乐昌峡水电站尾水出水口水力模型试验

在高坝水电站工程建设快速发展的同时,电站下泄的低温水体对下游河道生态系统所造成的破坏性影响已不容忽视;在电站进水口前放置一定高度的叠梁门,使电站从水库表层取水发电,从而减轻对下游河道生态系统的"冷害"侵蚀,是目前缓解高坝水电工程建设与保护水生态环境之间矛盾的一种措施;而分层取水叠梁门的设置,将改变电站进水口的水流条件,使其相关水力特性发生变化。本文结合某大型水电站进水口分层取水水工模型试验,对各库水位条件下的叠梁门放置高度、进口漩涡特性、叠梁门上的动水压力特性、叠梁门对电站进水口段的局部水头损失及压力分布特性影响等进行了研究;另外,针对叠梁门这种薄而高的轻型结构,还进行了机组甩负荷对其产生的水击附加压力特性研究;得出了一些规律性的认识,可供采用类似分层取水设施的进水口工程参考。

对拟建水库的长、短旁通洞排沙效果进行了水工模型试验研究,试验中率定了旁通洞的泄流能力;观测了旁通洞进口及洞内流态;测量了长、短旁通洞在正常水位下,宣泄不同流量时的含沙量等.试验结果表明：在闸门全开情况下,长、短旁通洞的泄流能力均超过200m3/s;在输沙模数1200t/km2考虑下,长旁通洞方案中水典型年过机年平均含沙量为51.3g/m3,短旁通洞方案中水典型年过机年平均含沙量为59.0g/m3.研究结果证明：长、短旁通洞泄流能力均满足分流要求、旁通洞进口段与导流洞结合段无不良流态、短旁通洞的输沙能力略优于长旁通洞方案.

对拟建水库的长、短旁通洞排沙效果进行了水工模型试验研究,试验中率定了旁通洞的泄流能力；观测了旁通洞进口及洞内流态；测量了长、短旁通洞在正常水位下,宣泄不同流量时的含沙量等。试验结果表明:在闸门全开情况下,长、短旁通洞的泄流能力均超过200m3/s；在输沙模数1200t/km2考虑下,长旁通洞方案中水典型年过机年平均含沙量为51.3g/m3,短旁通洞方案中水典型年过机年平均含沙量为59.0g/m3。研究结果证明:长、短旁通洞泄流能力均满足分流要求、旁通洞进口段与导流洞结合段无不良流态、短旁通洞的输沙能力略优于长旁通洞方案。

本文通过对乐昌峡水电站进行过渡过程计算与分析,提出了一系列优化方案,总结了常规电站尾水系统过渡过程的计算经验,为同类工程提供借鉴。

通过物理模型试验,测试了发电和抽水两种工况下惠州抽水蓄能电站上库进出水口的流速分布、各通道流量分配、进出水口水头损失及入流漩涡等水力参数,并对库盆流态进行了观测.试验结果表明,惠州抽水蓄能电站上库进出水口及引水隧洞的体型布置是基本合理的,可供其他类似工程初步设计时参考.

针对布仑口水电站水力学模型试验中导流兼泄洪冲沙洞消力池中出现远驱水跃,而常规解决办法都有不同程度副作用的问题,根据工程的实际情况,采用控制消力池尾坎位置的方法,通过1∶40水力学模型试验,提出将尾坎往上游移动5m,将尾坎始段位置与渐变段始段错开,从而提高跃后水深。试验结果表明,这种措施可以使消力池形成良好流态,从而避免远驱水跃,解决消力池流态问题、消能问题,还可稍减小工程量。

本文结合大树子抽水蓄能水电站下库进出水口试验任务,对侧式短进出水口在不同工况下的流速分布、水头损失、库区流态等水流特性进行了水力模型试验研究。对原设计体型成功进行了优化,使各项水力参数达到比较理想的效果,解决了抽水蓄能电站侧式短进出水口在出流时流态分布不均匀与水头损失系数偏大的难题。

为满足下游河道的生态需要,某电站拟通过设置多重导水叠梁门,采用分层取水进水口引水发电.通过水工模型试验,对进水口水流脉动压力进行测试,分析了分层取水进水口脉动压力的大小与分布规律,验证了这种设计方案的可行性,并为分层取水进水口的结构设计提供了荷载依据.

龙开口水电站水库调节库容较小,具有日调节性能,采用坝顶开敞式溢流,下游采取挑流消能方式.坝址处河床狭窄,洪水期泄洪流量大且泄流频率高,是很典型的高坝、大单宽流量泄流枢纽.对于此类工程,消能防冲是需要解决的主要问题.以水工断面模型试验为手段,以堰面流态、水舌形态及冲坑尺寸作为判别标准,通过多个试验方案的分析比较,阐明宽尾墩挑流联合消能方式运用于此工程的优越性,并对宽尾墩的两种体型进行比较,对宽尾墩的具体尺寸进行了适当的优化,提出了消能防冲最优的宽尾墩型式和具体尺寸参数,为设计提供了有力的依据.

根据水电站水力过渡过程物理模型相似率,建立了构皮滩水电站带模型机组和模型调速器的整体物理试验模型,通过大波动、小波动和水力干扰过渡过程试验,得到了详细的水锤压力、调压室涌波、小波动和水力干扰特性参数,为工程设计提供了可靠依据。

通过1∶40的整体水工模型试验,对某水电站表孔溢洪洞的泄流能力进行验证。通过观测分析各工况下表孔溢洪洞进口控制段流态、水深、流速,得出水位~流量关系曲线以及水位~流量系数关系曲线。根据试验结果,对原设计方案进行优化设计并提出合理化建议,消除了泄流过程中的不利流态,使泄流能力达到设计要求。

福生水电站采用底流式消力池消能。其特点是水头低、流量大,是典型的低佛氏数消能,加之自由溢流坝、翻板门泄水闸、冲沙闸联合泄洪,因此翻板门运行工况有无限制、泄流能力及消能效果能否满足设计要求就需要进行深入研究。经过断面模型试验,优化了辅助消能工布置,改善了流态,缩短了池长,提出了翻板门小洪水工况下的不稳定流范围,为设计提供了依据。

根据工程建设的需要对某泄水陡坡进行水工模型试验,验证其总体布置和建筑物结构布置的合理性,分析原设计体型存在的主要问题,对泄水陡坡体型进行优化,且在消力池内设置了消能悬栅,并进行体型优化试验。试验表明,优化后的泄水陡坡过流能力满足要求,消力池内悬栅的设置,改善了消力池内的水流流态,工程总体布置和建筑物结构布置合理。

惠州抽水蓄能电站下库采用侧式进出水口,一期尾水隧洞与进出水口采用同轴线布置,二期尾水隧洞在平面上布置有一弯道。通过物理模型试验对下库进出水口水力特性进行研究,测试包括发电和抽水两种工况下进出水口流速分布、各通道流量分配、进出水口水头损失及入流漩涡等水力参数,通过多方案比较,解决了下库出水口流速分布不均和出流偏流等问题。

本文针对拉西瓦水电站引/尾水管道系统,修建了一个大比尺(1/50)且部分正态、部分变态的物理模型,并通过调频电机改变导叶启闭时间,观测了机组增甩负荷时压力管道内的水流流态、水头损失、调压室涌浪及涡壳进口处的水锤压力过程线。利用模型试验实测资料,率定出调压室阻抗孔局部阻力系数的计算公式,使数值计算得到的调压室涌浪、引/尾水管道水锤压力及其过程线与模型试验吻合良好。再用数值计算弥补物理模型不能回答尾水管进口最大真空度以及模拟非线性关闭的缺陷,提出了物理模型设计可放弃弹性相似准则的结论,使模型材料不受限制。计算在缺乏水轮机特性曲线的条件下,数值求解转动方程也可得到机组最大转速及其过程线。

针对龚嘴水电站增容改造后在低负荷状态运行时存在压力脉动和噪声较大的问题,采用大轴中心孔补气模型试验方法,在1号机组开展顶盖强迫补气试验,并在真机上进行了验证。试验结果表明:选择合适的相对补气量时,压力脉动的混频和主频相对幅值均显著下降,对降低部分负荷区域的压力脉动和噪声具有很好的效果。该方法对其他中低水头电站的尾水管补气措施有一定参考价值。

结合某贯流泵装置模型试验,研究了转轮出水口的压力脉动情况。研究表明,转轮出水口压力脉动的统计参数绝对值随着扬程的提高而增大,相对值在最优效率区时最小;出水口存在与转频相关的脉动。一定叶片角度,不同扬程下,当流量小于该角度下最高效率点的流量时,出水口出现低频压力脉动,脉动表现为某个低频及其倍频。

采用1:40减压模型,通过测试流态、水下噪声和脉动压力等水力参数,对亭子口水电站闸墩尾部跌坎式底流消力池的空化空蚀特性进行了研究。成果表明:闸墩尾部区域存在强度为发展阶段的剪切流空化,采用8.00m高度的跌坎消力池后,消力池底板空蚀破坏的可能性较小;但消力池边墙与闸墩内壁侧扩距离较小时,边墙空蚀破坏的可能性较大;消力池边墙与闸墩内壁侧扩距离增至4.20m时,边墙空蚀破坏的可能性显著降低。

本文采用模型试验的方法对三峡水电站蜗壳及外包混凝土结构进行研究,主要研究蜗壳在充水加压条件下浇筑混凝土后结构的受力状态和破坏规律。通过试验,初步弄清了蜗壳、混凝土和钢筋三者之间的受力关系。试验结果表明:在设计荷载下,蜗壳与外包混凝土可以共同受力,配置的钢筋起的作用较小,结构的安全性可以得到保证。

泄水陡坡在压力前池中占据较重要位置,其布置形式应满足地形、地质及排冰泄水等要求。哈峡加尔水电站位于天山西部北坡,冬季寒冷积雪较深,压力前池采用正向排冰侧向分层引水的布置形式,泄水陡坡采用三级消力池消能,并结合悬栅辅助消能工,消能效果显著,满足设计要求。

竖井式进出水口在抽水蓄能电站上库的应用和研究情况在国内较少。本文结合某抽水蓄能电站上库模型试验任务,利用模型试验及数值计算方法,对某体型进出水口的发电和抽水各种工况下的进出水口流速分布、水头损失、旋涡等水流特征进行了分析研究。从堰型和防涡梁角度进行了体型优化,提出了阶梯防涡梁的优化体型。该研究内容,对于双向水流的流道研究,具有重要的参考价值。

瓦斯河龙洞水电站是以发电为单一开发目标的引水式电站,随着时间推移电站需经历近期到远期两种不同库水位运行条件,因此,电站设计阶段,其取水防沙措施必须兼顾拦沙、拉沙、导沙等设施的近期和远期两种运行条件,并能节省投资和方便未来施工改造,这在一定程度上增加了优化设计和模型试验的难度。通过水工模型试验研究,开展了该电站不同时期引水防沙的研究,并对枢纽导沙、防沙设施布置及结构尺寸进行了优化,从而较好解决了电站的引水防沙问题,也为以后类似的需分期运行的电站如何处理好不同时期的泥沙问题提供一定的参考。