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高水头泄洪底孔体型与跌坎式消力池联合新技术研究与应用

作者:熊雄 张小春 林学锋等
发布时间:2017-01-11

☆项目详细内容

  泄洪消能建筑物是水利枢纽主要建筑物,泄洪底孔和消能结构是其中重要的两个组成部分。由于水利枢纽上通过泄洪底孔弧形工作门的水流速度极高,所以水流下的空化空蚀问题也及其严重,因此泄洪底孔体型的设计要充分考虑到这一问题。再者,从泄洪底孔流出的水流具有极高的动能和势能,不能直接将其注入下游河流中,必须经过消能处理。坝身泄洪孔消能通常采用挑流、面流和底流3种消能型式,根据工程底孔布置接近河床高程及下游水位变化幅度等特点,选择相应的消能型式,而本成果主要是在底流消能型式基础上做出改进。

  消能工型式,经过底孔突扩、突跌体型水力学模型试验研究;底孔减压模型试验研究;抗冲耐磨材料研究;底孔闸门水力学及闸门流激振动试验研究;导隔墙流激振动数模计算与物模试验等研究,并采用三维数模分析计算和类比三峡水利枢纽泄洪深孔设计及向家坝水利枢纽底流消力池工程经验,亭子口大坝底孔有压段出口处存在高水头弧形闸门止水问题和明流段及消力池内也存在高速水流下的空化空蚀问题。通过对底孔体型及消能工型式的深入研究,弧形工作闸门区采用突扩突跌掺气体型以满足闸门止水和掺气减蚀要求;消能工采用跌坎式消力池以降低闸墩尾部立轴漩涡对跌坎立面和消力池底板的空蚀破坏,同时消力池内临底流速得以大幅降低,使底板发生冲蚀破坏的可能性大大减小。通过计算得出:

  (1)达到消除底孔明流段空化空蚀破坏的预期目的,通气孔单宽通风量8~9m3/s.m,空腔最小掺气浓度大于1.0%,实际通气孔单宽通风量在10~11m3/s.m之间,掺气浓度在1.2~15.0%。

  (2)降低消力池内临底流速,控制在20m/s。实际池内临底流速17m/s。依据以上成果,对底孔坝段及消力池进行优化。亭子口水利枢纽泄洪底孔突扩突跌体型及跌坎式消力池设计能够满足工程需要。亭子口水利枢纽是首例联合应用“弧形工作闸门区采用突扩突跌掺气体型”下接“跌坎式消力池”的水利工程。

☆主要技术创新

  亭子口水利枢纽是首例联合应用“弧形工作闸门区采用突扩突跌掺气体型”下接“跌坎式消力池”的水利工程。且水利水电工程泄洪底孔(深孔)设计水头一般为50~70m,三峡工程底孔(深孔)设计水头85m,亭子口工程泄洪底孔设计水头87.3m,在国内处于领先水平。具体的创新点如下:

  1)拟定最优的底孔突扩、突跌体型并确定相应的防空蚀措施;

  2)掌握工作弧门出现水力共振、自激振动等危害性振动的形态,并在对闸门的振动安全性综合评估的基础上,提出必要的结构优化建议;

  3)配制出高性能抗冲耐磨混凝土。

☆项目应用情况

  亭子口水利枢纽是首次应用“突扩突跌”掺气体型及“跌坎式消力池”消能工联合技术,2011年2月16日亭子口水利枢纽底孔过流后,使用情况正常,效果较好。本课题提出切实可行的工程技术措施,解决高水头底孔体型及流激振动等关键技术难题,同时对研究成果进行全面系统的总结,为今后类似工程设计和施工提供借鉴,具有广泛推广应用于水利水电工程高水头泄洪建筑物体型、消能设计的价值。

☆企业效益情况

  2010年是亭子口水利枢纽施工高峰期,底孔消力池工程量的减少,大大缓解了底孔坝段施工强度,降低了施工安全风险,从某种意义上对社会稳定有利。亭子口水利枢纽是嘉陵江干流开发中唯一的控制性工程,以防洪、灌溉及城乡供水、发电为主,兼顾航运,并具有拦沙减淤等效益的综合利用工程。提前挡水,防洪效益及社会显著。

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