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。     

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.     

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。     

某水库工程泄洪排沙洞出口消能防冲方案模型验证及优化设计

通过对某水库泄洪洞出口挑流消能工进行水工模型试验发现,挑流水舌底部会间歇性受底部水体的影响,水流集中,不利于下游河道消能防冲。调整泄洪洞挑坎高度及挑角后,挑流水舌不再受底部水体的影响,挑流消能的效果较好。今后在挑流消能体型设计时应充分考虑下游地形及下泄水流在各工况下的实际流态情况,以便类似工程避免出现不利情况。     

龙开口水电站挑坎体型优化试验研究

龙开口水电站有泄流量大、主河床狭窄等特点,对于这类工程泄洪消能尤为重要.为了解决水工模型第一试验阶段挑流消能不充分、闸墩出口流态紊乱的问题,进行了溢流坝段的水工单体模型试验,对连续坎、差动坎、窄缝坎以及差动坎和舌形坎、窄缝坎和舌形坎、窄缝坎和连续坎的结合运用等多个挑坎体型进行了冲刷试验,从而选择适用于龙开口水电站这类泄流量大、主河床狭窄电站的溢流堰挑流鼻坎形式.     

窄缝式挑坎强化消能与体型问题研究

窄缝式挑流鼻坎是适用于狭谷高坝大流量泄洪的新型消能工。本文在总结窄缝式挑流消能工应用现状和消能特性的基础上，对窄缝式挑坎的体型进行了初步研究。就满足窄缝流态、消能效果好且经济合理的体型，提出了设计计算的初步方法。     

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。     

扭曲鼻坎对泄洪洞挑流消能的影响研究

针对某泄洪洞挑流水舌对下游河道产生不利影响等问题,开展了基于扭曲鼻坎调整射流方向的水力模拟试验研究。通过对几种扭曲鼻坎的优化研究,发现采用降低挑坎高程的大转角贴坡扭曲鼻坎布置,可以合理调整水舌方向,理顺下游河道形态,消除了右岸涌浪和边岸淘刷威胁,同时又解决了泄洪洞过渡期洞内水跃闷顶问题。研究成果对泄洪洞出流的消能防冲设计有一定的借鉴意义。     

河口村水库泄洪洞水工模型试验研究

为验证河口村水库泄洪洞布置方案的合理性和优化的可能性,根据重力相似准则,采用1∶40的单体正态模型系统研究了泄洪洞泄流能力、水流流态、压力分布、空化空蚀、进出口体形等。尝试采用不同挑流鼻坎形式来消除2#洞内起挑前跃后水流局部封顶现象,并提出有利于消能防冲的鼻坎形式。根据试验结果,1#泄洪洞采用中墩修改体形能有效规避宽墩后水冠冲击洞顶的不利流态,同时2#泄洪洞挑流鼻坎采用修改体形可有效解决起挑前跃后水流局部封顶现象。     

窄缝挑坎水翅轨迹及降雨特性研究

窄缝挑坎因边墙收缩形成的水翅击打岸坡,可能会对岸坡稳定构成威胁,而相关研究鲜见报道。为了揭示该消能工水翅运动规律及其形成的降雨强度在下游临岸侧的分布特性,通过建立系列物理模型,开展了窄缝挑坎收缩比和挑角与水翅特性间关系研究。结果表明:随着收缩比减小,水翅被抛射得越高,次生水翅引起的降雨分布区域位置上移、范围增大;随着挑角减小,水翅顺水流向运动轨迹变化不大,但横向扩散加剧导致降雨横向分布范围增大。在此基础上提出了次生水翅横向扩散系数的概念,可用于预测不同挑坎体型下次生水翅引起下游降雨范围的形状特征。该成果可丰富窄缝挑坎研究内容,扩大研究范围,并为其体型设计提供更全面的理论依据。     

溢流孔分流齿坎对水舌形状及水垫塘底板冲击压力的影响

为了研究分流齿坎对水舌形状和水垫塘底板冲击压力的影响,在七表孔八深孔的泄洪拱坝模型试验中,对采用大差动带分流齿的溢流表孔的水舌形状和水垫塘底板冲击压力进行对比性试验。测量了单孔泄洪时齿坎对水舌形状和落水区域的影响,并研究了表孔和深孔联合泄洪时不同分流齿坎设置方案对水舌空中碰撞效果及水垫塘底板承受的冲击压力的影响,推荐了合理的齿坎布置方式。试验结果表明,采用中间表孔设置齿坎和边侧表孔不设置齿坎的整体布置形式,可以提高碰撞消能效果,减小水垫塘底板承受的最大冲击压力。     

阿尔塔什水利枢纽水垫塘消能方式选择

以新疆阿尔塔什水利枢纽泄洪建筑物为研究对象,通过1∶50水工模型试验比选消能方式,对比研究了采用平底板水垫塘方案下的塘内水动力特性和采用护坡不护底方案下的水垫塘冲刷形态。通过脉动压力与上举力的分布,推测了水垫塘的可能破坏范围;通过流态分析和冲刷分析,对挑坎体型进行了优化。不同型式挑坎对水垫塘的冲刷影响的比较分析表明,优化后的挑坎能够起到调整水舌和冲坑形态、减少坡脚冲刷的作用,经优化后该工程水垫塘采用护坡不护底的方案是可行的,并可供类似工程参考。     

泄洪闸溢流堰面流挑坎布置研究

低水头泄洪闸溢流堰挑坎出口挑角和坎高对其下游出流面流流态影响较大。在两个泄洪闸工程面流消能试验成果分析的基础上,对其溢流堰挑坎挑角和坎高对面流流态的影响进行了分析。研究表明,若挑坎坎高a较小时,可适当增大挑坎挑角θ值,以增大挑坎面流运行的泄洪流量和下游水深的范围;低水头泄洪闸面流消能的溢流堰挑坎挑角一般可采用10°~15°,当挑坎挑角增大至15°时,可较明显增大挑坎形成面流而不产生回复底流的下游水深的范围,扩大了面流运行的水深区间,有利于工程的安全运行。     

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。     

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。