽尾墩时,台阶面近底流速为21.5～23.5 m/s;采用X型宽尾墩时,近底流速为19.5～21 m/s;无墩时,近底流速为16～19 m/s.     

阿海水电站表孔X型宽尾墩消能技术初拟体型试验研究

根据已有工程经验,初拟了阿海工程表孔X型宽尾墩+台阶面+消力池的泄洪建筑物消能布置形式,通过水力学模型试验研究发现,宽尾墩对泄流能力影响很小,泄流量不但满足设计要求,而且还有小幅度的超泄能力。宽尾墩水舌分流合理,也能适应不同泄洪流量与消能要求。堰面及消力池底板压强分布基本满足工程结构要求。下游河道冲淤变化量很小,个别工况无任何冲淤现象发生。     

用于大单宽泄洪台阶坝面上的一种新型宽尾墩

近年来，宽尾墩＋台阶坝面＋消力池的联合消能工形式,在工程中不断得到发展与应用，但这些工程单宽泄量均不大于200m^3/s.m。在乌江索风营水电站水工模型试验的基础上，为台阶坝面的使用提出一种新型宽尾墩－X型宽尾墩，用以取代传统宽尾墩，这种宽尾墩与台阶坝面，消力池联合使用，既发挥了台阶坝面的消能作用，使宽尾墩＋台阶坝面＋消力池这种综合消能形式能够推广到大单宽泄洪建筑物上，同时也为台阶式坝面的发展直到一定的促进作用。     

宽尾墩消能技术的工程应用与研究进展

宽尾墩作为一种适应于大单宽泄洪建筑物的消能技术,近年来先后在许多水利水电工程中得到应用,为了对其技术发展与研究情况进行总结分析,首先对宽尾墩消能技术及体型发展过程进行了回顾总结;其次对宽尾墩体型布置特点、以及与宽尾墩联合使用的坝面、台阶面体型、消力池体型及其相关水力特性等研究成果进行了总结分析;最后对宽尾墩消能技术应用有待研究的相关问题进行了简单说明。     

与宽尾墩联合使用的台阶面水流掺气问题研究

通过工程试验资料与原型资料的分析类比发现，与宽尾墩联合使用的台阶面近底水流，满足掺气减蚀进气量需要的空腔，必须是台阶初始段有6～8个台阶脱空的空腔，而形成这一空腔的堰面末端掺气坎高度既与坎型有关，也与宽尾墩型式有关。台阶高度对台阶面大单宽过流掺气浓度沿程变化影响很小，掺气浓度随台阶面坡比的变化比较明显，坡度越缓，沿程衰减越明显，同时掺气浓度随堰上水头增加而增大，堰面使用Y型宽尾墩掺气量最大，无墩时最小，使用X墩时，处于二者之间。与宽尾墩联合使用的台阶面大单宽过流掺气量可以满足减蚀需要，而无墩时掺气量不能满足需要。     

与宽尾墩联合使用的台阶面破坏问题研究

宽尾墩+台阶式溢洪道的消能形式已被许多工程所应用,但从近年工程运行情况看,个别工程出现台阶面破坏现象。根据工程模型试验资料,结合同类工程原型观测资料,对有可能在宽尾墩水舌作用下,影响台阶面出现破坏的时均压强、近底流速、掺气浓度等水力学参数分别进行了测试分析;同时,依据台阶面脉动压强和时均压强试验测试数据,采用材料力学方法,对台阶面混凝土分层后的受力情况也进行了分析。结果表明若台阶面碾压混凝土出现分层与表面止水破坏,则脉动压强就会通过表面缝隙与层面间隙作用于混凝土,混凝土也可能因此出现最大正应力,而当最大正应力超过混凝土的抗拉强度,台阶面混凝土就可能出现破坏。     

索风营水电站泄洪消能水力特性试验研究

为缩短工期，提高工效，索风营水电站采用宽尾墩 台阶坝面 消力池的联合泄洪消能形式。通过三种不同比尺的模型试验，分析比较了枢纽布置、表孔泄流能力、宽尾墩、台阶坝面及下游消能防冲等问题，提出了X形宽尾墩，它具有传统宽尾墩大单宽泄洪消能作用，同时又有台阶坝面小流量消能作用，使消力池底板承受冲击压强减小30％。     

新型宽尾墩在索风营水电站的应用与研究

把宽尾墩应用到碾压混凝土台阶溢流坝面，形成“宽尾墩+台阶坝面+消力池”联合消能工，是我国科技工作者的一大创举。索风营水电站单宽流量达207m3/s·m，在应用台阶溢流坝面工程中属最大，经模型试验验证常规宽尾墩联合消能工已不能满足要求，于是提出了一种新型宽尾墩形式——X型宽尾墩，它继承了传统宽尾墩的优势，又拓宽了台阶坝面的消能作用。本文是“X型宽尾墩+台阶坝面+消力池”联合消能工在索风营水电站应用的水力特性研究成果的一部分。     

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。     

与宽尾墩联合使用的阶梯溢流面水流掺气问题研究

通过模型试验、原体观测资料的分析发现,与宽尾墩联合使用的阶梯式消能工,为了满足溢流面水流掺气减蚀的要求,须使阶梯溢流面在初始段6～8个台阶形成空腔溢流,而阶梯堰面形成空腔溢流与阶梯起始断面的掺气坎型、坎高及宽尾墩型式有关。台阶高度对阶梯溢流面大单宽过流掺气浓度沿程变化影响很小,掺气浓发随阶梯溢流面坡比的变化比较明显,坡度越缓,沿程衰减越明显;掺气浓度随堰上水头的增加而增大;堰面使用Y型宽尾墩掺气量最大,无墩时最小,使用X墩时,处于二者之问。与宽尾墩联合使用的阶梯溢流面大单宽过流掺气量可以满足减蚀需要,而无     

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDIES OF THE FLARING GATE PIER ON THE SURFACE SPILLWAY IN A HIGH-ARCH DAM

The experimental studies of the flaring gate pier applied on the surface spillway in a high-arch dam show that a shock-wave will appear when the pattern of the flow is kept as super-critical. Meanwhile, the water depth at the outlet increases significantly, the flow moves downward in different directions, and the plunging jet is in a narrow and long shape, with a full longitudinal diffusion. In addition, the variation of the flaring gate pier design parameters affects little the discharge capacity of the surface spillway, these parameters including the contraction ratio , the contraction angle and the spillway chute angle . The pressure on the bottom of the spillway increases along the way and reaches the maximum before the outlet, and then decreases rapidly. Due to the flow impacting, the pressure on both sidewalls increases abruptly at the turning line of the flaring gate pier. To see the characteristics of the flow in the flaring gate pier, a simple calculation method is suggested based on the conversation of energy and mass, and the calculation methods for the jet trajectory and the horizontal length in air are also proposed. The results are found in good agreement with experimental data.     

X型宽尾墩消力池底板冲击压强规律研究

为了得到X型宽尾墩消力池底板的冲击压强的直接计算公式,分析了对冲击压强影响较大的几个因素,利用量纲分析对模型试验的大量数据进行了拟合,总结出一个能较好地反映冲击压强规律的经验公式。误差分析表明滚弄、鲁地拉、索风营、沙陀的冲击压强最大相对误差不超过16.3%,能较好地反映X型宽尾墩消力池内复杂水流的冲击压强。实例验证显示,阿海工程X型宽尾墩最大冲击压强计算值与实测值误差<-15.8%。     

宽尾墩与台阶坝面联合消能工的试验探索

通过对宽尾墩与台阶坝面联合消能工的机理分析,借助工程水力学模型试验,提出一种新型宽尾墩———X型宽尾墩。这种宽尾墩能适应大小流量的变化,具有良好的消能效果,消能率达60%～70%,比常规宽尾墩消能率高5%～10%;产生的射流对消力池底板的最大冲击压力,比常规宽尾墩小30%。因此,X型宽尾墩具有广阔的应用前景。     

X型宽尾墩的动水荷载特性及体型优选研究

利用BP人工神经网络的非线性映射功能,结合水槽中两种主要消能形式的模型试验,以流场中作用在板块上表面实测脉动压力为变量,构建了一个简单的上举力预测系统.经过实测资料验证,该系统预测效果较好.本文的研究成果对消力池安全实时监测具有一定的意义.     

高拱坝表孔宽尾墩跌流水舌运动特性研究

为了探索高拱坝坝身表孔溢流采用宽尾墩堰顶收缩射流技术的可能性，在对水舌分散机理进行理论分析的基础上，对300m量级高拱坝条件下不同出流角度和不同泄流量下的宽尾墩射流水舌形态进行了实验观测．结果表明，采用跌流出口时，当跌流水舌在出口断面处于急流流态时，受断面收缩形成的冲击波的影响，跌流在出口断面沿垂向不同深度的水质点出射方向发生明显的改变，水舌在纵向明显拉开，具有良好的分散特性；当跌流的出口为缓流时，跌流水舌形成类似舌形坎的水舌流态，入塘水舌成月牙形，无论在纵向还是横向均充分拉开，使入塘水舌的分散度大大增加．     

中低水头宽尾墩联合消能工的应用与认识

通过几个工程实例,证明宽尾墩联合消能工应用于中低水头能够得到与高坝相同的消能防冲效果。这些实例包括了消能工的常规形式,因而具有一定的代表性。分析比较表明,从选择闸墩收缩比ε入手,借助经验公式Fr=6.56ε2-3.71ε+2.98初选收缩起始断面位置的方法有助于宽尾墩的设计与应用。     

岩滩水电站消能设施的设计及运行

在高水头、大流量、窄河谷、深尾水、泄洪能量大而集中的水电站消能防冲设计中,应以提高消能效果为主要手段,用增加较少的混凝土量,将闸墩尾部改造成体形简单而新颖的宽尾墩,从而根本地改变常见溢流坝面及消力戽的水流结构,显著改善整个下游流态而简化了护岸工程,节省工程投资,为发电和航运提供良好运行条件,成功地解决戽流消能中波浪对工程危害的难题。