多股多层淹没射流脉动特性及泄洪模式优化研究

A new type of stilling basin with multi-horizontal submerged jets (MHSJ) has been proposed as a new energy dissipater, which has the advantages of higher engineering adaptability and weak atomization. However, the dam body and the hydraulic structure vibration induced by high speed flow is a common problem, and flow fluctuating pressure is a main load that brings flow-induced vibration which will frequently cause damages to flood discharge structures. Therefore, it is necessary to investigate the fluctuating pressure characteristics in a stilling basin of MHSJ under the condition of different flood discharge types. This new type of energy dissipater of MHSJ was adopted by Xiangjiaba hydropower project as the flood discharging and energy dissipation structure, which provide convenience for prototype observation. Based on practical engineering background, by means of hydraulic model test, prototype observation and numerical simulation, research of the following several aspects will be carried out, which includes: 1) Change law of fluctuating pressure with the increasing of flood discharge under different flood discharge types; 2): Prediction and analysis of fluctuating pressure under the condition of larger flood discharge that never happened in reality. 3) Optimal selection of different flood discharging types through comparative analysis and preliminary discussion of engineering measures that decrease the fluctuating pressure. The research result can supplement the relevant hydraulics theories and provide technical support for engineering practices.

多股多层水平淹没射流消能是一种新型消能型式，具有工程适应性强，低雾化的优点。然而，高速水流诱发坝体和其他泄流结构的振动是一个普遍存在的问题，其中水流脉动是造成高速水流诱发振动的一个主要原因。因此，针对这种新型消能型式，有必要研究不同泄洪方式之下的水流脉动特性及振动响应。向家坝是采用了此种新型泄洪消能方式的大型水电工程，为原型观测及实验对比提供了可能。本研究采用模型试验、原型观测以及数值计算的手段，结合实际工程向家坝水电站，拟开展以下几个方面的研究：1）结合下泄流量从小逐渐增大的过程，开展不同泄洪方式与过流建筑物壁面脉动荷载响应规律研究；2）开展物理模型实验与原型观测的比尺效应研究，并进行大流量泄洪条件下过流建筑物水流脉动荷载分析与预测；3）开展减轻或避免不良影响的泄洪模式优化以及降低水流脉动荷载工程措施研究。研究结果可补充完善相关的水力学理论，并为此后工程实践提供技术支持。

本项目针对多股多层淹没射流泄洪消能的水流脉动特性、闸门优化调度及与下游区域的振动响应开展研究。原型观测获得了闸门开启组合与下游区域的振动响应关系；模型试验得出了水流脉动荷载特性进而基于脉动值给出了振动值预测，同时给出了同泄量之下闸孔开启组合的优劣排序；数值模拟得到了大洪水泄洪工况的预演；开展了减缓泄洪振动相关研究。.1）多股多层淹没射流新型消能工在向家坝水电站首次使用，达到了雾化低，消能率高，底板流速低等特点，但泄洪过程下游水富县城的局部区域出现了房屋门窗振动的现象。模拟了不同闸门开启组合情况之下的泄洪形式；探索了多股多层淹没射流闸门开启方式、水流脉动特性以及门窗房屋振动之间的响应机理；开展了减轻或避免不良影响的调度模式研究；通过优化调度从振动源头上减小了水流脉动。.2）开展了多股多层淹没射流新型泄洪消能工的水流特性及消能机理研究。从三维微观角度揭示了强掺混多尺度紊动涡体的三元流消能水动力学指标和消能的特点，研究了复杂跌坎底流消力池体型参数与水动力学指标之间的关系，研发了一套环境友好型的新型跌坎底流消能工专利技术，包括：“沿程分散消能的高低坎消力池”、“双层分散消能的高低坎消力池”、“具有挑流结构的组合式高低坎消力池”等。该套新型消能工专利技术可以较好的解决工程泄洪消能和安全泄洪问题，减小河道冲刷，较大程度削弱雾化影响，节约防护费用，具有较好的应用前景。.3）通过相关研究得出壁面脉动荷载随流量变化的关系，对大流量泄洪条件下壁面荷载进行了分析与预测。同时结合三峡集团的研究工作通过采用闸门开启组合方式优化调度及梯级水库联合调度，使得振动强度得以降低。研究成果为探索多股多层淹没射流新型消能工的泄洪消能机理，为向家坝水电站振动问题的解决提供参考，完善相关水动力学理论并为此后其他工程的设计提供技术支持。