高拱坝坝身收缩式表深孔无碰撞泄洪消能及雾化研究

窄河谷、大流量高拱坝工程多采用表深孔水舌空中撞击+水垫塘的坝身泄洪消能方式，取得了较好的效果。但其最大副作用是泄洪雾化的显著增强，威胁下游岸坡的安全。若能使表深孔水舌空中相互穿插下落而无碰撞，则可显著减轻泄洪雾化强度。但由于拱坝的泄流宽度受限，因此如何实现空中水舌的相互穿插下落，并且避免水垫塘底板动水荷载增加成为一个难题。宽尾墩、窄缝挑坎具有横向收缩、纵向拉长水流的特性，可获得窄长水流。本研究项目将宽尾墩和窄缝挑坎收缩式消能工分别应用于高拱坝坝身泄洪表深孔，提出高拱坝表孔宽尾墩和深孔窄缝泄流形式，既可通过水舌的横向收缩实现表深孔水舌的无碰撞穿插，又可利用水舌的纵向扩散使水垫塘底板冲击荷载反而进一步降低。研究成果有助于推动我国高拱坝泄洪消能在二滩水电站开辟的表深孔水舌空中碰撞+水垫塘消能方式的基础上再上升到一个新的台阶。

本研究项目将宽尾墩和窄缝挑坎收缩式消能工分别应用于高拱坝坝身泄洪表深孔，提出高拱坝表孔宽尾墩和深孔窄缝泄流形式，实现了高拱坝坝身表深孔水舌的空中无碰撞消能。研究中利用模型试验、紊流数值模拟和理论推导相结合的方法对高拱坝表孔宽尾墩、深孔窄缝挑坎的水力特性进行了研究，如流速、水深、流道压力、水舌挑距及纵向扩散长度和水垫塘底板冲击动压，建立了高拱坝表孔宽尾墩、深孔窄缝挑坎水力计算方法。在1:60锦屏一级水电站整体模型上针对高拱坝无碰撞消能方式的泄洪雾化进行了研究，发现无碰撞消能对降低泄洪雾化强度效果非常显著，同时坝身下泄水流对水垫塘底板的冲击动压进一步减小，消能效果良好。另外分析了无碰撞消能方式的泄洪雾化产生原因和主要雾化源，提出了其泄洪雾化数学模型。本研究还利用PIV粒子测速技术研究了窄长射流在水垫塘内的精细流场结构，发现水垫塘内随着淹没射流流程的增加，射流与周围水体不断卷吸、掺混、剪切，流场中存在大小尺度不同的涡，正是这些涡担负着能量传递和耗散的作用。研究成果有助于推动我国高拱坝泄洪消能在二滩水电站开辟的表深孔水舌空中碰撞+水垫塘消能方式的基础上再上升到一个新的台阶。