高水头、小底坡泄洪中孔掺气坎体形优化与运行实践

高水头、小底坡、水位变幅大的掺气设施体形优化难度大。某水电站泄洪中孔最大水头达92.37 m,底坡仅5.0%,运行水位变幅为11.37 m,掺气坎体形是设计难点。基于1∶40的单体水工模型试验,对掺气坎的体形进行了系列优化,获得最终推荐体形。研究表明:采用“坎下局部变坡+小挑坎+掺气槽”的设计,能满足高水头、小底坡、水位变幅大的泄槽掺气要求,各道掺气坎均能形成稳定空腔,掺气效果较好;掺气挑坎的细节尺寸对掺气效果极为敏感;建议建立掺气空腔与其影响因子的数学分析模型,以获得掺气坎优化体形的最佳解。该工程目前已运行近7年,总体效果良好,但突扩突跌后的侧墙发生了局部空蚀,表明对高水头泄水建筑物,宜同时采用减压模型全面、充分论证其局部空化特性。

小底坡泄洪洞掺气减蚀设施体型试验研究

本文以大渡河金川水电站泄洪洞为例,通过闸门不同开度,对泄洪洞掺气设施体型的试验研究比较,得出了适合小底坡泄洪洞的掺气设计体型,其不仅能形成稳定的进气空腔,较好地解决了空腔的回水问题,而且对水流干扰很小,不影响洞内水流流态。

泄洪洞变底坡掺气坎掺气特性研究

针对高水头小底坡泄洪洞采用常规挑(跌)坎存在的空腔回水现象严重、稳定性差、水头变幅适应性差等问题,通过模型试验的方法,结合如美水电站放空洞,对“挑坎+平缓坡+陡坡”的变底坡形式掺气坎进行系统研究,揭示了变底坡掺气坎各部位(挑(跌)坎、平缓坡段以及陡坡段)对掺气空腔的影响机理。结果表明:在水位大幅变化过程中,变底坡掺气坎对应的空腔充满回水的临界水头值为73.5 m,比常规掺气坎提高了29.4 m。研究结果可为高水头小底坡泄洪洞的掺气设施布置提供参考。

小底坡泄洪洞突扩突跌掺气坎水力特性

小底坡条件下,在高水头有压弧形门后采用突扩突跌体型兼作掺气措施使用时,掺气空腔容易积水,而且主流水舌受侧墙挤压后越出水面,形成较高折冲水翅现象。采用流动特征分析与模型试验相结合的方法,认为空腔积水及折冲水翅的主要原因是两个"积水源"和一个"退水机制",强调了使射流冲击角最小化对空腔稳定及消除水翅问题起关键作用。在试验结构优化及对比分析的基础上,给出一种局部变坡消退空腔积水及改善折冲水翅的方法,同时探讨了底空腔及侧空腔的相互关系以及掺气效果的影响因素。结合具体工程,验证了优化体型沿程掺气浓度及对运行水头的适应能力。

猴子岩放空洞掺气减蚀措施研究

猴子岩放空洞具有高水头、小底坡的特点,明流段底坡仅为0.052 8,掺气坎后难以形成空腔,经3组优化体形方案对比,考虑下游流速较小,提出对上游段局部加陡变底坡设三级掺气坎的方案,具体为中闸室出口处采用突扩突跌、随后两级为挑跌坎的形式,获得了稳定的掺气空腔,起到了良好的掺气保护作用。对优化后的体形校核工况进行了三维数值模拟,并对水面线、流速、压力、空腔进行了计算,计算值与试验值符合良好。

猴子岩放空洞体型优化后的数值模拟

猴子岩放空洞具有高水头小底坡的特点。通过标准k-ε紊流模型,对体型优化后的放空洞进行了三维数值模拟。对水面线,压力、流速沿程分布,空腔形态及挑距的模拟结果与试验值符合良好;并计算了水流空化数,验证了掺气坎设置的合理性。在体型优化过程中,可以采用数值模拟对体型进行初选。

古水水电站放空冲沙洞掺气减蚀研究

高水头大泄量泄洪隧洞常因空蚀而遭到破坏,古水水电站放空冲沙洞最大水头175.4m,最大泄量2 100m^3/s,且隧洞布置受下游滑坡堆积体影响,隧洞长度较长,底坡较小,掺气难度较大。对古水水电站放空冲沙洞掺气设施设计及模型试验、抗冲耐磨混凝土材料、过流面不平整度控制进行介绍。