高拱坝坝身收缩式表深孔无碰撞泄洪消能及雾化研究

本研究项目将宽尾墩和窄缝挑坎收缩式消能工分别应用于高拱坝坝身泄洪表深孔，提出高拱坝表孔宽尾墩和深孔窄缝泄流形式，实现了高拱坝坝身表深孔水舌的空中无碰撞消能。研究中利用模型试验、紊流数值模拟和理论推导相结合的方法对高拱坝表孔宽尾墩、深孔窄缝挑坎的水力特性进行了研究，如流速、水深、流道压力、水舌挑距及纵向扩散长度和水垫塘底板冲击动压，建立了高拱坝表孔宽尾墩、深孔窄缝挑坎水力计算方法。在1:60锦屏一级水电站整体模型上针对高拱坝无碰撞消能方式的泄洪雾化进行了研究，发现无碰撞消能对降低泄洪雾化强度效果非常显著，同时坝身下泄水流对水垫塘底板的冲击动压进一步减小，消能效果良好。另外分析了无碰撞消能方式的泄洪雾化产生原因和主要雾化源，提出了其泄洪雾化数学模型。本研究还利用PIV粒子测速技术研究了窄长射流在水垫塘内的精细流场结构，发现水垫塘内随着淹没射流流程的增加，射流与周围水体不断卷吸、掺混、剪切，流场中存在大小尺度不同的涡，正是这些涡担负着能量传递和耗散的作用。研究成果有助于推动我国高拱坝泄洪消能在二滩水电站开辟的表深孔水舌空中碰撞 水垫塘消能方式的基础上再上升到一个新的台阶。 2100433B

窄河谷、大流量高拱坝工程多采用表深孔水舌空中撞击 水垫塘的坝身泄洪消能方式，取得了较好的效果。但其最大副作用是泄洪雾化的显著增强，威胁下游岸坡的安全。若能使表深孔水舌空中相互穿插下落而无碰撞，则可显著减轻泄洪雾化强度。但由于拱坝的泄流宽度受限，因此如何实现空中水舌的相互穿插下落，并且避免水垫塘底板动水荷载增加成为一个难题。宽尾墩、窄缝挑坎具有横向收缩、纵向拉长水流的特性，可获得窄长水流。本研究项目将宽尾墩和窄缝挑坎收缩式消能工分别应用于高拱坝坝身泄洪表深孔，提出高拱坝表孔宽尾墩和深孔窄缝泄流形式，既可通过水舌的横向收缩实现表深孔水舌的无碰撞穿插，又可利用水舌的纵向扩散使水垫塘底板冲击荷载反而进一步降低。研究成果有助于推动我国高拱坝泄洪消能在二滩水电站开辟的表深孔水舌空中碰撞 水垫塘消能方式的基础上再上升到一个新的台阶。

我国拟建的一大批世界级大型水利水电工程具有水头高、流量大、河谷狭窄、地质条件复杂等特点，泄洪消能及其引发的空化空蚀、泄洪雾化和材料冲蚀磨蚀等问题十分复杂。本项目拟通过系统、深入的研究，为解决300米左右高坝大型水电工程的泄洪安全问题提供基础理论支撑。研究内容包括：高拱坝窄河谷新型泄洪消能技术（高拱坝表孔宽尾墩和深孔窄缝联合泄洪消能新技术、高拱坝表孔舌形坎和深孔窄缝联合泄洪消能新技术、坝后河道分区防 2100433B

第一章 绪论

第二章 底流泄洪雾化的数学模型

第三章 底流泄洪雾化原观反馈分析与验证计算

第四章 向家坝水电站泄洪雾化对下游环境影响的预测计算

第五章 掺气水舌空中扩散及其运动规律的研究

第六章 掺气水舌碰撞特性的研究

第七章 雾流扩散规律的研究

第八章 挑流泄洪雾化原观反馈分析与验证计算

第九章 挑流泄洪雾化预测计算

第十章 挑流泄洪雾化的BP神经网络模型

第十一章 结论与研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文和参加科研情况

附录

致谢

坝身泄水孔内流速较高，容易产生负压、空蚀和振动；闸门在水下，检修较难，闸门承受的水压力大，启门力也相应大，门体结构、止水和启闭设备都较复杂，造价也相应增高，因而一般不用坝身泄水孔作为主要的泄洪建筑物。一般作为辅助泄洪之用。