角木塘水电站非完全宽尾墩联合消能工应用与研究

角木塘水电站具有洪水量大,上下游水位低、大单宽流量、低佛氏数、底流消能率较低的特点。在5孔溢流表孔坝段内,受闸室束窄影响,行洪断面设计单宽流量大,选定满足要求的消能防冲布置方案设计和试验难度均较大。角木塘水电站创新采用非完全宽尾墩联合消能工结构,有效解决了其运行安全可靠和消能稳定,本文对其非完全宽尾墩联合消能工应用进行了详细分析和说明。

低水头非完全宽尾墩三维流场数值模拟

为解决常规物理模型试验受观测手段限制难以全方位研究深尾水消力池内水力学参数的问题,借助RNGk-ε紊流模型结合VOF方法对比研究深尾水作用下平尾墩及非完全宽尾墩试验方案下游消力池内流场变化,并揭示非完全宽尾墩消能机理.研究结果表明:受溢流堰纵向长度及下游消力池内深尾水限制,平尾墩底流式淹没水跃逼近溢流堰顶,消力池内消能紊动不足,出池水流形成强烈二次水跃;非完全宽尾墩则束窄部分溢流堰闸室过流断面促使形成纵向拉伸挑射水舌,利用各相邻闸室非对称出闸水流、增强消力池内入池水流横向流速梯度和水位落差,加剧消力池内入池水流横向扩散、交汇,在消力池上游区域形成由底层至表层的大幅度立轴旋滚,显著增强消力池内能量耗散,降低出池水流流速,取得较好的消能效果.

角木塘水电站非完全宽尾墩联合消能试验研究

角木塘电站最大单宽下泄流量达到211.2（m^3/s）·m,溢流堰前后最小水头差H仅有5.39m,属于典型的大单宽泄流量、低水头闸坝工程,此类工程往往具有低佛氏数、下游深尾水以及消力池内消能不充分等问题.结合物理模型试验,针对原跌坎消力池内尾水较深、入池水流剪切、摩擦紊动不足、消能效果较差等问题,提出趾墩等常规消能工以及非完全宽尾墩联合辅助消能工,并得出以下结论：非完全宽尾墩利用相邻闸室非对称挑射水舌,增强入池水流横向扩散,加剧消力池内水流紊动,有效调整消力池内下泄水流流场分布,明显消除原设计方案出池水流二次水跃,出池流速由原设计方案7.23m/s降低至4.43m/s,校核工况及常遇工况消能率由原设计方案的9.03%和33.03%分别提升至20.47%和58.75%.该方案能取得良好的水流流态和消能效果,可为类似低水头、大单宽流量工程提供参考.

非完全宽尾墩消能机理数值模拟

为研究一种联合消能结构——非完全宽尾墩、消力池和梯形墩相结合的结构在低Fr数下的消能机理,采用模型试验和数值模拟方法对河南省出山店水库泄洪表孔进行研究.数值计算所得水面线与模型试验所测结果吻合良好,说明数值模拟的可靠性.通过对宽尾墩和平尾墩消力池内部流场的对比分析,得到非完全宽尾墩提高消能效果的机理:非完全宽尾墩能使水流横向扩散的空间增大,增强消力池首部水流的立轴旋滚;消力池内存在较大的横向速度梯度,产生剧烈的紊流剪切和横向流动.相对于平尾墩消力池,宽尾墩消力池能较好地控制出池水流的流速及流态,减少下游河岸冲刷,在设计时可以予以参考.

出山店水库表孔低水头大单宽流量消能方式研究

由于出山店水库下游河床水位低且水深变幅较大,能量较为集中,对下游冲刷严重,传统消能方式很难满足工程需求。本文结合出山店混凝土坝下消能防冲实验研究成果,对宽尾墩的水流特点、掺气特征、消能效果等进行了探讨,再通过数值模拟得出的水面线计算成果与实验结果吻合良好。最后,经过模型试验、数值模拟的结果进行比选,得出溢流表孔采用底流消能同时联合T型墩、非完全宽尾墩等辅助消能方式的消能率有所提高,消能效果提升明显。本研究可为类似的低水头、大单宽流量、低佛劳德数水库消能设计与试验研究提供参考。