CN101215828A - 高低坎底流消力池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高水头、大单宽流量的底流消能技术，具体地是一种高低坎底流消力池。本发明对高坎在平面上采用合适的收缩角，但对边高坎的外侧墙不收缩。高坎水流受缩后，能改变入池水流在铅垂面上的分布，在下游水位较高时，可使部分水体入池位置适当提高，以减小淹没度，充分发挥淹没射流的特性，延长水流到达池底板的距离，削弱表面周期波，提高效果，减小尾坎处的水面波动。这样避免了跌坎边墙处立轴漩涡的产生。

Description

高低坎底流消力池

技术领域

本发明涉及一种用于高水头、大单宽流量的底流消能技术，具体地是一种高低坎底流消力池。

背景技术

泄洪前沿宽度有限、单宽流量较大的泄洪消能问题一直是困扰水利工程的一个大问题。现有技术条件下，高水头、大单宽流量的底流消能技术是采用带跌坎的消力池，跌坎分为连续坎和高低坎两种情况。连续坎消力池和高低坎消力池示意图见图1。其中，图中各数字代表意义为：1——泄槽底板；2——高跌坎；3——低跌坎；4——消力池；5——消力池底板；6——消力池尾坎；7——海漫；8——下游河床；9——泄槽边墙。

跌坎消力池的池内流态与跌坎高低、消力池尾坎高程及下游水位密切相关。消力池尾坎高程往往根据消力池检修时的下游水位加一定的安全裕度确定，跌坎顶面高程宜低于消力池尾坎高程。在跌坎高程一定的情况下，当下游水位低于尾坎高程时，消力池内流态由尾坎高程决定；当下游水位高于尾坎高程时，池内淹没度增大，池内流态与下游水位相关。

在下游水位和尾坎高程一定的情况下，随着跌坎高度由小到大，消力池内的淹没度逐渐减小，池内流态依次为回复底流→淹没射流→面流。回复底流时，消力池底板临底流速和脉动压强较大，消力池遭受破坏的风险增大；淹没射流时，消力池内消能充分，底板临底流速和脉动压强降低，消力池的安全性能加大；面流时，主流漂浮在水面，消力池内消能效率低，出池后水面波动较大，对下游河床及两岸岸坡的冲刷加大，往往不能满足通航河段的要求。

对于高低坎消力池，池内流态为淹没射流时消能充分，消力池运行较为安全。在跌坎高度适宜的情况下，可以保证消力池内均为淹没射流流态。通过工程模型试验研究发现：消力池内流态为淹没射流时，存在流态不稳定的的问题，在渲泄大洪水时(100年一遇以上洪水)，消力池尾坎和消力池内的水面波动均较大，尤其是消力池内形成的周期波波幅较大，对尾坎处的水面波动影响较强，影响消能效率和消力池的安全。

李艳玲等人研究了多股水平淹没射流水力特性的影响因素，试验中考察了中孔泄槽为矩形、等宽体型和渐变扩大体型两种方案，发现渐变扩大体型时，由于中孔出口水舌很薄，主流进入消力池后容易上下摆动，形成的淹没射流不稳定，同时主流迅速下潜，致使消力池底板上的水流冲击动压增加。

发明内容

为了解决跌坎消力池内及尾坎处水面波动较大的问题，我们对高低坎方案的体型进行了研究。通过大量试验发现，对高坎在平面上采用合适的收缩角，可以解决这一问题。但对边高坎的外侧墙不收缩。这样避免了跌坎边墙处立轴漩涡的产生。

该体型见图2，图中θ为高坎平面收缩角。

高坎收缩角的最大值θ_max可根据公式(1)进行估算。公式(1)为：

$\mathrm{tg}\left({\mathrm{\θ}}_{\max }\right)=\frac{\sqrt{g\×h}}{K\×v}---\left(1\right)$

式中：

θ_max——边线与泄槽中心线的最大收缩角(单位：度)；

K——经验系数，一般K＝3.0；

h——收缩段起、止断面的平均水深(单位：米)；

v——收缩段起、止断面的平均流速(单位：米)；

下泄水流射入消力池内的入水点与上下游水头差和淹没度有关，入水点距跌坎末端的水平距离L(即射程)可根据能量方程初步估算。在淹没出流的情况下，公式计算会有误差，L值宜通过模型试验确定。

为保证高坎上的水流在射入消力池的入水点上交汇，高坎边墙收缩角θ可根据L值通过公式(2)计算。公式(2)为：

$\tan \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{B}{2\×L}---\left(2\right)$

式中：

L——高坎水流射入消力池内的入水点距跌坎末端(即收缩段末端)的水平距离(单位：米)；

B——高坎泄槽收缩末端的过水断面宽度(单位：米)；

θ——收缩段高坎边墙与泄槽中心线的水平夹角(单位：度)；

高坎水流受缩后，能改变入池水流在铅垂面上的分布，在下游水位较高时，可使部分水体入池位置适当提高，以减小淹没度，充分发挥淹没射流的特性，延长水流到达池底板的距离，削弱表面周期波，提高效果，减小尾坎处的水面波动。

附图说明

图1：现有的高低坎消力池；

图2：本发明提供的高低坎底流消力池。

其中1——泄槽底板；2——高跌坎；3——低跌坎；4——消力池；5——消力池底板；6——消力池尾坎；7——海漫；8——下游河床；9——泄槽边墙；10——消力池边墙；11——高坎平面收缩；θ——高坎平面收缩角。

实施例

某大型水电站枢纽工程，装机6400MW，采用混凝土重力坝，最大坝高162m。设计洪水(P＝0.2％)入库洪峰流量41200m³/s，校核洪水(P＝0.02％)入库洪峰流量49800m³/s。其中，校核洪水情况下上下游水位差约85m，最大下泄总功率约40000MW，消力池内最大单宽流量为225m³/s，消力池入池流速达38m/s～42m/s。

因环境条件限制采用高低坎底流消力池消能。消力池长度228m，池内设中导墙，分为两个对称的消能区。消利池底板高程245m，尾坎高程270m。

高跌坎坎顶高程262m，低跌坎坎顶高程255.5m。试验中首先进行高坎不收缩的试验测量，发现在100年一遇以上洪水时消力池内和尾坎上的水面波动均比较大，池内形成了周期波。为了减小水面波动和削弱周期波，进行了多种方案的试验研究，从中发现对高坎出口收缩的方案对减小水面波动和削弱周期波的效果比较显著。可以认为高坎出口收缩是解决这一问题比较理想的方法。

以下是水工模型试验中的一组对比试验数据。

对比方案一和方案二的泄洪布置格局一致，高坎、低坎顶面高程相同，消力池布置完全相同。唯一不同之处在于：方案一采用高坎、低坎均为等宽出口；方案二采用低坎等宽出口，高坎平面对称收缩，高坎边墙平面收缩角θ为2.1度。试验中测量了消力池临底流速和消力池内水面波动和尾坎处的水面波动，实测数据见表1。

表1对比方案试验数据

洪水频率p	测量项目	方案一	方案二
				1％	消力池底板最大临底流速(m/s)	16.19	13.63
消力池内最大水面波动(m)	11.66	10.68
			消力池尾坎处水面波动(m)		4.75	3.83
0.2％	消力池底板最大临底流速(m/s)	18.53					15.21
			消力池内最大水面波动(m)	14.85	11.43
	消力池尾坎处水面波动(m)	6.40				3.89

试验成果表明，采用表孔出口跌坎平面收缩后，消力池的临底流速和消力池表面的水面波动明显减小，尤其是在泄大洪水时消力池尾坎处的水面波动值降低较多，在泄P＝0.2％的洪水时，尾坎处水面波动值降低了近40％，大大提高了消力池的消能效率。

Claims (2)

1.高低坎底流消力池，包括高坎，其特征在于对高坎在平面上采用合适的收缩角θ，但对边高坎的外侧墙不收缩。

2.根据权利要求1所述的高低坎底流消力池，其特征在于收缩角θ按式(2)进行计算：

$\tan \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{B}{2\×L}---\left(2\right)$

式中：

L——高坎水流射入消力池内的入水点距跌坎末端(即收缩段末端)的水平距离(单位：米)；

B——高坎泄槽收缩末端的过水断面宽度(单位：米)；

θ——收缩段高坎边墙与泄槽中心线的水平夹角(单位：度)。

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