公伯峡水电站旋流泄洪洞模型试验与原型观测对比研究

论文摘要

竖井进流水平旋流内消能工具有消能率高、施工简单、布置灵活、工程造价低等优点,对其研究具有较大的理论意义和推广应用价值。公伯峡右岸旋流泄洪洞是国内第一个在百米级水头和千立方米泄量级进行旋流内消能技术的研究与应用,是我国首次建成的并投入运行的水平旋流消能工,在我国旋流式消能泄洪洞设计、研究与工程应用中具有里程碑的意义。本文通过结合反演法和模型试验,研究分析其水力学模型试验与原型观测试验成果；从试验条件、泄流能力、流态、通气特性、水流掺气特性、壁面压力、空化特性及整体运行可靠性几方面进行了对比,进一步分析原型观测成果与模型试验成果的可靠性、误差与精度,借助相关理论验证并确定旋流泄洪洞的各项合理水力特性参数,论证泄洪建筑物的安全性与可靠性。研究结果表明：模型与原型试验计算总消能率均在85%左右,泄流能力相似；原型观测试验观测到水垫塘内的流态与常、减压模型试验不一样,在模型试验中旋转水流移动的距离更长；通过对掺气特性对比发现,原型观测试验中环形掺气坎下游空腔长度远大于模型值,水流的挟气能力更强,旋流洞通气孔的通气量原型观测与模型试验结果比较接近；环形掺气坎上游测点压力的原模型结果比较接近,环形掺气坎下游各测点时均压力原模型压力测量结果差异较大,原模型脉动压力均方根结果基本一致；对于电站整体运行,由于右岸旋流泄洪洞采取了内消能工,出口水流流速已降至12m／s～15m／s,对下游消能区冲淤已不起控制作用,下游消能区最大冲坑在下游防护设计范围内,因此下游消能区是安全的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 1 研究背景及意义
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究水平
• 1.3 公伯峡右岸泄洪洞设计阶段试验研究成果
• 1.4 公伯峡右岸泄洪洞原型观测试验与模型试验对比研究目的及意义
• 1.5 本论文主要内容
• 2 公伯峡右岸旋流泄洪洞体型设计和施工技术
• 2.1 公伯峡右岸泄洪洞工程体型设计与体型优化
• 2.1.1 体型设计原则
• 2.1.2 方案比选
• 2.1.3 最终选择的体型布置
• 2.2 公伯峡右岸旋流泄洪洞施工技术
• 2.2.1 竖井段开挖施工
• 2.2.2 竖井及通气孔滑模施工技术
• 2.2.3 起旋装置及旋流洞施工技术研究
• 3 公伯峡右岸旋流泄洪洞模型试验
• 3.1 模型比尺
• 3.2 泄流能力
• 3.3 水流流态
• 3.4 沿程时均压力分布
• 3.4.1 常压试验沿程时均压力分布
• 3.4.2 减压试验沿程时均压力分布
• 3.5 脉动压力
• 3.6 通气量及掺气浓度
• 3.7 空化特性
• 3.7.1 门槽、堰面及竖井的空化特性
• 3.7.2 起旋室内及其出口收缩段的空化特性
• 3.7.3 旋流洞及其与水垫塘衔接段的空化特性
• 3.7.4 水垫塘内的空化特性
• 3.7.5 水垫塘出口收缩段的空化特性
• 3.7.6 水垫塘后退水洞部分的空化特性
• 3.8 出口流态及冲淤地形
• 3.9 消能率
• 4 公伯峡右岸旋流泄洪洞原型观测试验
• 4.1 测点布置
• 4.1.1 水力学观测仪器
• 4.1.2 结构观测仪器
• 4.1.3 临时安装的仪器
• 4.2 试验条件
• 4.3 观测方法
• 4.3.1 压力观测
• 4.3.2 底流速、通气孔风速（通气量）观测
• 4.3.3 掺气浓度观测及环形掺气坎空腔长度探测
• 4.3.4 水流空化噪声观测
• 4.3.5 空气噪声观测
• 4.3.6 流激振动观测
• 4.3.7 结构与动力响应观测
• 4.3.8 流体温度观测
• 4.3.9 上、下游水位观测
• 4.3.10 流态观测
• 4.3.11 闸门开度观测
• 4.3.12 利用涂层痕迹（图像）分析方法观测
• 4.4 观测成果
• 4.4.1 水流流态
• 4.4.2 压力分布
• 4.4.3 通气孔风速
• 4.4.4 掺气特性
• 4.4.5 水流噪声
• 4.4.6 掺气特性过水后过流表面检查
• 4.4.7 主要结论
• 5 常压、减压模型试验与原型观测试验对比
• 5.1 试验条件
• 5.2 水力特性对比分析
• 5.2.1 泄流能力
• 5.2.2 流态
• 5.2.3 通气特性
• 5.2.4 水流掺气特性
• 5.2.5 壁面压力和空化特性
• 5.3 公伯峡右岸旋流泄洪洞整体运行可靠性
• 5.3.1 运行要求
• 5.3.2 整体运行可靠性
• 6 总结与讨论
• 6.1 结论
• 6.2 几点讨论
• 致谢
• 参考文献