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高坝泄洪消能防护和雾化安全技术与应用
  2015-02-13 10:13  

  一、项目名称:

  高坝泄洪消能防护和雾化安全技术与应用

  二、获奖年份、奖项名称及等级

  2012年,国家科学技术进步奖,二等奖

  三、主要完成人

      练继建、吴时强、张宗亮、梁宗祥、白俊光、周钟、邓毅国、尹进步、王继敏、冯树荣

  四、主要完成单位

       天津大学,西北农林科技大学,水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院,中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院,中国水电顾问集团西北勘测设计研究院,中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院 

  五、成果介绍

      我国水能资源可开发量及建设规模均居世界首位,在高坝泄洪消能方面的特点是高水头、大流量、窄河谷,其下游河床单宽泄洪消能功率往往高达国外同等规模工程的数倍,高坝下游泄洪消能防护安全和泄洪雾化安全问题十分突出,其难度达世界之最,已成为水利水电工程设计和安全运行的前沿难题之一。我们结合40余项重大水利水电工程设计及运行实践,在十余项国家自然科学基金和国家科技攻关项目等的支持下,对此开展了20年的长期研究,主要创新成果如下:

     1)高水头大流量消力塘防护安全新技术:揭示高速水流和缝隙流动水荷载特性、耦联作用规律及各类消力塘防护结构(平底板、反拱底板、透水底板、边坡护砌)失稳破坏的动力机制,提出了反拱底板的随机拱理论以及各类防护结构的整体、局部失稳模式,首创不均匀柔性锚固反拱底板结构、嵌槽式消力塘结构等,建立了适用于各类消力塘防护结构安全的静动力耦合分析方法和优化设计方法,形成了高水头大流量消力塘防护设计的成套技术,为高坝泄洪安全提供了前提保障。

      2)高坝大单宽流量宽尾墩-台阶坝面-消力塘联合消能技术:揭示了宽尾墩和台阶坝面的联合消能机理和掺气减蚀机理,创立X型宽尾墩消能工,提出了适用于百米级以上高坝大单宽流量条件下的宽尾墩-台阶坝面-消力塘联合消能工及其设计原理和方法。突破了传统台阶消能受空蚀风险的制约,大幅度提高了泄洪单宽流量和对下泄流量的适应性,缩短消力塘长度,提高消能率,形成了消能与掺气减蚀相结合的高效消能工,是联合消能技术的重大创新。

      3)泄洪雾化影响范围模拟预测和安全防护技术:提出泄洪雾化大比尺物理模型模拟理论方法;基于原型观测反馈分析,建立了挑流泄洪雾化预测的水滴随机喷溅数学模型和智能快速预测模型,考虑雾雨自动转换碰并和雾滴凝结蒸发过程的底流泄洪雾化预测数学模型;提出了下游边坡雾化分区防护技术、消能与雾化联合优化技术,攻克了高坝泄洪雾化影响范围预测和安全防护的技术难题。

      4)泄洪消能结构实时动态监测预警技术:提出泄洪消能结构的水动力和结构动力响应耦合动态监测技术,创建了基于力学分析、传感信息技术、人工智能技术等有机融合的泄洪消能结构安全性态的实时动态监测诊断和分级预警系统,为工程长期安全运行提供了新的技术支持。

      该成果获省部级科技进步一等奖2项、二等奖3项,授权发明专利3项,发表论文85篇,出版专著1部。通过省部级科技鉴定,专家一致认为:反拱底板消力塘、宽尾墩-台阶坝面联合消能工、泄洪雾化等创新成果达到国际领先水平,已成功应用于二滩、拉西瓦、小湾、溪洛渡、锦屏、大朝山、索风营等40项重大水利水电工程设计和运行,涵盖目前已建或在建泄洪功率居世界前6位高坝消力塘及各种类型世界最大高坝消力塘,在提高工程安全性同时,节约工程投入2.36亿元,社会和经济效益显著,相关成果被写入设计规范或设计导则,推广应用前景广阔。


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