明流泄洪洞弯道水力特性及出口消能的试验研究

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泄洪洞作为一种泄水建筑物在水利枢纽工程中普遍存在,通常以直洞存在,但也有因为地形,地质,工程结构等条件的限制,泄洪洞必须设计成有弯道存在的形式。本文所研究的泄洪洞是某已建成的泄洪洞,其中洞身段就存在弯道,在弯道中由于离心力的作用,弯道水流横向水面高差显著,水流流态复杂,流速分布不均匀,并伴随着急流冲击波的影响,因此泄洪洞弯道水流的研究具有实际应用意义。  本文结合工程实例,通过物理模型试验,对泄洪洞弯道水流的水力特性进行研究,并对该工程出口挑流消能进行研究。试验观测了泄洪洞弯道水流的水流流态;测量工作闸门全开各种运行工况即校核洪水位、设计洪水位、正常蓄水位、死水位的四个运行水位沿程水面线、流速、压力(泄洪洞弯道段)的水力参数;并根据物理模型的试验数据,对弯道段设计进行分析,得出了弯道段存在的水力学问题,对弯道段的运行方案进行优化,改善弯道水流流态;导流泄洪洞出口形式采用普通对称扩散挑坎,通过模型试验,确定体型并验证挑流消能效果可满足本工程的消能要求。  本文主要成果:  (1)该工程原方案导流泄洪洞弯道存在以下几方面问题,弯道段及下直洞段水流流态很差,弯道内出现螺旋流,各运行水位过水断面尺寸偏小.弯道外侧最大水深超过洞顶高度7.3m,同时弯道内外最大水面差为6.25m。  (2)针对出现的问题,通过弯道中加设导流坎的方式,使得弯道段及下直洞段水流流态明显改善,洞子尺寸满足要求,但在斜导流坎的右边侧壁、导流坎后面的底板、导流坎的顶部出现负压,且负压值很大,工程不敢采用。  (3)由于洞子已经建成,要想通过改变洞子尺寸或改变弯道曲率半径来解决弯道存在的问题不现实。所以,将闸门开度进行了调整,由原来的全开3.2m改成闸门下压至2.8m,校核水位时下泄流量从346.47m3/s降到266.68m3/s,洞子尺寸基本满足要求,虽然水流流态仍较差,但较闸门全开3.2m得到较大改善。  (4)原方案泄洪洞挑坎水流在较大范围内不能起挑,下直洞段从挑坎至上游较大范围内出现压力流,优化方案中两种挑坎的挑坎水流能完全起挑,挑射水流落点在河床中心左右,能满足本工程的消能要求。
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