浅论掺气设施的消能作用

掺气减蚀设施不仅能有效地减缓空蚀和磨蚀的发生,而且具有一定的消能作用.结合某水电站溢洪道的模型试验研究,分析了溢洪道掺气减蚀工程措施的消能效果,并首次定量地计算了消能率.试验和计算结果表明,在高水头、大单宽流量溢洪道中每道掺气挑坎的消能水头为2～5 m,随着级数的增加消能水头逐渐增加.试验还表明,在满足掺气要求和水流流态平稳的条件下,尽可能多设置掺气设施不仅不会增加工程量,还可以降低泄槽因高速水流冲刷破坏的风险,而且有利于下游消能防冲设计的优化.     

高水头放空洞泄洪消能试验研究与运用

水布垭枢纽放空洞主要承担水布垭工程施工期后期导流及完建后大坝检修时放空水库的任务。它具有水头高、水位变幅大、流速大、运行时间长等特点,经过1∶58水工整体模型多种方案的比较研究,首次提出了一种新型的双曲双槽差动鼻坎消能工形式;经过2007年超高水位、长时间的泄洪运行检验,该消能工成功地解决了放空洞高水头、大变幅、大夹角、窄河谷且地质条件较差的消能防冲难题;同时,该型鼻坎消能工无任何蚀损。     

泄洪洞台阶底面消能减蚀研究

通过新疆甘工程表孔泄洪洞水工常压及减压试验的观测研究，论证了在高流速泄洪洞底面应用台阶减速消能的可行性，探讨了台阶的空化特性，并提出了合理的掺气设施体形。     

我国高坝泄洪消能新技术的研究和创新

60年来,特别是改革开放30多年来,我国的水利水电建设事业得到飞速发展,建成和在建一大批具有世界级水平的大型水利枢纽,为了满足工程建设的迫切需要,向设计提供技术先进、安全可靠的泄洪消能方案,促使我国在高水头大流量泄洪消能技术和高速水流的研究方面达到世界领先水平。本文重点评述我国在高水头、大流量泄水建筑物泄洪消能方面所取得的一些重要研究成果,包括宽尾墩联合消能工、窄缝挑坎消能工、高拱坝水垫塘消能、内消能工和高水头泄洪隧洞掺气减蚀等若干新的研究成果。     

宽尾墩在高坝消能中的研究应用与新发展综述

结合宽尾墩的水力特性，与传统的三大消能工（挑流、底流及戽（面）流）联合组成新型消能工，是我国在消能工中的创新，适用于狭谷、大流量、大功率和地质条件差的水利水电工程，已得到广泛应用，并取得了良好的消能效果。本文对其进行了初步总结。     

三江口水利枢纽工程泄洪消能试验研究

三江口水利枢纽大坝为混凝土薄拱坝，最大泄量为7534m^3／s，泄洪消能问题十分突出。通过1：80的水工整体模型试验对泄洪表孔的布置进行了深入的试验研究，不仅较好地解决了泄洪消能问题、简化了结构布置，并节省了工程量，而且在鼻坎末端采用了偏流扩散装置，改善了流态，也改善了冲坑形态，比蔺汉口坝顶表孔的布置又前进了一步。     

消能工的发展及其在工程中的应用

在水电建设中,高坝大泄量水力枢纽消能防冲是技术难题之一。目前国内外在这方面已有很大的发展,出现了许多形式新颖的消能工。本文汇集了一些有关情况供读者参考。     

高混凝土坝泄洪和消能的研究

在综合分析国内外高混凝士坝泄洪消能设计经验的基础上,全面论述了高混凝士坝泄洪消能的设计原则和消能方式。根据研究成果,提出了高坝泄洪的水流分散程度和冲坑深度两者关系的新见解以及动水压力的控制允许值;在国内首次将可靠度理论用于大型工程的水力设计,深入论证了二滩水电站的泄洪标准;运用模型试验和数值分析等多种手段。全面论证了二滩水电站的泄洪消能布置,优化了各泄水建筑物的体型。采用了新颖合理的消能工和通气减蚀措施;全面论证了下游河道消能区的防护措施,分析了水舌淹没扩散和水垫塘护坦板的稳定机理。还叙述了高坝泄洪雾化机理、坝体流激振动影响和抗蚀耐磨材料研究成果。     

闸后两种消能型式的试验对比研究

新疆渠首大部分修建在出山口位置,夏季河道洪水峰高量大,携带泥沙多、持续时间短,洪水对泄洪闸下游河床淘刷严重,威胁闸室稳定。工程建设中主要采用斜护坦+深隔墙和斜护坦+裙板两种型式进行消能防冲处理。为了分析这两种型式的消能效果,选择塔尔朗渠首工程,通过水工模型试验进行了对比研究。试验反映出,两种消能工都具有较好的消能效果。裙板的倒坡构造还能够使洪水产生部分回流,将河床质泥沙带回齿墙部位,从而减小了齿墙部位的淘刷。为此,试验中重点开展3种结构尺寸的裙板消能试验。试验结果表明:长度为6m的裙板消能型式与深齿墙消能型式的冲刷深度接近,冲坑深度最浅;但裙板消能冲坑最深处距离齿墙的位置却大于深齿墙消能型式。因此,裙板消能型式在满足消能效果的同时,能够较好地保护斜护坦齿墙不被淘刷,从而提高齿墙的安全性能。     

泄洪洞台阶底面消能减蚀研究

通过新疆某工程表孔泄洪洞水工常压及减压试验的观测研究 ,论证了在高流速泄洪洞底面应用台阶减速消能的可行性 ,探讨了台阶的空化特性 ,并提出了合理的掺气设施体形     

青草沙水库排水闸加大泄量后的 消能防冲研究

青草沙排水闸增大泄量到300 m3/s时下游将发生远驱水跃,现有消力池需要采取相应的加固措施。经水力计算和水槽试验,建议采用海漫段定点抛投四面体的海漫加糙方式,四面体棱长1 m,呈梅花状布置,顺水流和垂直水流方向,中心点间距与棱长之比2∶1,共布置5排,其壅水效果与稳定性均可满足要求。     

下游水位对水平旋转内消能泄洪洞水力特性的影响

通过试验研究与分析,发现下游水位对水平旋转内消能泄洪洞的各种水力特性均有较大的影响,且均与环流内空腔压强P0的变化有关。随下游水位的变化,洞内可能出现不同的流态区。在一定的下游水位范围内,泄流量具有最大值。通气孔的通风是由于两种完全不同的机理所致：在相对下游水位等于1左右,通风量变化急剧且具有最大值。空腔直径随下游水位的降低而增大,并趋向于常数,随下游水位上升而减小并趋向于零。在较高的上游水位时,壁面压强随下游水位的上升呈幂指数增大或线性增大;在相对下游水位等于1左右,不同的上游水位时消能率几乎为常数,但在相对下游水位大于1后,下游水位的增大会导致消能率较大的衰减。     

水闸消能效果分析研究

水闸消能一般采用底流式(水跃)消能,但它往往又是在低水头情况下泄流,佛汝德数低,水闸消能效果较差。为了提高水闸的消能率,采取了有效的工程措施,即在普通消力池的基础上增加了辅助消能工以及修建复式消力池等工程措施。通过分析研究可知,水闸的消能效果有了明显的提高,尤其是复式消力池消能率较高,能起到良好的消能效果。     

水闸消能防冲设计条件的确定

闸下冲刷破坏较普遍,消能防冲设计条件选择不当是原因之一.水闸消能防冲设计条件一般选用最大单宽能量E=ρgΔHq作为控制条件.由于水闸的上下游水位及泄量是随闸门开度的大小和下游河道充水时间的长短而变化的,为确定符合单宽能量最大这一点的工况,只能通过将闸门分级开启的方法,用恒定流的公式逐级试算寻求.通过水工模型试验,并经原型观测资料验证,证明闸门开启过程中的水流是符合圣维南方程的非恒定流,并找到确定满足单宽能量E=ρgΔHq最大时的下游水深ht的途径.     

废旧轮胎在闸下消能防冲中的应用

为实现增加糙率降低近底流速的目的,用废旧轮胎制作海漫表面的加糙体。通过室内水工模型试验,对加糙轮胎的数量、布置形式、相对糙度等影响因素进行比较研究,得到利用废旧轮胎进行海漫加糙的最佳方案。试验结果表明,用废旧轮胎加糙可使近底流速降低50%。经现场原型试验,利用废旧轮胎加糙,闸下冲坑深度平均减少75.7%,冲坑面积减少19.3%,减冲效果明显。应用表明,利用废旧轮胎加糙减冲是切实可行的。     

水库溢洪道多级消能优化研究

水电站多具有长泄水道、大落差发电特点,对于这类电站单级消能工已经不能满足安全和经济要求,因此,宜采用多级消能。本以大河边水库为研究对象,针对溢洪道原设计方案中的不利水力现象进行了方案修改,取得了良好效果。     

基于惯性耗散法的峡口岬角地形能耗分析

珠江河口峡口岬角地形(或者称"门")是珠江河口典型的高能耗区,研究其消能机制,对于解释珠江河口宏观动力现象,提高对河口动力过程的认识有重要意义。本文设计了峡口岬角局部突变地形的湍流能耗特性物理模型试验,采用Son Tek 16MHz ADV采集了高频流速数据,统计了时均流速及湍流特征量。利用"惯性耗散法"计算了峡口岬角突变地形与明渠水流的湍流动能耗率。峡口岬角地形的突变特征产生明显的形态阻力,本文试验工况引起的紊动强度量值是明渠的2倍到10多倍,湍流剪切应力较明渠水流大近2个数量级,湍流动能是明渠水流的40多倍,湍流动能耗散率比明渠水流湍流动能耗散率大2~3个数量级。从湍流局部平衡及能量传递理论看,峡口局部形态阻力导致时均流速的空间梯度、切应力增大及形成大量更小尺度的涡是湍流能耗率增加2~3个量级的重要原因。     

水平旋转内消能泄水道的流态序列、分区特性及临界条件

本文给出竖井进流水平旋转内消能泄水道的基本流态序列、过渡特性及临界水力条件。这种泄水道的流态可根据空腔环流内的气体压强、空腔直径和通气孔的通气量的变化规律分为淹没流流态、吸允流流态和自由流流态；空腔环流形成的水力条件为(H-h)／h大于2．5或Fr大于0．46；各流态转变过程中有明显的过渡段性质；在不同的流态分区内物理量的变化规律是不同的。