转弯河段重力坝组合挑流消能建筑物体型优化试验研究

针对某大型水电站采用组合挑流消能方式时其消力池下游河道转弯、水流归槽难等问题,对2种泄洪消能建筑物体型布置方案的水力特性开展对比试验,获得挑流水舌及入水形态、消力池内流态及出池水流衔接等水力参数;通过体型优化,获得了满足设计要求的推荐方案,消除原设计方案中消力池底部冲刷严重,出池水流偏离主河槽且与下游河道衔接不佳,河道水位波动较大等不利水力学条件.     

深圳市大沙河4号橡胶坝消力池内辅助消能工形式及布置试验研究

通过深圳市大沙河4号橡胶坝消力池水工模型试验，获得了水流流态、河道断面流速分布等试验成果，分析了消力池左岸预制块护坡产生滑坡破坏的机理，对消力池内辅助消能工形式及布置作了比较分析，河道主流偏左、冲刷左岸现象得到控制。     

某水电站泄洪底孔消能工体型优化

针对某水电站消能区狭窄、左岸水电站尾水渠易受到影响的问题,为了将水舌导向消力池中央,进行了挑流导向方案和面流扩散方案体型优选,最终推荐体型为面流扩散式消能工,并采用模型试验和数值模拟相结合的方法对原设计体型和推荐体型的流态、底板时均压强、脉动压强、流速分布、冲刷特性和消能率进行了对比研究.结果表明：原设计窄缝方案消能效果良好,但水舌主流集中在左右岸两侧,造成了两岸局部冲刷;而面流扩散式方案使下泄水流形成自由面流流态,并快速扩散至整个河道,消能区扩大,有效地降低了底板时均压强、脉动压强、临底流速,且流速和压强分布更加均匀,使得下游河道的冲刷坑深度减小了34%,冲刷范围减小了35%,保障了左岸水电站的安全运行,推荐方案可为类似工程提供参考.     

水利工程溢洪道底流消能水力特性分析

合理地选择溢洪道建筑物消能型式,是关系到整个水利工程安全与经济的重要问题.通过溢洪道设计规范进行消能方式水力学计算,结合物理模型试验对传统底流消能与跌坎型底流消能水力特性进行了对比分析,结果表明：传统底流消能在校核洪水下泄流量时,底流消能方水流进入消力池后产生一定程度的远驱式水跃,消力池消能主要位于消力池后部,消力池后部及出口水面壅高较大,且波动剧烈,没有形成相对稳定的消能水体,消力池消能效果不佳,需要增加消力池长度;跌坎型底流消能消力池底板高程降低1 m时,临底流速较底流消能得到大幅度降低,池内水流扩散充分,剪切明显,消力池后段形成了稳定的水体,消能效果良好,出水渠内水流流态得到改善,难以对消力池产生冲刷破坏.跌坎型底流消能空化数增大降低了空蚀发生概率,可避免消力池产生空蚀破坏,最大水跃位置向前移动7 m,水流不会冲击底板和尾坎,水流垂直溅起,因此消力池内流态稳定,雾化影响较小,其具有适应性强,消能效率高、流态稳定等优点.     

弯曲河道上底流消能工布置试验研究

传统的底流消能工常布置在顺直河段,针对受实际条件限制必须在弯曲河道上布置底流消能工的技术难题,基于某水库工程的物理模型进行了试验对比研究。试验结果表明,所提出的主、辅两级消力池与导流消力墩这一消导结合的消能工结构在弯道段水流流态、消力池回流强度、弯道段坡脚冲刷强度等水力指标方面均优于传统直线型消力池布置方案和曲线型跌坎消力池布置方案,解决了弯曲河道段布置底流消能工的技术难题。     

平原进洪闸消能试验研究

某进洪闸改建方案模型试验表明，消力坎式消力池消能所需下游水位与较低的设计下游水位不能平顺衔接。通过多组试验，研究分析了多种因素（消力坎高度、消力池长度、消力池底高程、是否设消力坎等）对解决下游水位衔接问题的影响。试验表明：保留消力坎时，消力池护坦长度和消力坎高度的有限调整，不会使跃后水深出现大的变化，不改变原消能形态；去掉消力坎形成无坎一级消力池，从根本上改变了原消能形态，在消力池内呈现正常消能形态，与下游水位连接平顺；无坎一级消力池池底高程少量抬高，基本不影响消能形态，仍能呈现正常水跃消能。因此，提出了无坎一级消力池的有效解决方案；并为该进洪闸及滞洪区提供了安全合理的运用方式。     

导流兼泄洪冲沙洞消力池体型优化及河床冲刷研究

导流兼泄洪冲沙洞中消力池经常存在水跃波动范围不稳定、水流跃出边墙等问题。为获得良好的消能防冲效果,通过数值模拟与物理模型试验相结合的方法,对导流兼泄洪冲沙洞泄洪过程的流体运动进行研究,获得流场水力性能参数以及下游河床冲刷情况,分析不同方案对消力池水力特性的影响并进行物理试验验证。结果显示：消力池末端在增设矩形尾坎后水流流态得到改善;同时池内进出口流速降幅最大为7.66 m/s,而压强分布均匀、无负压产生,且消能率达到80.60%。在设计和校核工况下,增设矩形尾坎后河床冲坑范围相较于原方案分别减少12.20 m和13.30 m,其最大冲坑深度分别较原方案减少0.48 m和1.00 m,对下游防护效果明显。研究表明：所设的体型优化方案均能有效的提高消力池的消能效果,在增设矩形尾坎后流场分布均匀且减轻下游河床冲刷的效果最佳。该研究成果可为导流兼泄洪冲沙工程提供参考。     

拦河闸下游消力池陡坡段阶梯布置和研究

拦河闸下游河道河床下切、水位降低之后,其下游消力池需改造或重建,或者在保留现状消力池条件下,在现状消力池下游修建二级消力池,以确保拦河闸泄流的消能及其上、下游水流衔接过渡。通常,可在一级消力池下游陡坡段设置不连续的外凸型阶梯,增大陡坡段泄流消能率,以减小下游二级消力池的规模,节省工程投资。本文结合现有的研究成果,对拦河闸下游两级消力池之间陡坡段的外凸型阶梯布置和水力计算方法进行分析,并给出相应的算例,供类似工程设计参考。     

自由出流的拦河水闸消力池计算探讨

拦河水闸下游消力池尾坎自由出流时，其下游河床水深ht往往小于相应的临界水深hk，消力池水力计算无法满足相关水闸设计规范水力设计的要求。目前，有关自由出流拦河水闸消力池的水力计算方法尚不够完善，给工程设计带来极大的不便。在总结有关水闸下游消力池研究成果的基础上，在假设自由出流的消力池下游河床水深ht等于临界水深hk的条件下，对自由出流的消力池尾坎高度计算进行探讨，提出了相应的计算方法。研究成果得到了水力模型试验研究的验证，具有计算较方便的特点，可供类似工程设计和运行参考。     

沙沱水电站宽尾墩联合消能工的应用研究

针对沙沱水电站泄洪量大、堰上水头高、单宽流量大的特点,分析了“宽尾墩＋台阶坝面＋戽式消力池”联合消能工的水力特性,通过模型试验对其消能效果进行了观测研究。试验结果表明：该消能方案在典型工况下消能充分,出池水流衔接平稳,下游河床无明显冲坑,满足通航要求,它既保持了大流量时宽尾墩的泄洪消能特点,又兼顾了台阶坝面小流量时的消能优势,并且采用台阶坝面使碾压混凝土一次成型,减少了工程量,缩短了工期,节省了工程投资。     

小型闸涵尾水拱网消能试验研究

拱型网板（简称拱网）是设置在消力池里的辅助消能工，它具有良好的水力特性和消能效果，模型试验和原型观测结果表明，消力池中设置拱网可大大降低消力池的规模和工程费用。研究了影响拱网水力特性的几个参数和拱网的消能率。基于模型试验和原型观测结果，给出了确定网高和网距的经验公式。经几个工程应用结果表明，经验公式与实际是相符的。     

掺气坎组合首级台阶对阶梯溢流坝面的影响

为了避免阶梯溢洪道中前几级阶梯表面发生空蚀破坏,在对阶梯溢洪道的设计中加入掺气坎,形成前置掺气坎式阶梯溢洪道.通过对Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的联合消能工过渡阶梯首级台阶台面取4个角度、前置掺气坎取2个角度共8种组合工况分别进行水工模型试验,改变水库流量,从空腔长度、水面线、负压、底板时均压力、消能率等方面,寻找改善水力特性的过渡台阶衔接体型.结果表明:掺气空腔随着首级阶梯台面角和掺气坎增大,与阶梯坝面分离空间更大,水流挑射更高,空腔更长且工况2的空腔长度均大于工况1的空腔长度;随着掺气坎和首级阶梯台面角增大,溢流坝阶梯面最大负压绝对值减小;消力池底板压力和水面线变化不大,消能率增大.在8个方案中,前置掺气坎角度为10°、首级阶梯台面角度0°时的方案5最优.     

薄山水库输水道消能工气蚀研究

河南省薄山水库输水道出口消力塘采用四级消能工进行消能。 由于高速水流产生的气蚀破坏,消能工遭到严重破坏。为解决此问题,进行了水工模型实验。根据实验资料,决定采用坡顶墩替代原三角形分水墩。经运行多年,消能情况良好。另外,对气蚀破坏的原因及处理改善措施作了比较完整的论述,并对高速水流消能工的设计及运行管理提出了一些建议。     

水电站沉沙池沉沙工况水力特性研究

结合国外某水电站工程,通过物理模型对水电站引水沉沙池的水力学特性进行试验研究,通过试验资料深入分析了沉沙池内水流的流态特征,流速分布等水力特性,并通过在沉沙池工作段首部加设整流栅,对入池水流进行调节,使沉沙池内水流流场分布均匀,使调节后的流场分布更利于泥沙的沉降,研究成果为工程设计提供了重要的技术支撑。     

高水头阶梯溢流坝掺气坎体型优化试验研究

针对阶梯溢流坝前端设置掺气坎,以提高坝面减蚀能力与坝体消能率的研究理论尚不成熟的现状,通过9组不同掺气坎的水工模型试验,采用极差与方差分析方法得出了掺气坎角度与高度对阶梯溢流坝联合消能方式水力特性的显著性影响.试验结果表明:与掺气坎高度相比坎角度对台阶面最大负压影响较大.掺气坎角度为11.3°,坎高度为1.0, 1.3 m时,台阶面最大负压最小,分别为-9.25 kPa, -8.56 kPa;掺气坎角度对影响反弧段时均压强的显著性不如掺气坎高度,而两者对消力池最小时均压强的显著性影响相差不大.当掺气坎角度为11.3°,高度为0.7, 1.0 m时,上游水流对下游的冲刷强度较小,水体掺气充分,反弧段最大时均压强分别为424.44, 431.73 kPa;根据坝体消能效果,掺气坎高度是影响阶梯溢流坝消能率的主要因素.根据各因素综合分析,推荐掺气坎角度为11.3°,高度为1.0 m时为最优坎型,其消能率为53.63%.     

Model Studies on Stilling Basins for Pipe Outlets

This paper reports on model studies on energy dissipatorswhich were performed with a view towards developing a shorterand more efficient type of stilling basin for circular pipeoutlets at low Froude numbers. The stilling basin models weretested for two pipe outlet diameters. The outlet Froude numberfor testing ranged from 1.70 to 5.50. The studies reported inthis paper expand on the improvement suggested by Goel andVerma (1999). In all, 133 test runs were made on 19 newmodels. Various configurations of stilling basin models withdifferent sizes, shapes and locations of appurtenances andbasin lengths were tested. The use of a wedge-shaped splitterblock, an impact wall, and the use of wedge-shaped blocks asbaffle blocks resulted in efficient energy dissipation inshorter lengths of stilling basin. A non-dimensional numbertermed as scour index has been used to compare theperformances of various stilling basin models. It was foundthat the length of stilling basin could be reducedconsiderably without affecting the performance by choosing asuitable configuration of the stilling basin. Of theconfigurations tested, the stilling basin model M-24 with tworows of wedge-shaped baffle blocks in a basin length of sixtimes the diameter of pipe outlet (6d) performed better incomparison to USBR impact type VI stilling basin.     

格栅式底流消能工掺气浓度分布规律

格栅能够有效改善底流消能效果,减轻或者避免消力池底板发生空蚀破坏。通过水工模型试验,研究圆孔Γ形格栅不同开孔率下栅前、栅后掺气浓度变化。试验结果有以下3个方面。①消力池附壁射流区掺气浓度纵向沿程递减,格栅附近有突变;垂直轴线方向,掺气浓度中部大两侧小,峰值出现位置和入射水股主流位置正相关;竖直方向上,1/2水深以下栅前掺气浓度沿高度增加明显,栅后的变化则明显趋缓。②增设格栅后,消力池距离进口5和30 cm位置的栅前掺气浓度值陡增41.11%和26.82%（开孔率34%）;格栅开孔率由46%减小到22%,格栅上游侧（6#断面）掺气浓度由37.75%下降到20.32%,格栅下游侧（7#断面）掺气浓度由20.47%下降到8.78%。③增设格栅,栅后近底掺气浓度值（靠近边墙位置）最小也能达到6.06%,并且测点流速不大,意味着包括格栅在内的消力池结构不易发生空蚀破坏。      

泄洪闸胸墙压坡段的数值模拟

采用RNG k-ε紊流数值模型对具有不同坡度的胸墙压坡段的泄洪闸出口水流进行了三维数值模拟.通过数值模拟计算得到了具有4种不同坡度的泄洪闸胸墙压坡段的流线、流速和压力,并对比分析了胸墙压坡段坡度变化对泄洪闸泄流能力、水流脱壁情况、负压分布区域的影响情况.研究结果表明:随着胸墙压坡段坡度的增大,虽然闸口的泄流能力减弱,但是出口水流的脱空长度和脱空高度变小,也即增大胸墙压坡段的坡度使得出口水流的脱壁现象减弱直至消失;胸墙压坡段内的负压最值及负压的分布区域均随着坡度的增大而变小.在泄洪闸胸墙底缘压坡段的设计过程中要避免平坡式链接,可通过合理的方式比选出适用于自身工程的压坡坡度,有利于提高消力池的消能效率,避免压坡段的空化空蚀,从而增强了工程的安全性.研究方法和结果对类似工程的优化设计及安全运行具有一定的指导意义.