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与X型宽尾墩联合消能的消力池水力特性研究

代述兵  
【摘要】:水电工程是一个国家的重大基础设施工程,泄洪消能是水电工程中关系枢纽布置、工程安全、工程投资的关键内容,近年随着我国水电水利工程技术提高及众多水电工程的建设,而这些工程多分布在西南、西北高山峡谷中,存在高水头、大流量、窄河谷的工程特点,因此宽尾墩消能工的研究得到更多关注。本文从宽尾墩的发展历史开始回顾,结合前述的工程背景,分析了Y、X型宽尾墩的体型设计参数和设计方法的差异,突出了X型宽尾墩的设计要点和设计难点,并列举了近年发展起来其他各种类型的宽尾墩以及宽尾墩与高拱坝联合运用的一些成果,总结了一系列宽尾墩工程,阐释了Y型宽尾墩的优点缺点,以及工程上安康、五强溪、岩滩、景洪出现的破坏实例,进而分析了其出现问题的原因,得到X型宽尾墩发展的背景和前提,最后利用水利部西北水利科学研究所所做工程的模型试验成果,进行了如下几方面的研究内容:第一,分析了Y型宽尾墩的工程破坏实例及其消力池破坏的原因,分析了Y型宽尾墩的缺点,强调了X型宽尾墩的优势,得到了X型宽尾墩比Y型宽尾墩泄流能力稍大,X型宽尾墩对底板冲击压强比Y型宽尾墩小的结论,X型宽尾墩从各个方面来说均比Y型宽尾墩更有优势。第二,以X型宽尾墩工程水跃方程的水力计算为题进行了研究,首先回顾了以前关于Y型宽尾墩工程水力计算的一些计算成果,由于Y型宽尾墩与X型宽尾墩在体型上的差异,因而不能用Y型宽尾墩的计算方法直接计算X型宽尾墩,所以本文通过将X型宽尾墩分为底层水流和上层水流两股水流,而墩末水流为射流,上层水股对下层水股不产生压力,在墩末出口和第二共轭水深之间的连续体之间列出了水体的动量方程,同时将坝面对水体的作用力通过模型试验资料总结简化得到了一些相关的经验系数的取值范围,然后对动量方程进行简化,将经验系数代入动量方程,计算得到共轭水深比,知道跃前水深就能直接求得跃后水深。第三,以X型宽尾墩工程底板冲击动水压强为题进行了研究,通过量纲分析的方法,总结得到了一个压强因子,此压强因子与上下游水头差、单孔流量、下游水垫深度、重力加速度和水的密度有关系,此压强因子与消力池中最大冲击动水压强有良好的相关关系,用滚弄、鲁地拉、索风营、沙陀等几个X型宽尾墩工程的消力池底板动水压强实测数据进行回归分析,得到了一个相关关系良好的表达式,可通过工程的上下游水头差、单孔流量、下游水垫深度、重力加速度和水的密度等已知条件直接求得要求的最大冲击动水压强,可以为工程设计人员前期设计预测底板最大动水压强提供参考。第四,用某工程实测数据对影响脉动压强的因素进行了分析,其中包括宽尾墩体型、消力池长度、尾坎高度、上下游水头差、运行工况等因素,得到的结论将对设计起到一定的指导作用。


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