CN101408022A - 水闸戽式分流消能防冲技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的水闸戽式分流消能防冲技术。本发明包括总体设计思路，断面仿真水力模型选型，整体仿真水力模型验证，原型观测以及经济技术比较等五个部分。本发明设计最关键的有八个要素，即墩的前缘宽度B₁，末端顶部宽度B₂，末端底部宽度B₃，墩迎水面反弧半径R，挑射角θ，墩高度P，墩的数量以及墩末端顶部间距B₄等。本发明水闸戽式分流消能防冲技术的设计方法分两大部分，一是体形设计，二是墩的分布。这样设计的戽式分流墩，具有下游低水位，常遇流量泄洪工况消能率高，消力池池深小，池长短，工程量少，投资省等特点。

Description

水闸戽式分流消能防冲技术

技术领域

本发明涉及水利水电水闸设计中的关键技术水力能量耗散设计方法。具体说是一种新型的水闸戽式分流消能防冲技术。

技术背景

水闸是坝工中最主要的建筑物之一，兼具挡水和泄水双重作用，水闸的功能包括防洪，灌溉，发电，供水，航运等等。因此，在结构上要求其安全合理之外，还要有良好的水力特性，水闸戽式分流消能防冲技术属于水利水电工程大坝泄洪消能新技术范畴，内容涉及坝工中最主要建筑物水闸的泄洪消能设计。

全世界1950年之后修建的坝高超过15m，或库容超过300万m³的大坝超过40000座，是1950年前人类所建大坝总数的8倍。这短短60年对于自然河流数以百万年计的进化过程来说，实在是微不足道，然而用现代工程技术手段对河流进行大规模的开发利用所带来的人工变化甚至超过了河流数百万年的自然演变，而闸坝泄洪消能技术的采用正是力图克服或减轻这种变化。人类总想在最短的距离，最少的时间内，将水流因建坝而产生的变化尽快消除。这除了对工程本身安全和投资方面的考虑外，还有就是对自然保护方面的考虑。人们最早的想法就是利用高速水流自身的能量将水流射出，远离建筑物以确保安全，最早使用这种挑流消能方式的是法国。上世纪30年代末到40年代初，美国在大量室内试验的基础上，创造出利用高速水流在下游一定尾水作用下产生剧烈漩滚来耗散水能的技术，即消力戽，这种消能工最早出现于美国大古力坝(GrandGoulee)，六十年代引入我国，七十年代初期在我国汉江的石泉水电站第一次在实际工程中应用，此后，在一些新建和改建工程的设计方案中采用消力戽的与日俱增，如安康、大黑汀、板桥、宝鸡峡等。“SAF”型消力池是上世纪四十年代提出的池型，池内布置有趾墩和消力墩，靠辅助消能工形成水跃，有较高的消能率，池长也较短，长期以来被广泛应用于美国的中小型水利工程。T型墩消力池是一种冲击式消力池，在墩的体形上做了较大的改进，但其消能原理，基本上与“SAF”消力池相似，该技术1951年在印度哈伐尼(Bharani)坝消力池中采用后，渐为世人所重视，我国上世纪七十年代后期，在湖南三江口溢流坝工程中进行了应用，由于该技术可减少池长50％左右，减少第二共轭水深10-20％。先后被应用于我国湖南河溪电站，黑龙江桃山水库，吉林沙河子水库，五道水库，东林水库，柳扬水库，小石河水库等一批水利工程的消力池中，尽管历经几十年的研究和不断改进，消力戽消能和消力墩消能仍然存在以下不足：对于消力戽消能，戽斗对下游水深要求较高，流态变化对水深变化十分敏感，实际应用中往往多数流态无法达到理想状态；而对于消力墩消能，由于墩体直接受水流冲击，体形虽几经改进，但受力条件和抗气蚀能力都无法让人满意。因此如何在变化频繁的下游水位条件下，在尽可能短的距离内，恢复水流运动因建闸而产生的巨烈变化，还水流于自然状态，与此同时，又能保证对结构造成的伤害最小，这是目前坝工界尚待攻克的重要技术难题。

从包括中国专利在内的有关资料检索表明，目前国内外尚无水闸戽式分流消能防冲技术的应用实例和相关报道。

发明内容

为了能够在变化频繁的下游水位条件下，在尽可能短的距离内，恢复水流运动因建闸而产生的巨烈变化，还水流于自然状态，改善结构的受力条件和抗气蚀能力，节约造价，本发明提供了一种新型的水闸戽式分流水能防冲技术。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明包括总体思路构想，断面仿真水力模型选型，整体仿真水力模型验证，原型观测，经济技术比较等五个部分。水闸戽式分流消能防冲技术的关键在于：戽式分流墩的体形及分布，即墩的前缘宽度B₁，末端顶部的宽度B₂，末端底部宽度B₃，墩迎水面反弧半径R，挑射角θ，墩高度P，墩的数量以及墩末端顶部间距B₄等八大因素，而这八个因素彼此间又是相互制约的。本发明的特征是：戽式分流墩。具体设计计算方法，分为两部分，一是戽式分流墩体型设计，二是消力池水力设计。戽式分流墩宽度的确定主要取决于挑流与底流消能的分流比，一般以50％为宜，另外还应根据水流扩散，掺气以及底流与挑流相互作用的流态加以确定，若单宽闸孔净宽为B。则

戽式分流墩的前缘宽度B₁为：

B₁＝B₀/11         (1)

戽式分流墩末端顶部宽度B₂为：

B₂＝B₀/6          (2)

戽式分流墩末端底部宽度B₃为：

B₃＝B₀/5          (3)

戽式分流墩末端顶部间距B₄为：

B₄＝B₀/8          (4)

戽式分流墩的高度P，迎水面反弧半径R，挑角θ的确定，应主要考虑挑流的最大落水点应控制在墩后消力池斜坡段与水平段交界处靠下游侧为宜。初设时，墩高P可取H₀/4，H₀为消力池底板以上总能头，θ取70°左右，迎水面反弧半径R可由下式计算：

R＝P/(1-cosθ)    (5)

分流墩的数量不宜过多或过少，一孔一般布置3个。

与戽式分流墩相适应的消力池水力设计方法如下：

分别对闸前断面，收缩断面和下游稳定区域断面列出能量方程，则有：

H₀＝h_c+q_d ²/(2gΦ²h_c ²)            (6)

其中H₀为消力池底板以上总能头，h_c为参加底流消能的收缩断面水深，q_d为参加底流消能的单宽流量，g为重力加速度，流速系数φ与坝高、坝上水头、闸门与底板形式、糙率等因素有关，平底上平板闸门，或宽顶堰上平板闸门，自由出流时可取0.85～1.00。

H₀＝H+V₀ ²/(2g)          (7)

H₀为闸底板以上水头，V₀为闸前行近流速，g为重力加速度。

$F_{\mathrm{rc}}=V_c/\left(\sqrt{{\mathrm{gh}}_c}\right)---\left(8\right)$

$h_2=\sqrt{1+8{F_{\mathrm{rc}}}^2-1}---\left(9\right)$

h_t＝C₁h₂                (10)

L_j＝C₂(h₂-h_c)           (11)

L_σ＝C₃L_j＝L            (12)

其中F_rc为收缩断面佛汝德数，h_c为收缩断面水深，h₂为第二共轭水深。h_t为下游适宜水深，L_j为水跃长度，L_σ为淹没水跃长度，L为消力池池长，C₁，C₂，C₃为试验待定系数。C₁表示下游适宜水深与第二共轭水深的关系，初步设计时可取0.83-0.89之间，小流量取大值，大流量取小值。C₂表示与水跃长度有关的系数，由于戽式分流墩的采用，使水跃的形成和发展发生了深刻变化，收缩断面水深增加，第二共轭水深减小，C₂一般取6.2-6.5。C₃是一个与下游适宜水深条件和所需的消力池池长有关的系数，初设时可取1。

本发明的有益效果是：通过戽式分流墩，使水流实际参加底流消能的流量减少，从而降低了对下游第二共轭水深的要求。当下泄流量很小时，挑流与底流消能相结合，戽式分流墩起到了挑坎的作用，由挑流消能形成的水垫实际上加大了下游水深，这对同时产生的底流消能是十分有益的；当流量较大时，戽流与底流消能相结合，戽式分流墩起到了消力戽斗的作用，由于一部分水流参加了底流消能，因此，实际参加戽流消能的流量减少，戽流要求的下游水深降低。这对戽流消能也是十分有利的，部分室内试验表明，戽式分流消能防冲技术在中小流量或经常性运行的流量下，可减少下游水深25～28％，缩短池长8～26％，在大流量下可减少下游水深23％，缩短池长9％，这对于在实际水闸运行中以中小流量泄洪工况控制的工程来说具有普遍意义，因此该新技术具有良好的经济效益和应用前景。目前，戽式分流消能防冲技术已成功应用于福建省重点工程金鸡桥闸的设计中，可减少消力池开挖深度32％，缩短消力池长度31％，节省工程投资283万元。因此，本发明具有消力池池深小，池长短，工程量少，投资省等特点。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

图1是本发明水闸戽式分流墩剖面视图。

图2是本发明枢纽布置图。

图3是本发明水闸剖面图。

图4是本发明水闸平面图。

图中戽式分流墩迎水面曲线1，墩顶2，墩底3，墩背水面4，水闸闸门5，闸墩6，消力池7

实施例1：

如图1所示的戽式分流墩迎水面曲线1设计为：

半径为3.1m的圆柱面；

墩顶2的设计为：

上底长2.7m，下底长3.5m，高为0.622m的水平梯形形状；

墩底3设计为：

1∶4的斜坡段，下与消力池水平段相连。

墩背水面4设计为：

宽3.5m，高为2.88m或3.28m的垂直面矩形形状；

水闸闸门5为宽8.5m，高为7.5m的平板钢闸门；

闸墩6为长18m，厚2.5m的长方体，两头为半径1.25m的柱状体；

消力池7为一侧1∶4斜坡面，深3.2m的池子。

Claims (4)

1、一种新型的水闸戽式分流消能防冲技术，其特征是：水闸戽式分流消能防冲技术具体设计计算方法分两部分，一是戽式分流墩体型设计，二是消力池水力设计。戽式分流墩宽度的确定主要取决于挑流与底流消能的分流比，一般以50％为宜，另外还应根据水流扩散，掺气以及底流与挑流相互作用的流态加以确定，若单宽闸孔净宽为B。则

戽式分流墩的前缘宽度B₁为：

B₁＝B₀/11(1)

戽式分流墩末端顶部宽度B₂为：

B₂＝B₀/6(2)

戽式分流墩末端底部宽度B₃为：

B₃＝B₀/5(3)

戽式分流墩末端顶部间距B₄为：

B₄＝B₀/8(4)

戽式分流墩的高度P，迎水面反弧半径R，挑角θ的确定，应主要考虑挑流的最大落水点应控制在墩后消力池斜坡段与水平段交界处靠下游侧为宜。初设时，墩高P 可取H₀/4，H₀为消力池底板以上总能头，θ取70°左右，迎水面反弧半径R可由下式计算：

R＝P/(1-cosθ)(5)

分流墩的数量不宜过多或过少，一孔一般布置3个。

与戽式分流墩相适应的消力池水力设计方法如下：

分别对闸前断面，收缩断面和下游稳定区域断面列出能量方程，则有：

H₀＝h_c+q_d ²/(2gφ²h_c ²)(6)

其中H₀为消力池底板以上总能头，h_c为参加底流消能的收缩断面水深，q_d为参加底流消能的单宽流量，g为重力加速度，流速系数φ与坝高、坝上水头、闸门与底板形式、糙率等因素有关，平底上平板闸门，或宽顶堰上平板闸门，自由出流时可取0.85～1.00。

H₀＝H+V₀ ²/(2g)(7)

H₀为闸底板以上水头，V₀为闸前行近流速，g为重力加速度。

$F_{\mathrm{rc}}=V_c/\left(\sqrt{g{h}_c}\right)---\left(8\right)$

$h_2=\sqrt{1+8{F_{\mathrm{rc}}}^2-1}---\left(9\right)$

h_t＝C₁h₂(10)

L_j＝C₂(h₂-h_c)(11)

L_o＝C₃L_j＝L    (12)

其中F_rc为收缩断面佛汝德数，h_c为收缩断面水深，h₂为第二共轭水深。h_t为下游适宜水深，L_j为水跃长度，L_o为淹没水跃长度，L为消力池池长，C₁，C₂，C₃为试验待定系数。

2、根据权利要求1所述的水闸戽式分流消能防冲技术，其特征是：C₁表示下游适宜水深与第二共轭水深的关系，初步设计时可取0.83-0.89之间，小流量取大值，大流量取小值。

3、根据权利要求1所述的水闸戽式分流消能防冲技术，其特征是：C₂表示与水跃长度有关的系数，由于戽式分流墩的采用，使水跃的形成和发展发生了深刻变化，收缩断面水深增加，第二共轭水深减小，C₂一般取6.2-6.5。

4、根据权利要求1所述的水闸戽式分流消能防冲技术，其特征是：C₃是一个与下游适宜水深条件和所需的消力池池长有关的系数，初设时可取1。

戽式分流消能防冲技术在中小流量或经常性运行的流量下，可减少下游水深25～28％，缩短池长8～26％，在大流量下可减少下游水深23％，缩短池长9％。

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