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以丰宁抽水蓄能电站下水库为研究背景,通过水力模拟研究泄水建筑物在不同运行方式和不同水流条件下的泄流和消能安全问题。 首先利用现有相似理论进行模型设计与制作,进行水力计算与冲刷计算,设计了试验方案。然后通过对蓄能库溢洪道、泄洪放空洞和拦沙库溢洪道、排沙洞四大泄水建筑物的泄流试验研究,发现设计方案的各泄水建筑物在设计流量和校核流量下的泄流能力均能满足要求,与设计计算成果相比还有一定超泄余量。同时还发现泄洪放空洞在泄流流态和消能安全方面存在问题。主要是在泄洪期,泄洪放空洞的挑流水舌顶冲下游河道右岸,产生边岸的强烈涌浪与回流淘刷直接威胁堤防安全。在蓄、泄过程中(水力过渡期),洞身水流经历急流~缓流(水跃)~急流的变化过程;过渡期放空洞中会出现阶段性水跃,由于跃后水深较大,使洞内净空余幅不能满足要求,严重时会发生闷洞现象。 根据下游河势与洞身低落差的布置特点,经多种方案的比选分析与试验研究,发现针对消能安全,采用大转角(鼻坎左转32°)挑坎可以调整水舌方向顺应下游河势,消除对右边岸的威胁。针对水力过渡期的洞中水跃,可以采用加设侧堰控制挑坎水位,避免洞中水跃发生;也可以采用降低挑坎末端高程方案。通过降低挑坎水位,弱化洞中水跃,使过渡期的洞中水跃的跃后水深都低于净空余幅所要求的最大水深。经过优化,提出了加侧堰的大转角扭曲鼻坎方案与降低挑坎高度的大转角扭曲鼻坎方案,试验表明优化方案有效调整了挑射水流方向,避免了主流顶冲右岸堤防;还能同时解决了蓄泄水过程中的水跃闷洞现象,保证了洞身泄流的稳定性。