高拱壩壩身收縮式表深孔無碰撞泄洪消能及霧化研究

本研究項目將寬尾墩和窄縫挑坎收縮式消能工分別應(yīng)用于高拱壩壩身泄洪表深孔，提出高拱壩表孔寬尾墩和深孔窄縫泄流形式，實現(xiàn)了高拱壩壩身表深孔水舌的空中無碰撞消能。研究中利用模型試驗、紊流數(shù)值模擬和理論推導(dǎo)相結(jié)合的方法對高拱壩表孔寬尾墩、深孔窄縫挑坎的水力特性進(jìn)行了研究，如流速、水深、流道壓力、水舌挑距及縱向擴(kuò)散長度和水墊塘底板沖擊動壓，建立了高拱壩表孔寬尾墩、深孔窄縫挑坎水力計算方法。在1:60錦屏一級水電站整體模型上針對高拱壩無碰撞消能方式的泄洪霧化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)無碰撞消能對降低泄洪霧化強(qiáng)度效果非常顯著，同時壩身下泄水流對水墊塘底板的沖擊動壓進(jìn)一步減小，消能效果良好。另外分析了無碰撞消能方式的泄洪霧化產(chǎn)生原因和主要霧化源，提出了其泄洪霧化數(shù)學(xué)模型。本研究還利用PIV粒子測速技術(shù)研究了窄長射流在水墊塘內(nèi)的精細(xì)流場結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)水墊塘內(nèi)隨著淹沒射流流程的增加，射流與周圍水體不斷卷吸、摻混、剪切，流場中存在大小尺度不同的渦，正是這些渦擔(dān)負(fù)著能量傳遞和耗散的作用。研究成果有助于推動我國高拱壩泄洪消能在二灘水電站開辟的表深孔水舌空中碰撞 水墊塘消能方式的基礎(chǔ)上再上升到一個新的臺階。 2100433B

窄河谷、大流量高拱壩工程多采用表深孔水舌空中撞擊 水墊塘的壩身泄洪消能方式，取得了較好的效果。但其最大副作用是泄洪霧化的顯著增強(qiáng)，威脅下游岸坡的安全。若能使表深孔水舌空中相互穿插下落而無碰撞，則可顯著減輕泄洪霧化強(qiáng)度。但由于拱壩的泄流寬度受限，因此如何實現(xiàn)空中水舌的相互穿插下落，并且避免水墊塘底板動水荷載增加成為一個難題。寬尾墩、窄縫挑坎具有橫向收縮、縱向拉長水流的特性，可獲得窄長水流。本研究項目將寬尾墩和窄縫挑坎收縮式消能工分別應(yīng)用于高拱壩壩身泄洪表深孔，提出高拱壩表孔寬尾墩和深孔窄縫泄流形式，既可通過水舌的橫向收縮實現(xiàn)表深孔水舌的無碰撞穿插，又可利用水舌的縱向擴(kuò)散使水墊塘底板沖擊荷載反而進(jìn)一步降低。研究成果有助于推動我國高拱壩泄洪消能在二灘水電站開辟的表深孔水舌空中碰撞 水墊塘消能方式的基礎(chǔ)上再上升到一個新的臺階。

我國擬建的一大批世界級大型水利水電工程具有水頭高、流量大、河谷狹窄、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點，泄洪消能及其引發(fā)的空化空蝕、泄洪霧化和材料沖蝕磨蝕等問題十分復(fù)雜。本項目擬通過系統(tǒng)、深入的研究，為解決300米左右高壩大型水電工程的泄洪安全問題提供基礎(chǔ)理論支撐。研究內(nèi)容包括：高拱壩窄河谷新型泄洪消能技術(shù)（高拱壩表孔寬尾墩和深孔窄縫聯(lián)合泄洪消能新技術(shù)、高拱壩表孔舌形坎和深孔窄縫聯(lián)合泄洪消能新技術(shù)、壩后河道分區(qū)防 2100433B

第一章 緒論

第二章 底流泄洪霧化的數(shù)學(xué)模型

第三章 底流泄洪霧化原觀反饋分析與驗證計算

第四章 向家壩水電站泄洪霧化對下游環(huán)境影響的預(yù)測計算

第五章 摻氣水舌空中擴(kuò)散及其運動規(guī)律的研究

第六章 摻氣水舌碰撞特性的研究

第七章 霧流擴(kuò)散規(guī)律的研究

第八章 挑流泄洪霧化原觀反饋分析與驗證計算

第九章 挑流泄洪霧化預(yù)測計算

第十章 挑流泄洪霧化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

第十一章 結(jié)論與研究展望

參考文獻(xiàn)

攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文和參加科研情況

附錄

致謝

壩身泄水孔內(nèi)流速較高，容易產(chǎn)生負(fù)壓、空蝕和振動；閘門在水下，檢修較難，閘門承受的水壓力大，啟門力也相應(yīng)大，門體結(jié)構(gòu)、止水和啟閉設(shè)備都較復(fù)雜，造價也相應(yīng)增高，因而一般不用壩身泄水孔作為主要的泄洪建筑物。一般作為輔助泄洪之用。