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。     

大单宽、中水头水流挑流消能试验研究

结合某国外水电站工程,通过1∶80的整体水工模型对其泄洪消能布置方案进行了系列优化试验研究,最终提出了小差动坎的泄洪消能体型。该体型能使挑射水舌在纵向充分拉开,入水宽度增加,改善了传统的连续式挑坎所存在的挑射水舌集中、空中扩散差的不足,大大增加了挑射水流的消能率,使下游河道的冲刷明显减轻。试验结果表明:该体型很好地适应了某国外水电站单宽流量大、泄流水头适中的特点,为类似工程提供了一种新的泄洪消能思路。     

溢洪道出口挑流鼻坎体型优化试验研究

针对常规斜切挑坎两侧边墙流速低、中部流速高,导致挑坎水舌小流量落砸本岸、大流量冲刷对岸的问题,结合1:45水工模型试验,对某电站高水头、窄河谷、大溢流交角溢洪道出口挑流鼻坎体型进行研究,提出了一种内凹折线型斜切挑坎。该挑流鼻坎体型简单可靠、流量适应范围广、水舌归槽性及下游消能防冲效果好,但体型设计应注意以下几点:(1)中部镂空内凹折线段数量可根据下游河道岸边地形变化情况增加或减少,但相邻折线段之间夹角应平顺过渡,以满足挑射水舌水量分布均匀的要求。(2)靠近两侧边墙处底板应有一定宽度,以免边墙上产生不稳定水翅。     

基于BP神经网络的复合型挑坎体型参数反演研究

以某大型水电站溢洪洞工程数据为主要设计依据,采用传统的水力学计算模型,以3种不同的水力参数——斜切角、挑射角及扩散角研究挑流鼻坎水舌落水范围,用挑距、水舌旋转的角度及水舌弧长对落水范围和冲刷强度进行描述。以经过水力计算并试验验证的溢洪洞48个挑流数据为样本,用BP神经网络模型扩大数据样本,再通过BP神经网络优化和反演模型,预测约束水舌落水范围内,水舌弧长最大对应最优的挑坎体型设计参数。结果显示,当约束水舌落水范围靠近河道中泓线,且水舌弧长为最长、冲刷最小时,对应最优挑坎斜切角为25°、挑射角为29°、扩散角为6°。分析表明,此方法可在约束条件下实现最优挑坎体型设计,在效率上、效果上优于物理模型试验和相关数值模拟研究,为实际工程应用BP神经网络模型反演复合型挑流鼻坎体型设计提供了技术支撑。     

民乐河水库溢洪道挑流鼻坎体型优化试验研究

部分河岸式溢洪道出口河道狭窄、曲折,岸坡陡峻,河床基础抗冲能力较差,采用挑流消能时挑射水流会砸落淘刷护坦、挑流鼻坎基础,危及下游岸坡稳定安全。为验证泄洪挑射水流形态及其对河床、岸坡的冲刷影响,以民乐河水库工程为例,通过水工模型试验进行分析并对挑流鼻坎体型进行优化。试验结果表明,溢洪道挑流鼻坎采用斜切坎配合折流器体型能有效改善挑射水流流态,对下游河床、岸坡的冲刷影响较小,可确保工程安全运行。     

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。     

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。     

带斜切型挑坎的溢洪道水力特性三维数值模拟

采用RNGκ-ε紊流模型和VOF方法对某工程带斜切型挑坎的溢洪道水力特性进行了三维数值模拟研究,详细描述了斜切型挑坎处的流速、压强等重要特性的分布规律,分析了挑射水舌挑距、入水速度等参数特点,指出挑射水股将偏向左侧河道中心位置,减轻对右岸河床的冲刷。将部分结果与试验对比,符合良好,验证了数值方法的准确性,可为挑坎体型优化设计提供重要的参考依据。     

某工程泄洪洞挑坎体型优化试验

针对某工程水舌入水集中的问题,通过多次优化调整,分别对斜切坎和燕尾坎进行了优化试验和对比分析。通过增大水舌入水范围来降低下游河床的冲刷破坏并保证挑坎末端的护坦不受冲,同时兼顾河道两岸的防护范围和工程量,最终得到了推荐方案,优化过程和思路可供类似工程借鉴。     

某抽水蓄能电站狭窄河道挑流鼻坎优化及下游防冲设计试验研究

针对某抽水蓄能电站下游的狭窄河道斜交挑流消能问题,对连续坎、窄缝坎和异型坎等不同类型鼻坎进行对比研究,推荐挑流水舌落点优、冲坑深度小的折线型贴角斜鼻坎为设计方案。为确保工程安全,对设计方案下游河道的水流流态和动床冲刷开展试验研究,结果表明,下游河道左岸岸坡附近流速较大,坝下0+260.00下游100m范围内冲刷严重,应对两岸和基础进行防护。研究成果可为类似工程的挑流消能鼻坎的选型和防冲设计提供参考。     

高水头泄洪隧洞消能防冲试验研究

对高水头水电站泄洪洞出口挑坎水力特性和下游河道冲刷特性进行了试验研究,对比分析不同挑坎形式对冲坑位置、范围及深度的影响,指出:对称斜切挑坎水舌纵向扩散充分,落水区呈窄长条状,可以充分利用下游河道的纵向空间,特别适合应用于狭窄河谷中的高拱坝工程泄洪。     

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。     

溢洪道差动式挑流鼻坎挑距和冲深特性探讨

溢洪道差动式挑流鼻坎可明显增加挑射水流在空中的碰撞、紊动和掺气,大大减轻下游河床的冲刷.根据部分溢洪道工程的水工模型试验资料,对差动式挑流鼻坎挑射水舌挑距及其下游河床冲刷坑深度的估算方法进行分析和探讨,可供类似工程设计和运行参考.     

洋河水库溢洪道水工模型试验研究

通过建立溢洪道整体水工模型,研究各泄流工况下的过流能力及挑流坎体型方案,并提出相应的改善措施。试验表明,校核洪水位下,溢洪道泄流能力试验值与设计值相比偏小1%左右;溢洪道出口挑流体型初始方案在小流量时,挑坎反弧段出现壅水现象,水流无法正常挑出;当挑坎挑角调整成10°,反弧半径增大到90m,渥奇段曲线适当抬升,水流可顺利挑出。通过优化挑坎体型结构,溢洪道在小流量过流时,水流挑距较初始方案增大5～10m,在溢洪道宣泄大流量时,水流挑距与初始方案相当,分布范围在坎下5～110m。溢洪道挑流坎体型优化方案,在水流起挑与下游冲刷两个方面,均优于初始体型方案,为工程设计提供了安全可靠的技术支持。     

燕尾坎不同体型参数对其水力特性影响研究

为研究燕尾坎不同体型参数对其水力特性的影响,文章基于黄河古贤水利枢纽工程水工模型,采用物理模型试验的方法,选取不同开口处挑角和燕尾宽度进行试验,分析对比不同体型参数下的内外缘挑距以及水垫塘的冲击压强和脉动压强。试验结果表明:开口处挑角主要通过影响内缘挑距来影响水舌纵向拉伸程度,随着开口处挑角的不断减小,水舌入水宽度变宽,水垫塘内冲击压强和脉动压强逐渐减小;燕尾宽度主要通过影响外缘挑距来影响水舌纵向拉伸程度,随着燕尾宽度的不断增加,水舌入水宽度变宽,水垫塘内冲击压强先减小后增大,脉动压强逐渐减小。研究结果可为其他消能工程燕尾坎体型的选取提供了依据。     

鼻坎型式对挑流局部冲刷影响的数值模拟

挑流消能为高水头水利枢纽主要泄洪方式,耗散能量的同时会对下游产生剧烈冲刷。为分析冲刷坑形成原因,探究鼻坎型式对于冲刷的影响,针对某一具体工程,采用自编程序以临界起动切应力作为泥沙起动条件进行数值模拟,结果表明：差动式鼻坎挑流水舌集中,单宽流量大,冲刷深度深,河床冲刷严重;舌型鼻坎挑流水舌横向扩散较大,单宽流量小,冲刷深度较浅。将计算结果与物理模型试验结果对照,两者基本吻合。证明通过用户自定义编程方法进行数值模拟能够较为准确的预测冲刷坑范围与深度,合理的鼻坎型式对于削弱下游冲刷效果显著。     

楼庄子水库溢洪洞体型优化试验研究

针对楼庄子水库工程溢洪洞原方案存在的问题,采用物理水工模型试验方法,对原挑流鼻坎提出了横向扩散和竖向扩散两种消能方案,通过对比分析挑坎水舌形态和下游河道冲淤形态,最终认为横向扩散消能方案优于竖向扩散方案。进一步分析了挑坎横向扩散方案的扩散角、挑距、冲淤形态等特性规律,确定适度扩散角舌形鼻坎方案为推荐方案。试验结果表明:舌形挑流鼻坎形成的水舌连续光滑、扩散充分,入水范围增大而单宽流量减小,下游河道冲淤明显减轻。试验结果可为同类工程优化结构形式及设计应用提供参考。     

高重力坝挑坎体型及水力特性对比

基于水工模型试验方法,利用几何比尺为60的黄河古贤水利枢纽水工模型,研究了连续式、窄缝式、差动式、燕尾式、直边窄缝燕尾式及曲面窄缝燕尾式共6种体型挑坎的水舌特性及水垫塘底板的压强特性。结果表明:连续式挑坎水舌呈连续且集中的形态;当挑角为30°时,窄缝式挑坎并未呈现纵向拉伸的水舌形态,内外缘挑距大,入水宽度小,冲击压强与脉动强度较大;差动式挑坎水舌呈现分层分股的形态特征,入水宽度变大,冲击压强与脉动强度减小;燕尾式挑坎水舌纵向呈扫帚状,水舌面积增大,在空中扩散、掺气、摩擦消散充分,入水宽度大大增加,沿程时均压强未出现冲击压强且脉动强度最大值比连续式、窄缝式及差动式挑坎分别降低59.5%、69.8%和39.4%;曲面窄缝燕尾式挑坎横向收缩与纵向拉伸效果比直边窄缝燕尾式挑坎好,且横向收缩有利于近坝区水体紊动及削弱二道坝区水体紊动;燕尾式挑坎有利于水垫塘底板稳定和下游消能防冲,对于类似高重力坝挑坎体型选择具有一定参考价值。     

雷州市溪南水库溢洪道消能试验研究

通过水工模型试验,针对溪南水库溢洪道原方案存在的问题,采用圆弧段导墙解决了溢洪道进口段导墙头部的绕流问题,改善了下游河道缩窄段流态;采用差动式挑流鼻坎,提高了消能率,减小了冲刷坑深度;对下游边墙扩宽,避免了挑射水舌的冲刷破坏。以上成果可为类似工程提供参考。     

燕尾坎在忠玉水电站高拱坝表孔上应用研究

为了探究燕尾坎是否可应用于高拱坝表孔,采用1∶80整体水工模型和三维湍流数值计算方法对燕尾坎在忠玉水电站高拱坝表孔上的适用性问题开展了研究,获得了典型工况下燕尾坎挑流水舌形态,并对比了常规连续挑坎与燕尾坎挑坎内的水流形态和流速分布。来流条件相同时,下泄水流经过燕尾坎镂空开口时,在重力作用下铅直方向流速变大。燕尾坎挑坎出口断面水平方向流速值略小于常规挑坎,但铅直向下流速值是常规挑坎的3—5倍。水舌的最近挑距大幅减小,最远挑距略有减小,纵向长度变大,从而形成纵向拉伸水舌。忠玉水电站拱坝表孔采用燕尾坎挑流,可在纵向拉长水舌,避免集中入水;通过调整开口范围和宽度做到下泄流量沿入水范围均匀分布,从而大幅降低水垫塘冲击压强。