当卡水电站消力池的优化试验研究

当卡水电站属于中低水头水电站,其泄水建筑物具有水头低、佛氏数低等特点,通过模型试验发现原设计方案存在消力池体型欠佳、池内水流流态紊乱、消能效果差及坎后二次跌落水流大等问题,为此对消力池体型进行了优化设计,通过不同方案的优化比选,提出了将溢流堰和泄洪闸后消力池隔开、降低泄水闸底板高程、加宽泄水闸消力池宽度、减少消力池长度和适当提高尾坎高度等措施,有效地解决了原设计方案的不足,且降低了工程造价。     

跌坎底流消力池在某高水头闸坝工程中的应用

针对高水头、大单宽流量闸坝工程消能问题,在分析传统底流消力池体型的基础上,提出将跌坎型底流消力池应用于高水头闸坝工程,并结合实际工程进行了水工整体模型试验,研究了消力池及下游河道水流流态、流速分布、下游河道水面线、河床冲刷情况。结果表明,跌坎底流消力池不仅体型简单、施工难度小,且在各种运行工况下均能获得稳定的流态及较高的消能率,可较好地解决高水头闸坝泄洪消能问题。     

低佛氏数水跃消能问题的近代研究评述

在很多水电站中,不论河床式水电站的溢流坝、泄水闸或者是引水道,底流水跃常被用来作为下游消能的一种有效措施.而这种水跃往往是低佛氏数的,例如引水闸或泄水闸的低堰上,或者大单宽中等高度的溢流坝下游的水跃均是跃前佛氏数小于4.5的低佛氏数水跃.对水跃的研究已有一个多世纪的历史,尤其是对于平底矩形水槽内的二元自由水跃,已取得了大量的试验资料和比较完整的可靠的水力设计方法.但对于低佛氏数水跃的消能机理研究还是从本世纪50年代开始的.低佛氏数水跃消能的显著特点是来流的泄水功率高而水跃消能率低,例如当Fr=2～5时,其时均消能率只有20～45%,这说明在水跃下游的水流中,还有大量地未被消散掉的余能(即紊动能和波动能)将造成跃后水流强烈的紊动和波动,需要流经一段距离后才能消失,给下游消能防冲带来较大的困难.因此,近年来国内外     

角木塘水电站消能措施优化研究

以角木塘水电站的泄水建筑物（溢流堰和消力池）为研究对象,对原设计尺寸下溢流堰发生严重淹没水跃、消力池消能效率低下的问题,采用水工模型试验观测流态、测量流速、水深等特征值,计算水流收缩断面处的佛氏数和消力池的消能效率。据此提出修改泄水建筑物体型、调整消力池长度和增设辅助消能工等优化措施,从而提高了泄水建筑物的消能效率     

底流消能工水流结构与掺气浓度分布试验研究

底流消能工中水流紊动剧烈、大量掺气,面临着空化空蚀问题。为研究底流消能工气体迁移扩散运动与水流结构相互作用机理,采用水力学试验开展研究,对底流消能工进行水流结构划分,通过调整流量与尾坎高度,改变入射Fr数及跃后水深与跃前水深比,分别测出消力池内掺气浓度值,并分析数据研究水流结构区气体的运动机理,得到消能工内掺气浓度分布规律。结果表明,掺气浓度随Fr数的增大而增大,随跃后水深与跃前水深比的增大而减小;各水流结构区掺气浓度沿程衰减,纵向衰减速率附壁射流区射流扩散区稳定区;横断面掺气浓度呈"双钟形"分布规律;竖向掺气浓度附壁射流区变化曲线呈凹型递增、射流扩散区先增后减、稳定区递减规律。水流结构区交界处形成气体交换带,是气体发生交换的主要区域,掺气浓度在气体交换带处达最大值。该研究可供底流消能工的防空化空蚀参考。     

低弗劳德数宽尾墩多级消力池三维数值模拟

低弗劳德数二元水跃消能效率低,当无尾坎消力池受地形限制,其长度较短且下游水位较低时水跃无法稳定在消力池内,消力池下游护坦承受较大冲刷压力,甚至护坦出口水流余能对下游河床造成严重冲刷。对此,提出采用宽尾墩联合尾坎消力池来改善消能效果,并采用RNGκ-ε紊流模型结合自由面追踪的VOF方法对宽尾墩联合尾坎消能工的水流流场进行三维数值模拟,通过宽尾墩与平尾墩、设置尾坎与不设置尾坎的综合对比分析得出,采用宽尾墩联合尾坎消能工的消能体型可有效调控水流并提高水流的消能效率,明显改善消力池内水流流态,有效减少对护坦及下游河岸冲刷。研究成果可为类似工程提供借鉴。     

一种新型燕尾坎消能工的流态和消能分析

为了提高孔洞类泄水建筑物的出口消能率,同时避免出口水流堵塞和空蚀破坏,提出了一种带跌坎和反坡的燕尾坎消能工。物理模型试验表明,燕尾坎中间槽的作用使出流分成两股,水流纵向拉伸,减小了落点水舌的平均流速,并使水舌掺气增加,消能率提高;设置跌坎和反坡,通过跌坎掺气和反坡对中间股水流的引导作用,避免消能工的空化和出口流动的水流阻塞,并在中间反坡的引导下,中间水舌按预设方向入水。与传统连续坎消能工相比,该消能工消能率提高15%左右。在分析消能率影响因素的基础上,给出了所提消能工消能率的经验表达式,为孔洞类泄水建筑物的出口消能设计及施工提供了参考依据。     

海潮影响下低水头水闸消能结构优化研究

低水头水闸下游消能属于低弗劳德数水跃消能,容易发生波状水跃、消能不充分等消能问题,尤其在海潮影响下,水位变幅大,消能问题更加突出。为此,结合晋江滨海新区填海造地工程~#1水闸模型试验,针对原设计一级消力池容易形成波状水跃和消能率低的问题,提出了二级消力池的消能结构,并对消力池池长、池深、尾坎高程和辅助消能措施进行了综合优化。结果表明,优化后的二级消力池消能结构,改善了水流流态,提高了消能率,研究结果可为类似工程借鉴参考。     

消力池渐变段体型对消能效果的影响

针对黄金坪泄洪洞消力池受地形地质条件的限制,消力池长度明显不足、水跃跃首流态较差、消能效果不理想的问题,通过水力学模型试验,调整优化了泄洪洞出口跌坎高度、挑角及坡度体型,并观测了消力池水流流态、水面线、临底流速、底板压强、出口流态和流速等水力特性指标。结果表明,与原设计方案相比,调整体型后的消力池流态得到了很好地控制、消能效果增强,消力池出池水面跌落和流速均有所减小,各项水力学参数指标满足设计要求,通过体型优化实现了在原有消力池长度条件下改善流态和增强消能的目的。     

低弗劳德数趾墩悬栅联合消能工数值模拟

针对低弗劳德数水流在消力池内极易形成弱水跃且水面大幅波动的问题,在低弗劳德数情况下,利用RNGκ-ε紊流模型,分别对趾墩悬栅联合消能工与单一悬栅消能工所处流场进行数值模拟,系统分析了水深沿程变化及流速分布规律,得到联合消能结构作用下消力池内部水流流态及过栅绕流涡旋分布。结果表明,联合消能工能增大回流区漩涡尺度,加剧水流卷吸掺混强度,大幅提高掺气浓度,迫使跃前断面向下游推移,相对推移比接近26%,淹没度下降约10%左右,从而显著降低陡坡水流脉动;悬栅附近涡群具有更强的漩涡运动,主、回流间紊动混掺加剧,增强了下泄水流能量耗散。研究结果为同类工程中解决消能防冲问题提供了新思路和参考依据。     

折坡扩散消力池水跃共轭水深计算方法及水跃长度、消能率分析

为了解折坡扩散消力池的水跃特性及相关参数、判别其消能效果,通过模型试验的方法对折坡扩散消力池水跃进行了研究,提出了共轭水深计算公式,分析了水跃长度、共轭水深比、消能率等相关水力参数及其变化规律。结果表明,在试验条件下,公式计算结果与实测值相比误差较小,精度较高;水跃长度与共轭水深比、佛劳德数均遵循正比例变化规律;水跃消能率与佛劳德数呈正比。     

大型高落差水闸水力特性模型试验研究

为了准确研究和确认大型高落差水闸的泄流能力和水跃等水力特性,以辽宁省开原市清河闸为例,制作了高落差水闸的水工模型并进行了试验,比较了高落差水闸的上、下游水位流量关系的理论和试验结果,观测了水闸消力池内水跃发生位置及跃前水深、跃后水深、水跃长度等。结果表明,水闸泄流能力模型试验结果与理论计算结果吻合较好,泄流能力能够满足设计要求;各特征流量下,水跃长度、跃后水深与设计值基本相符,消能效率达30%,消能后弗劳德数降为0.32,说明跌坎式消能工的消能效果较好。     

S型水跃局部水头损失系数与跃后水深计算方法

鉴于水跃跃后水深作为消力池体形设计的重要参数,通过建立水跃区跃前和跃后断面的能量方程,分析了突扩式消力池S型水跃局部水头损失系数和共轭水深比的变化规律。研究发现,S型水跃相对局部水头损失系数是跃前断面弗劳德数函数,并随着弗劳德数的增大而增大;相对局部水头损失系数随跃前断面弗劳德数的变化规律既可用线性公式表示又可用乘幂公式表示;水跃共轭水深比是跃前断面弗劳德数和消力池突扩比的函数。通过能量方程求解的S型水跃跃后水深公式具有较高的计算精度和较好的通用性,且能作为矩形明渠水跃共轭水深的求解公式。     

射流簇底流消能泄水诱发场地振动特性研究

射流簇底流消能具有消能率高、低雾化影响等优点,但流态复杂,易诱发下游场地振动。通过对某大型水电站泄水下游场地振动原型监测,揭示了场地振动响应的随机分布规律、时域数字特征,利用水工模型试验,分析了场地振动频域能量分布特性,探明了振源。结果表明,场地振动过程表现为连续型平稳随机振动并伴有冲击特征;场地振动主频为0.5~3.0Hz,与消力池水流脉动主频基本一致;水流脉动荷载为场地振动的振源,为振动量预测及减振抑振措施提供了参考依据。     

阳江抽水蓄能电站上库溢流坝消能试验研究

针对阳江抽水蓄能电站上库溢流坝具有高水头、坝址河床狭窄、坡度陡峭等特点,通过水力模型试验研究优化了溢流坝及其消能工体型,解决了溢流坝的消能问题。试验表明:①溢流坝采用“坝面削角阶梯 底流消力池”的联合消能方案后,增大了溢流坝面水流的消能率,解决了溢流坝泄流与下游消力池衔接的问题;②消力池内设置T型消力墩,缩短了水跃长度和池长;③消力池下游采用阶梯状的二道坝与下游河床连接,减轻了泄流对下游河床的冲刷。     

起挑流量和终挑流量的拟合分析

贴坎水流在泄水建筑物挑流消能中客观存在,起挑流量和终挑流量的确定直接影响到鼻坎及下游的安全性和防护设计。通过水工模型试验,研究高水头泄水建筑物在一定泄槽底坡条件下,不同反弧半径、挑射角度对起挑流量和终挑流量的影响。并在试验成果的基础上,通过数学回归分析,分别拟合得到起挑流量、终挑流量的计算公式。经实例验证,拟合公式可直接应用于实际工程,可为工程设计提供参考。     

反弧鼻坎起挑流量和终挑流量挑距拟合分析

小流量挑射情况下,起挑流量、终挑流量出坎水流的水舌均较分散,在空气阻力的影响下,出坎水流流速系数明显小于现行规范推荐的经验公式计算值。对此,在水工模型试验基础上,基于小流量水面线分析并应用规范推荐公式计算挑距。同时,应用数学回归法拟合高水头泄水建筑物起挑流量、终挑流量经验公式中的流速系数,进而计算挑距。结果表明,两种算法得到的小流量挑距计算值和实际工程吻合良好,均可直接用于挑流消能反弧鼻坎下游的防护设计。研究成果可为工程设计提供参考。     

斜鼻坎挑流消能在黑石罗水库的应用

针对黑石罗水库现状连续式鼻坎消能效果较差,可能威胁河床及岸坡稳定的现状,通过水工模型试验,将挑流消能连续式鼻坎优化为斜鼻坎,即将鼻坎挑射角度由定值调整为渐次增大,同时偏转大角度挑射一侧反弧段边墙至泄槽轴线位置,去除小角度挑射一侧边墙及部分反弧段底板,迫使出坎水舌在平面上转向的同时沿竖向大幅拉开,在保证出射水流平顺归入河床的同时,增大挑射水流和空气的接触面积,最大限度消除水体能量,从而降低水股对落点的冲刷,达到保护河岸及相邻建筑物安全的目的。试验结果表明,斜鼻坎可以很好地适应狭窄地形条件,有效降低挑射水流对鼻坎下游的冲刷。研究成果为类似工程提供了参考。