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大尺度模拟技术在高坝泄洪消能研究中的应用与实践
日期:2017年04月18日 15:06:53点击数:字号:【

根据“十二五”规划,我国装机300万KW以上的巨型水电工程约30座,装机总容量达19687.5万KW,占全国水能资源技术可开发容量的1/3以上。巨型水电工程具有如下显著特点:综合效益显著--发电、防洪、灌溉、供水、航运、旅游等;枢纽布置复杂--泄洪建筑物(坝身、岸边)、引水发电建筑物、施工导流建筑物、通航建筑物、过鱼建筑物等,进出口水力条件十分复杂,水力协调难度大;水力学问题十分突出--工程多位于西部的高山峡谷地区,共同特点是“水头高、流量大、泄洪功率大、河谷狭窄、地质条件复杂”,坝高、泄量、泄洪功率超过世界水平。以往对水电工程建设中的相关水力学问题采用分多个专题进行研究的方式,仅水工整体模型就多达3~5座,单体模型更多。存在的问题是各专题研究成果缺乏整体和综合试验验证;专题研究得到的最佳成果,其整体效果却并不一定能达到最优。为解决巨型水电工程泄洪消能问题,本项目提出了大尺度水工模型试验新方法,对枢纽总体布置的合理性、泄洪消能设计的可靠性、枢纽各建筑物水力协调性、泄洪雾化及下游河道防护设计的安全性等进行了攻关研究。

一、主要创新成果

1、创新提出大尺度水工模型试验方法,在各单项相似准则的基础上制定了合理的模型比尺,成功研发了世界上规模最大的水工全整体模型。

2、针对世界最高拱坝,通过1:50水工整体模型试验,优化了坝身泄洪与泄洪洞泄量分配比例;将泄洪雾化与消能有机结合,创新提出了适合锦屏窄河谷、两岸边坡地质条件复杂的工程特点、雾化量小、结构安全的“锦屏一级无碰撞泄洪消能模式”,大大减轻了泄洪雾化对锦屏一级水电站上千米高边坡稳定的影响,保证了工程安全运行。

3、通过1:50水工整体模型表孔、深孔体型优化,在非对称拱坝布置下实现了泄洪水舌落点的基本对称,解决了白鹤滩水电站特大泄洪功率水垫塘动水压力难以满足规范要求的技术难题。精细模拟电站、泄洪洞进出水口及其边界条件,各种措施对枢纽布置取得了综合优化效果。

4、通过1:40水工整体模型,揭示了多层多股三元射流底流消能的水流流态和旋涡结构特征,提出的水动力荷载为向家坝水电站泄洪消能结构物安全设计提供了重要科学依据。提出的表中孔调度方式减小了泄洪诱发的振动,解决了世界上底流消能功率最大的向家坝水电站泄洪消能技术难题。

5、改造了国内外规模最大的减压箱,首次开展了坝身泄洪孔口与消力池空化问题研究,论证了坝身泄洪安全性,提出了已建工程坝面严重空蚀的改善措施。发明的1:1高速高压试验装置,解决了50m/s超高流速材料抗空蚀问题。

二、学术产出和第三方评价

项目获得和受理的发明专利15项。大尺度水工整体模型及减压模型试验方法在锦屏一级、向家坝、白鹤滩等工程的应用,较好地解决了巨型水电站一系列技术难题,实现了对工程综合优化的目标。成果获2015年意甲被万博赞助科技进步特等奖。

三、应用推广和综合效益等

研究成果已在向家坝、白鹤滩、锦屏一级、阿海、丰满等水电工程直接应用。研究提出了坝面增设50cm掺气坎已用于阿海水电站工程改造,消除了坝面空蚀,保证了大坝安全;向家坝大尺度模型试验成果,消除了业内多年来对向家坝泄洪消能安全的担忧;大比尺模型反演试验在减小振动方面发挥了重要作用,优化的调度方式,在2013年大坝泄量达到8000~11000m3/s,较2012年增大15%~55%情况下,场地振动幅值减小了30%~70% 。首创的锦屏一级水电站无碰撞消能模式,与传统碰撞模式相比,雾化纵向长度减小300m,高程降低30m,雨强减小40%。白鹤滩水电站大尺度模型成果,将原设计方案水垫塘动水冲击压力22m水柱减小到12m水柱,保证了水垫塘安全。锦屏一级水电站因雾化减弱高边坡防护工程量减小,直接经济效益就上亿元。

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