掺气坎体型设计对溢洪道水力特性影响研究_程华进.pdf
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1、101第 46 卷 第 02 期2023 年 02 月Vol.46No.02Feb.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation1 引言溢洪道作为水工建筑中代表性泄流建筑1,2,其设计不仅需要考虑结构静力状态,也不仅仅需要综合考虑溢洪道动力响应特征,溢洪道发挥水利功能的关键离不开防蚀消能,因而防蚀降冲设计较为重要。王康柱3、黄桂兵 等4为探讨溢洪道结构设计可靠性,采用 CFD 等三维流场计算平台,研究了溢洪道断面上流速、压强以及水面线等水力特征变化,从掺气坎高度、挑角等因素开展设计研究对比。模型试验不仅可以
2、在渗流场分析中得到应用,也可有助于溢洪道结构体型设计,何志亚 等5借助水工物理模型试验方法,开展溢洪道溢流阶梯设计工艺、挑坎增设以及宽尾墩设计等试验分析,从水工模型试验结果研判溢洪道防蚀消能的设计合理性。本文为研究蓄能电站溢洪道防蚀消能构件的布设方式,采用水工模型试验方法开展了掺气坎布设方案下溢洪道沿程气相分布、压强特征分析,为溢洪道掺气坎截面体型设计提供依据。2 模型试验介绍2.1 工程概况西北清河抽水蓄能电站位于中国第一阶梯与第二阶梯交界位置,降水丰富,地表发育较多植被,水沙防护效果较佳。该抽水蓄能电站包括有拦水主坝、拦沙坝、泄洪洞以及溢洪道等水工建筑,图 1 为该蓄能电站溢洪道几何设计剖
3、面、平面图。该溢洪道上游采用弧形压杆式钢闸门,占据主轴 30 m,溢洪道全轴长为 203.6 m,引水段与出水段高程差达 56 m,溢流阶梯坡度为 25.94%,泄槽段均为均匀式台阶设计,尾渠段坡度较高,达 40%,占据轴长 58.6 m,进水口引渠段为 30 m,敞口式体型,过渡段首级阶梯未增设前置掺气坎,在下游设置有挑流鼻坎构件,利于下游消力池的防冲降能。作为清河抽水蓄能电站的关键工程,溢洪道安全运营离不开消能防蚀设计,工程管理部门考虑对该蓄能电站溢洪道的降能防蚀设计开展模型试验研究。2.2 模型试验从蓄能电站溢洪道消能防蚀设计入手,上、下游河道高程分别设定至 950 m、875 m,相似
4、比尺为 50,建立的室内溢洪道物理模型如图 2 所示。按照模型试验理论2,5,本试验中流量比尺为 8 000,所模拟的消力池主轴全长为 20 m,宽度为 2.8 m,池内坡度1/0.45。收稿日期:2022-08-06作者简介:程华进(1988-),男,工程师,从事水利工程设计工作。掺气坎体型设计对溢洪道水力特性影响研究程华进1,王亚妮1,徐 静2,樊 鑫1(1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司,江苏 淮安 223005;2.嘉禾项目管理淮安有限公司,江苏 淮安 223001)摘 要:为研究蓄能电站溢洪道消能防蚀构件的最优化布设方式,设定了不同泄流量下溢洪道水工模型试验,基于水力参数试验结果分
5、析了四种掺气坎布设方案下技术利弊性。试验结果表明,A、D 方案掺气浓度值水平分别为最低、最高,而两者时均压强分布分别为最高、最低。研究得到 A 方案掺气浓度受影响更显著,空蚀效应显著,D 方案下抗动水冲击效果更显著。分析得到 A、B、C 三方案沿程时均压强在高、低泄流量工况下分布变化具有差异,而D 方案保持一致。综合认为 D 方案开槽降挑角对水工建筑防蚀消能更有设计优势。研究成果可为水工结构消能防冲设计及物理模型试验分析提供参考。关键词:水工模型;掺气坎;溢洪道;水力特性中图分类号:TV732.6文献标识码:B文章编号:1672-5387(2023)02-0101-03DOI:10.13599
6、/ki.11-5130.2023.02.028102第 46 卷水 电 站 机 电 技 术图 1 溢洪道几何设计剖面、平面图图 2 溢洪道物理模型本模型试验中主要研究溢洪道的降能防蚀体型设计,依据同类型溢洪道设计6,本试验中共在溢流面上设置有四种不同的掺气坎布设方式:A 方案为挑角 10、挑高为 0.8 m 的掺气坎布设在泄槽溢流段与尾渠段交界处;B 方案仅在 A 方案的基础上,改变了掺气坎的挑高,为 0.4 m;C 方案的掺气坎设计为凸体截面,中部高度为 0.8 m,两端高度为 0.4 m,使之体型为凸起坎;D 方案在 B 方案的基础,降低挑角为 8,且在坎底部设置槽深 0.6 m,槽底为水
7、平,长度为 1.6 m,槽末端与溢流面底坡为圆弧相接;BD三种设计方案如图 3 所示。各方案中溢流段台阶尺寸均为 25 mm16.67 mm,阶梯数量为 26,各方案中仅掺气坎的布设方式有所区别。不仅于此,本试验按照泄流量限值 13 000 m3/s 的要求,分别设定研究方案中泄流量为4 000 m3/s、13 000 m3/s,试验中基于模型试验流量比尺进行相应的换算。(a)B 方案 (b)C 方案 (c)D 方案图 3 BD 三种典型设计方案3 水工模型试验结果分析3.1 气相分布特征为探讨不同掺气坎布设方式下溢洪道水力特征,基于模型试验监测结果,经处理后获得四种不同掺气坎布设方式下溢洪道
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