摘要
针对具有窄河谷、高水头、大泄量和复杂地质条件等特点的大型水利枢纽，当底流消能无法满足泄洪消能要求时，一般采用挑流方式消能，但是采用传统的挑流鼻坎进行泄洪，会导致下泄水流能量较大、挑射水流直冲下游岸坡等隐患，因此需针对具体工程选取合适安全的消能工，将窄河谷、高水头、大泄量条件下下泄水流所携带的巨大能量消刹。本文以石垭子水电站为研究对象，通过模型试验和数值模拟相结合的方法，探索适合本工程的表孔消能体型，主要研究成果如下： （1）通过模型试验测试发现，该工程若采用传统单孔单窄缝挑坎泄洪，当库水位在设计洪水位以上时，水舌外缘落点接近堆积体，而随着泄洪流量的进一步增加，泄洪产生的冲坑深度约15m，直接危及坝脚的稳定性，因此经过模型试验研究，提出了单孔半圆锥双窄缝消能工，能较好的满足泄洪消能要求，但在泄量较大的情况下，中墩迎水面冲击压力较大，且两侧底部角隅处出现压强分布不均的现象，因此需进一步体型优化。 （2）基于模型试验研究成果，采用数值模拟方法，分别探究在不同来流条件下不同体型参数对消能工水力特性的影响规律。数值模拟与模型试验结果基本吻合，可通过调整收缩比β来获得合适的高坎中墩水深，来减弱高速水流对中墩迎水面的冲击。当β=0.3时下游河床底板峰值压力Pmax最小，且峰值压力核心区相比传统窄缝前移60m，同时在挑坎收缩段中部附近出现冲击波交汇点，且流道内各断面中线压力沿水深分布在压力最大值前后其规律不同，与宽尾墩类似。而随着坎高h的增大，下泄水流入坎点前移，分流比kq持续减小，在此情形下，如高坎顶部水流沿着不同出射角出挑，挑坎顶部边墩中墩出挑水舌相互碰撞、摩擦现象增强，虽然导致水舌外缘挑距减小，但增强了出坎水舌的沿程消能效果。另外当坡比i较大，如i01.250、1.311时，高坎中墩底板压强峰值点后移，月牙肋迎水面冲击点不再像其他体型出现在挑坎连接面起始点处。综合分析发现坎高h和坡比i对双窄缝水舌影响较大，容易出现一些不良的水力现象，因此在工程应用中推荐适当调整收缩比来满足泄洪消能要求。 （3）本工程推荐体型由于采用适当减小的收缩比β，与原体型相比双窄缝侧壁对入坎水流束窄作用更加明显，水流沿程脱壁现象减弱，挑坎侧壁压强得到一定的提高，且各工况均无负压出现，有效避免了挑坎水流发生空化的可能性，且减弱了中墩两侧压强分布不均的现象。另外相比于传统窄缝体型，该新型消能工以双窄缝低坎下泄水流和挑坎顶部挑射水舌两种形式分散落入河床，水舌射流冲击区和附壁射流区的范围和作用面积都有所增大，沿程下泄水流流速得到大幅度降低。
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