高拱壩壩身收縮式表深孔無(wú)碰撞泄洪消能及霧化研究項(xiàng)目摘要

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(wú)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(shí)現(xiàn)空中水舌的相互穿插下落，并且避免水墊塘底板動(dòng)水荷載增加成為一個(gè)難題。寬尾墩、窄縫挑坎具有橫向收縮、縱向拉長(zhǎng)水流的特性，可獲得窄長(zhǎng)水流。本研究項(xiàng)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(guò)水舌的橫向收縮實(shí)現(xiàn)表深孔水舌的無(wú)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(dòng)我國(guó)高拱壩泄洪消能在二灘水電站開(kāi)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(gè)新的臺(tái)階。

本研究項(xiàng)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(shí)現(xiàn)了高拱壩壩身表深孔水舌的空中無(wú)碰撞消能。研究中利用模型試驗(yàn)、紊流數(shù)值模擬和理論推導(dǎo)相結(jié)合的方法對(duì)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(zhǎng)度和水墊塘底板沖擊動(dòng)壓，建立了高拱壩表孔寬尾墩、深孔窄縫挑坎水力計(jì)算方法。在1:60錦屏一級(jí)水電站整體模型上針對(duì)高拱壩無(wú)碰撞消能方式的泄洪霧化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)無(wú)碰撞消能對(duì)降低泄洪霧化強(qiáng)度效果非常顯著，同時(shí)壩身下泄水流對(duì)水墊塘底板的沖擊動(dòng)壓進(jìn)一步減小，消能效果良好。另外分析了無(wú)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(cè)速技術(shù)研究了窄長(zhǎng)射流在水墊塘內(nèi)的精細(xì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)水墊塘內(nèi)隨著淹沒(méi)射流流程的增加，射流與周?chē)w不斷卷吸、摻混、剪切，流場(chǎng)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(dòng)我國(guó)高拱壩泄洪消能在二灘水電站開(kāi)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(gè)新的臺(tái)階。 2100433B

我國(guó)擬建的一大批世界級(jí)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(diǎn)，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(wèn)題十分復(fù)雜。本項(xiàng)目擬通過(guò)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(wèn)題提供基礎(chǔ)理論支撐。研究?jī)?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(yàn)證計(jì)算

第四章 向家壩水電站泄洪霧化對(duì)下游環(huán)境影響的預(yù)測(cè)計(jì)算

第五章 摻氣水舌空中擴(kuò)散及其運(yùn)動(dòng)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(yàn)證計(jì)算

第九章 挑流泄洪霧化預(yù)測(cè)計(jì)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(dòng)；閘門(mén)在水下，檢修較難，閘門(mén)承受的水壓力大，啟門(mén)力也相應(yīng)大，門(mén)體結(jié)構(gòu)、止水和啟閉設(shè)備都較復(fù)雜，造價(jià)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。