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     

与X型宽尾墩联合的台阶面近底水流特性研究

通过数值模拟对与X型宽尾墩联合的台阶溢洪道近底水流水力特性进行了研究,并根据实测资料对其结果进行验证,最后结合滑移流流速分布、压强分布以及台阶内水平面与竖直面的压强分布,对近底水流流态进行分析。结果表明:台阶溢洪道滑移流流态下,旋滚区与主流区之间存在过渡区;过渡区下边界为旋滚水流分离点与交汇点的连线,上边界为断面压强分布极大值点连线;沿水流方向,过渡区内流速波动强烈,远离台阶面时波动减弱,至上边界波动消失。台阶铅直面相对高度y/h=0.83～0.91处出现负压,随后向下流动的水流与旋滚区沿铅直面向上流动的水流交汇,形成铅直面y/h=0.56～0.70处压强较大现象。     

宽尾墩对官地水电站底流消能影响的试验研究

针对官地水电站进行了有、无宽尾墩的局部模型试验研究,从堰面及消力池内流态、消力池内水面线、堰面和消力池底板时均压强和脉动压强的沿程分布、消力池内临底流速沿程分布等方面详细地分析了宽尾墩对底流消能的影响。试验结果表明:宽尾墩改善了官地水电站底流消力池内的水流流态,能降低消力池底板上的时均压强和脉动压强,改善了跌坎下的流速分布和流速梯度,有利于解决官地水电站大落差、高流速、大单宽流量的泄洪消能问题。     

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。     

大朝山水电站宽尾墩阶梯式坝面泄洪水力学原型观测

大朝山水电站采用宽尾墩阶梯式坝面及戽式联合消能工的设计,于2002年6月进行了设计水位下的过流水力学原型观测,针对阶梯式坝面开展了沿程4个台阶上的压力、底流速和掺所的量测,取得了在100m级高坝、单宽流量165m3/s·m条件下的运行资料。观测结果表明,在宽尾墩出口前增加一个2m高的小挑坎,可将出坎水流挑离阶梯坝面,保证了底部有足够的掺气。本观测成果为在推广宽尾墩阶梯式坝面在高坝大单宽流量的设计条件下的应用提供了非常重要的科学依据。     

X型和Y型宽尾墩水力特性对比研究

为了探求X型宽尾墩与常规Y型宽尾墩水力特性的差别,采用RNGk-ε双方程紊流模型对两种型式的宽尾墩的三维流场特性进行数值计算,模拟结果与试验数据吻合良好,说明模型选用及网格划分合理。比较分析两种墩型水流流动特征、宽尾墩体和下游溢流坝面的压力分布以及闸室出口流速分布发现X型宽尾墩不但具有常规Y型宽尾墩分散水流、增加掺气量和提高消能效率等优点,而且在小流量时可增大泄流能力,特别是在与台阶式坝面联合运行时,还可改善坝面压力分布;其缺点是X型宽尾墩出口处局部出现负压,设计时应给予注意。     

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。     

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。     

白石水库溢流坝消能形式的选择

白石水库溢流坝采用异型宽尾墩挑流消能方式。异型宽尾墩是将宽尾墩底缘与溢流堰面断开形成缺口的一种墩型。采用异型宽尾墩挑流消能，使冲坑变得更浅且远离坝趾，消能效果十分理想。     

与宽尾墩联合使用的台阶面水流压强特性研究

 随着RCC筑坝技术的发展,宽尾墩与台阶面联合消能技术已先后在许多工程中得到应用。通过工程原型与模型试验资料的综合分析,对不同体型及使用条件下,与宽尾墩联合使用的台阶内部压强与总体压强分布规律进行了研究。研究结果表明：台阶内部压强分布规律及台阶总体压强分布规律主要与堰面使用的宽尾墩形式有关,台阶坡比对台阶面总体压强影响幅度较小,台阶高度几乎不产生任何影响。     

阶梯溢流坝面坡度对一体化消能工水力特性的影响

为探求高水头、大单宽流量下坝面坡度对一体化消能工水力特性的影响,以阿海水电站为原型,采用三维k-ε双方程紊流模型,引入水气两相流VOF计算方法,利用几何重建格式来迭代生成自由水面,对1∶0.80、1∶0.75、1∶0.65三种阶梯面坡比进行数值模拟研究。结果表明:①最大负压值均位于首级阶梯立面凸角下1/4附近,并随坡度增加而增大。坡度为56.98°时,最大负压值为61.02 kPa,超过了6×9.81 kPa。②水流空化数在宽尾墩水舌出口位置出现最小值,空化数随坡度变陡而减小。坡度为56.98°时,空化数最小为0.358。坡度为51.34°时,空化数最大,为0.381。③随着阶梯溢流坝坝面坡度变缓,消力池最大临底流速增大。当坡度为51.34°时,消力池最大临底流速最大,达到26.84 m/s,超过了25 m/s,易发生冲磨破坏。当坡度为56.98°时,消力池最大临底流速最小,为24.00 m/s。消力池尾坎前最大临底流速随坡度增加而减小,坡度为56.98°时最小,为9.63 m/s;坡度为51.34°时,消力池尾坎前最大临底流速最大,为9.96 m/s。④坡度的变化对一体化消能工消能率的影响不大,坡度从51.34°增加到56.98°,消能率只提升0.15%。     

百色水利枢纽溢流坝掺气减蚀研究

百色水利枢纽工程RCC主坝高130m，最大水头差102m，溢流坝最大单宽流量约166m^3／S，流速超过40m／s，采用宽尾墩加消力池联合消能，由于水头高，流速大，堰面气蚀问题突出，水流掺气是减灭气蚀的有效方法，通过分析其它工程掺气减蚀的经验，就百色水利枢纽大比例尺模型试验来研究百色掺气水流的特性，掺气减蚀效果的评估以及掺气坎的最佳布置。     

台阶溢流坝过流掺气减蚀问题的研究

根据大朝山水电站表孔减压模型试验资料,结合原型观测有关资料,对台阶溢流坝掺气减蚀问题进行了分析研究。结果表明,利用表孔宽尾墩+台阶面的过流形式,可以解决台阶面大单宽过流掺气减蚀问题,台阶面水流近底掺气浓度最小在5%以上。高坝试验结果还表明,坝高增加20 m,台阶面水流掺气浓度沿程分布规律不变,即该掺气减蚀方法应用范围可推广至坝高131.0 m的台阶溢流坝。     

大单宽流量低傅汝德数收缩墩底流消力池的试验研究

为解决大单宽流量、低傅汝德数底流消能中存在振荡水跃,进而导致消力池内流态不稳定、水面波动大、消能率低等问题,采用模型试验的方法,对在消力池前设置收缩墩后的收缩扩散与底流复合消力池进行了研究。结果表明:设置Y型收缩墩后消力池内呈较为稳定的收缩射流与淹没水跃的三元复合流态,水流更为稳定,振荡水跃消失,可有效解决池内的水流间歇性振荡和水面大幅波动等问题。同时,设置收缩墩后,可有效降低池内最大临底流速,由近30 m/s降至约20 m/s。消能率由60.93%提升至66.61%,消能效果显著。此外,下游河道冲刷大大减小。最不利冲刷工况下的2年一遇洪水时,基岩最大冲深由近32.0 m降为5.6 m。消力池前设置收缩墩,对于因受地形地质等客观条件限制,无法通过改变池长池深来解决大单宽低傅汝德数的底流消能问题,提供了一种新思路。     

轻型滑模体在石河水库溢流坝堰面施工中的应用

2012年开始实施石河水库除险加固工程,为保证秦皇岛市供水安全,设计采用了溢流坝闸墩局部拆除加长重建,原溢流堰面局部凿除新建溢流堰面方案,堰型采用WES实用堰,堰顶高程47.00m,定型设计水头11m,挑流消能.溢流坝堰面垂直水流方向共分5块,宽度不均,分缝宽度为16.4～21.9m.堰面采用钢筋混凝土结构,新浇混凝土厚度0.8～2.5m.     

高拱坝表孔宽尾墩体型参数对泄流能力的影响

高拱坝坝顶较薄,表孔溢流坝面较短,导致宽尾墩应用于高拱坝表孔对泄流能力会产生一定的影响,为探究满足表孔泄流能力设计要求的宽尾墩体型,基于东庄水利工程,采用数值模拟方法,研究宽尾墩俯角、收缩比、墩尾折角、始折点位置等体型参数对高拱坝表孔泄流能力的影响以及泄流能力与过堰水流弗劳德数Fr的关系。研究结果表明,表孔泄流能力随着宽尾墩俯角的减小而减小,随着收缩比的减小而减小,随着墩尾折角的减小而增大,随着始折点位置与堰顶水平距离的减小而减小;提出了表征宽尾墩各类体型参数与堰上水头影响的综合影响系数k综,当k综≥2时,宽尾墩不影响表孔的泄流能力,当k综2时,随着k综值的减小,宽尾墩对表孔泄流能力的影响逐渐增大;过堰水流Fr沿程变化曲线在宽尾墩始折点上游存在一个折点,该折点处的Fr越大,宽尾墩对表孔泄流能力的影响越小。     

深尾水河床式电站宽尾墩体型优化试验研究

该文采用模型试验重点针对具有深尾水、低水头和大单宽流量的泄洪闸体型进行了研究。以某在建河床式水电站为研究对象,基于该水电站实际运行方式,以出闸水流衔接流态、消力池流态、出池流速和下游冲刷作为控制指标,分别比较了Y型宽尾墩、常规宽尾墩及常规宽尾墩+底部贴角等泄洪闸体型,最终确定常规宽尾墩+底部贴角方案相对较优。该方案通过采用底部贴角减小了宽尾墩下部过流面积,继而增大了泄洪表孔出口水深,使水体在消力池内的波动和流速都相对减小,消能率相对提高,进而满足工程泄洪消能要求。     

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。     

曲面X型宽尾墩闸室内水力特性模拟研究

为了高精度模拟水流通过水工建筑物时的流场特性,采用CLSVOF法并引入RNGκ～ε紊流模型的新型数值模拟方法,对某水电站曲面X型宽尾墩泄流时的水力特性进行了三维数值模拟研究,获得了宽尾墩闸室内水流流态、水面线、流速、压力等水力参数.数值模拟结果与物理模型试验结果吻合良好,验证了CLS-VOF数值模拟方法的可靠性.