高拱坝表孔宽尾墩泄流能力及水力特性研究

摘要

峡谷区高拱坝普遍具有高水头、大流量的特点，其下泄水流的消能防护成为关键技术难题之一。鉴于高拱坝的泄洪消能特点，坝身泄洪一般采用孔口挑跌流结合水垫塘的消能形式，通过水舌在空中的扩散掺气以及水垫塘内射流的紊动剪切进行消能。随着高坝工程的建设和发展，为了满足不同工程泄洪消能的要求，各种新型的挑流布置形式被提出并应用于实际工程当中，取得了较好的效果。在高拱坝表孔设置宽尾墩可以增强表孔水舌在空中的扩散，提高消能效率。本文以东庄水利工程为依托，对高拱坝表孔应用宽尾墩时的泄流能力以及水力特性进行了研究。主要研究工作如下： （1）通过数值模拟研究了宽尾墩各类体型参数对高拱坝表孔泄流能力的影响以及泄流能力与过堰水流弗劳德数Fr的关系。研究结果表明：表孔泄流能力随着宽尾墩俯角α的减小而减小，随着收缩比ε的减小而减小，随着墩尾折角θ的减小而增大，随着始折点位置与堰顶水平距离x的减小而减小；提出一个表征宽尾墩体型参数与堰上水头的综合影响系数 k，当 k≥2 时，宽尾墩不影响表孔的泄流能力，当k<2时，随着k值的减小，宽尾墩对表孔泄流能力的影响逐渐增大；过堰水流Fr沿程变化曲线在宽尾墩始折点上游存在一个折点，该折点处的Fr越大，宽尾墩对表孔泄流能力的影响越小。 （2）通过模型试验研究了高拱坝表孔宽尾墩跌流-深孔挑流消能时下游水垫塘的动水压力特性。水垫塘底板及边坡受表孔水舌冲击的影响，时均压强在表孔射流冲击区出现峰值，并形成较大的压力梯度，校核水位工况下底板最大冲击压强ΔPmax=35.20×9.8kPa。水垫塘的脉动压强同样在表孔水舌冲击区产生峰值，脉动压强的幅值特性、相关特性以及频谱特性与水舌的形态及落点密切相关。 （3）提出水舌碰撞与非碰撞两种不同的体型优化方案，以降低水垫塘的冲击压强。非碰撞方案通过延伸表孔的两侧边墙，增强水舌在空中的纵向拉伸，当宽尾墩收缩段延伸至 26m 时，水垫塘底板的最大冲击压强在设计和校核水位工况下相比原体型分别降低了63.10%和56.82%；碰撞方案通过减小表孔宽尾墩的出口俯角，得到横向扩散为主的表孔水舌，使表深孔水舌在空中发生碰撞，当表孔出口俯角减小至 25°时，在设计和校核水位工况下最大冲击压强相比原体型分别降低了41.60%和87.36%。

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