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某引水式水利水电站泄水陡坡水工模型试验

时间:2018-04-09 22:17来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇水利工程论文,水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水,达到除害兴利目的而修建的工程。也称为水工程。
本文是一篇水利工程论文,水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水,达到除害兴利目的而修建的工程。也称为水工程。水是人类生产和生活必不可少的宝贵资源,但其自然存在的状态并不完全符合人类的需要。只有修建水利工程,才能控制水流,防止洪涝灾害,并进行水量的调节和分配,以满足人民生活和生产对水资源的需要。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇水利工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景
泄水建筑物是保证水利工程安全运行的重要组成部分。一个水利枢纽工程,如果没有安全可靠的泄水系统,就不能达到兴利除害的目的[1]。陡坡是水利工程当中常见的泄水建筑物,通常由进口连接段、控制堰口、陡坡段、消力池和下游连接段等五部分组成[2-4]。根据不同的地形条件,泄水陡坡可以建造成单级陡坡和多级陡坡[5]:(1) 单级陡坡。陡坡段属明渠急流陡槽,通常依据实际的地形条件、地质情况以及调节分水需要等条件来确定陡坡的落差和比降。一般来说,陡坡的落差可比直落跌水大,陡坡的比降最陡不宜陡于 1:1.5。(2) 多级陡坡。当工程所在地形条形坡度较大或者为台阶地形的渠道,修建多级陡坡,并结合实际工程情况确定多级陡坡的级数以及每级的落差和比降。通常状况下,将多级陡坡每级的落差和比降设置成相同的大小,有利于工程的施工和管理并节约成本。泄水陡坡的水力特征大致有以下几点[6-10]:(1)当坡度i较陡(ki > i;ki 为临界底坡)时,陡槽内水流具有较高的流速,对下游的冲刷较大;(2)陡槽的过水断面一般为矩形或梯形,过水断面面积不大,因此陡槽内水流流速较高。陡槽表面用混凝土衬砌,当位于坚硬的基岩上才可考虑不予衬砌;(3)为了满足地形要求,陡坡可能需要设置成弯道,由于远离圆心岸一侧水流受离心力作用的影响,水面雍起,故对应边墙高度需要加高;(4)陡槽内的高速水流容易发生掺气且水面波动剧烈,水流掺气后水流流态更加紊乱,所以在设计陡槽边墙高度时应该充分考虑水流掺气对陡槽内水深的影响;(5)当陡槽内流速过大时,陡槽易发生空蚀现象。为了避免高速水流对陡槽产生空蚀的破坏,往往通过模型试验在陡槽合适的位置加入掺气设施。
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1.2 研究意义
泄水陡坡的自身稳定、正常运行和泄流能力与水电站的安全紧密相关。采用水工模型试验,在不同工况下,验证通过水力计算得到的泄水陡坡水力参数,我们可以及早地发现设计中存在的问题,从而对设计方案进行更近一步的优化,已达到实现优化布置的目的[20-21]。本文以新疆某水电泄水陡坡为例,通过物理模型试验对泄水陡坡水力特性进行分析,通过结构优化解决原设计方案中出现的问题,具有一定的工程应用价值和学术研究价值。
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第 2 章 物理模型设计与制作
 
2.1 工程概况
某水电站是梯级开发中的第 2 级电站,为径流式电站,采用引水式开发,开发任务是水力发电。工程主要由土石坝、泄洪建筑物、引水闸、输水渠道、前池、消力池、压力管道及电站厂房等主要建筑物组成。前池正常水位 1547.334m,主电站装机容量 200MW,生态电站装机容量 3MW,多年平均发电量 6.20 亿kW·h,装机利用小时数 3054h。根据《防洪标准》及《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》,电站装机容量位于 300 MW~50 MW之间,由电站装机容量确定该水电站工程等别为Ⅲ等工程,工程规模为中型。前池位于输水渠道桩号 11+628.181m 处,与渠道夹角为 37°,采用正向排冰,测向引水布置型式。前池长 121m,底板高程 1530.70m,宽 47.8m;正常水位为1547.334m,最高水位 1548.225m,最低水位 1543.439m,总容积 3166m3。压力前池主要由连接段、前室、进水室、冲沙闸、泄水排冰闸、泄水陡坡及侧堰等建筑物组成。(1)连接段连接段长 52m,宽 51.2m,底板起点高程 1541.292m,末点高程 1530.700m,顶高程 1549.5m,底坡 1:4.909。连接段为分离式结构,边墙为扶壁式 C25、F200钢筋混凝土挡土墙,立板顶宽 0.5,底宽 0.8m,扶壁厚 0.4m,间距 3.0m,底板宽6.08m,厚 0.5~0.8m;连接段底板厚 0.6m。(2)前室前室长 44.0m,宽 47.8m,底板高程 1530.70m,顶高程 1549.5m,为分离式结构,边墙为扶壁式 C25、F200 钢筋混凝土挡土墙,立板顶宽 0.5,底宽 11.7m,扶壁厚 0.5m,间距 3.0m,底板宽 9.9m,厚 0.8~1m;前池底板厚 0.6m。(3)进水室进水室长 25m,宽 47.8m,进口底板高程 1532m,顶高程 1549.5m。进水口为单机单管进水方式,共 4 孔。进水口前缘设一道拦污栅,共 8 孔,孔口宽 4.5m;拦污栅前部为检修门;拦污栅后部为快速门(平板门),孔口尺寸分别为 5.4×5.4m(b×h);快速门后设有通气孔,矩形断面,尺寸为 0.8×1.2m(b×h);渐变段设在进水室内,长 6.0m。进水室采用 C25 钢筋混凝土衬砌,整体式结构,底板厚 2.5m,中墩厚 1.3m,边墩厚 2m。进水室顶部设有闸房。
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2.2 模型制作
水流运动是一种非常复杂的自然现象,由于水力学计算中通常使用经验公式和半经验公式,因此理论分析和数值计算还存在一定的局限性[53]。实际上,天然河道中水工建筑物的工作条件比较复杂,影响因素较多,使分析和计算具有较大难度,通常需要忽略一些因素或简化后进行设计。在设计完成后为了对结果进行检验和适当的修改[54-55],往往采用水工物理模型试验的方法,将原型实物按照相似原理和相似准则按照一定比例缩至为模型,对一些未知的水力现象进行系统的观测研究,其试验数据可以为理论分析提供依据[56]。因此,在水利工程事业发展的过程中,作为流体力学和实际水利工程中间的媒介,这种方法可以定量的模拟和预测实际水流现象,已经广泛地应用到水利研究和工程设计的验证和优化,水工物理模型的重要性长期以来一直受到水利学者的关注[57-59]。
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第 3 章 原设计方案模型验证.........17
3.1 最不利工况试验与分析 ....17
3.2 排冰排漂工况试验与分析 ..........28
3.3 联合过流能力关系验证 ....33
3.4 陡坡末端与尾水交汇形态 ..........37
3.5 原设计方案存在问题 ........38
3.6 本章小结 ........39
第 4 章 泄水陡坡优化试验研究.....40
4.1 优化试验方案 ..........40
4.2 优化方案试验范围 ............41
4.3 优化试验结果 ..........42
4.3.1 优化方案一 .............42
4.3.2 优化方案二 .............43
4.3.3 优化方案三 .............44
4.4 优化方案对比 ..........45
4.5 本章小结 ........47
第 5 章 结论与建议.....48
5.1 结论 ......48
5.2 建议 ......48
 
第 4 章 泄水陡坡优化试验研究
 
通过第三章对原设计方案验证的物理模型试验可以发现,工程存在的主要问题为:在最不利工况下,一级消力池水流溢出边壁、水面波动较大的问题。因此本章将在物理模型试验的基础上,通过对原设计方案的优化,验证其合理性。
 
4.1 优化试验方案
在最不利工况下,由于上游来流量大,泄槽坡度陡、水流下泄流速过快,造成一级消力池内水面波动较大,底流消能水跃流态不稳定,导致池内水流在高位时溢出边壁。为解决水面波动大与水流溢出边壁的问题对一级消力池做出如下 3种优化。通过消力池尾坎的变化对水跃消能及流态的影响[64-65],减小消力池尾坎处的底部回流对水流表面的作用,减小水面波动,因此对原设计方案中一级消力池的垂直尾坎做出优化,由垂直尾坎改为 1:2 斜坡尾坎,斜坡尾坎长度为 12.3m,宽 12m,高 5.5m。一级消力池尾坎优化如图 4-1。通过在消力池内部布设悬栅,改变消力池内水跃的水流结构,增大水流的紊流强度,造成水流能量的损失,从而降低水面波动。基于原设计方案中水面波动的特点,布设两组悬栅,一组在水跃内部呈阶梯分布,一组沿着水跃尾部呈阶梯分布。悬栅水平间距 3m,垂直间距 3m。第一组悬栅的第一根桩号为泄 0+195.699,第二组悬栅的第一根为泄 0+226.099,高度为 6m。悬栅长 12m,宽 0.6m,高 0.6m。
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结论
 
本文通过模型试验对某水电站工程的泄水陡坡进行了最不利工况和排冰排漂工况下原模型设计的验证,并针对最不利工况下物理模型试验中发现的问题,提出了 3 种优化改进措施。经过试验,得出以下结论:
(1)原设计方案的泄水排冰闸和侧堰过流能力满足泄流要求。在试验室模拟水流条件下,在侧堰前水位达到 1548.225m 时,侧堰与泄水排冰闸的过流流量之和大于 365m3/s,能满足泄流要求。泄水陡坡不会发生空蚀现象。水流经泄水陡坡从二级消力池流出后与尾水渠交汇平稳;
(2)在排冰试验中发现,排漂排冰闸能满足排冰要求。试验中观测到模拟浮冰的苯板碎块基本没有在泄水陡坡内堆积,但在泄槽段与消力池水流交汇区域内,水流流速减小,加之存在涡流,存在较明显的浮冰堆积现象,在渠道内浮冰排完后,该区域仍存在浮冰;
(3)在渠道内泄水为 365m3/s 时,前池水位稳定,侧堰过水平稳。水流经陡坡流入一级消力池内最高水位达到 1521.35m,超出消力池边壁高度,水流溢出且波动剧烈;
(4)针对消力池内水面波动剧烈的问题,对消力池提出的 3 种优化改进措施。通过物理模型试验结果与原设计方案的对比,在优化方案三的改进情况下能有效的解决消力池内水面波动剧烈的问题。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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