CN101831891A - 水电站岸坡-自然消力池联合消能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水电站岸坡-自然消力池联合消能方法，其特点在于，在水电站溢洪道出水口下方设置一个坡度小于70°的梯形岸坡，岸坡下端直接与河床相接，令溢洪道出水口水流从岸坡流下减小单宽流量后在河床边缘处冲刷出一自然消力池，溢洪道出水口水流经岸坡和自然消力池联合消能后顺河床下泄。本方法中，岸坡可由天然岸坡平整衬砌而成，岸坡设置为上窄下宽的梯形，溢洪道出水口水流经过梯形岸坡下泄，从而减小了下泄水流的单宽流量，下泄水流在电站下游河床中靠近岸坡边缘处冲击河床形成一冲刷坑，该冲刷坑作为自然消力池可令下泄水流在其内形成水跃消能，消能效果好且可有效地节省了建筑物布置空间。

Description

水电站岸坡-自然消力池联合消能方法

技术领域

本发明涉及水利工程领域，尤其是一种水电站岸坡-自然消力池联合消能方法。

背景技术

目前，随着我国山区性河流水力资源的逐步开发，我国水电工程建设事业发展进入了高潮阶段，尤其是在西部山区修建了大量的中小型水电站。天然河道中的水流一般多属于缓流，单宽流量沿河宽方向的分布较均匀。但当河道中修建了坝、闸等泄水建筑物后，河道中流动条件发生了较大变化，下泄水流(比未建坝前的水流)流速大，水流能量大，对下游河床具有较大破坏力。这个问题在实际工程中如果解决不好，不仅将在下游河床产生严重的冲刷、河道淤积，而且会造成恶劣的流态，影响枢纽中其他建筑物的正常运行，甚至会危及大坝的安全。因此，采取有效的工程措施，人为地控制泄水建筑物下游水流的衔接与消能，以确保建筑物的安全是十分必要的。

在山区河流峡谷地带兴建中小型水电站时，为了方便水工建筑物布置需要，常常考虑修建溢洪道来泄放水库中多余水量。溢洪道中高速水流下泄到水电站下游河床时需要进行消能。而山区河流往往具有河谷狭窄，地形地质条件复杂，洪水暴涨暴落，流量和水位变幅大，河床组成多为砂卵石或基岩等特点。因此，山区河流的上述特点，给溢洪道消能方式的选择、布置、设计带来相当大的难度，泄洪消能问题也变得复杂多变，成为了工程设计中必须慎重考虑的关键性技术问题。

现有的水电站消能方式常常有以下几种，一种是采用挑流消能的方式，在泄洪建筑物末端设置挑流鼻坎，将泄放的高速水流导向下游离泄水建筑物较远的位置，跌落水流冲刷河床形成一个冲刷坑，大部分能量在冲坑水垫中紊动剪切消散。虽然挑流消能因具有结构型式简单，可以有效控制射流落入下游河床的位置、范围和流量分布，对尾水变幅适应性强，工程量小等优点成为工程应用最广泛的消能方式，但在工程实践中它也存在如下缺点：下游局部冲刷问题较严重，堆积物较多，尾水波动与雾化都比较大。尤其是山区河流中的峡谷河道存在高陡边坡的稳定问题，如果岸边存在如松散崩滑体等不利地质条件时，也常常造成岸坡失稳崩滑等现象产生。

另外一种常见的消能工型式为在泄水建筑物下游人工设置消力池。其消能机理为：通过在消力池中形成水跃，将泄水建筑物泄出的急流转变为缓流，以消除多余动能的消能方式。消能主要靠水跃产生的表面漩滚水流与底部主流间的强烈紊动、剪切和混掺作用。采用修建消力池进行消能的方式，往往具有流态稳定、消能效果较好、对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点，但是在山区河流修建水利枢纽工程时，根据前述山区河流存在的特点常常面临着修筑护坦较长，建筑物的布置空间不足，土石方开挖量和混凝土方量较大，工程造价较高等问题。

所以如何设计出一种实施成本便宜、消能效果好且便于在峡谷地带河道较窄的山区河流水电站实施应用的消能技术，即成为本领域一直未解决的难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，为了克服上述现有技术的不足，而提供一种工程造价低、消能效果良好且特别适用于山区水电站中实施的水电站岸坡-自然消力池联合消能方法。

为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案：

一种水电站岸坡-自然消力池联合消能方法，其特点在于，在水电站溢洪道出水口下方设置一个坡度小于70°的梯形岸坡，岸坡下端直接与河床相接，令溢洪道出水口河水从岸坡流下减小单宽流量后在河床边缘处冲刷出一自然消力池，水流在自然消力池内产生漩滚水流，通过水流的强烈紊动、剪切、混掺作用消散水流的大部分能量，使消能后溢出水流流速减至河床允许的抗冲流速范围内，这样即令溢洪道下泄集中水流经岸坡和自然消力池联合消能后归顺天然河道。

本方法中，岸坡可由天然岸坡平整衬砌而成，使其坡度小于70°可有效减缓岸坡中水流速度，同时在岸坡建筑布局实际情况允许的范围内可使其坡度尽量减小，岸坡设置为上窄下宽的梯形，两侧可设置挡水墙约束水流，溢洪道出水口水流经过梯形岸坡下流，从而减小了下泄水流的单宽流量，下泄水流在电站下游河床中靠近岸坡边缘处冲击河床形成一冲刷坑，该冲刷坑作为自然消力池可令下泄水流在其内形成水跃，靠水跃产生的漩滚水流在自然消力池内的强烈紊动、剪切和混掺作用进行消能。由于该自然消力池直接位于河床内，故可有效地节省了建筑物布置空间；同时由于岸坡是上窄下宽的梯形设置，可更加有效地减小下泄水流单宽流量，水流能量分散，因此冲刷形成的自然消力池无论在深度和范围上都比较小，且能在自然消力池中消散掉下泄水流的大部分能量，不会因单宽流量过大、能量集中而造成冲击河床形成的冲刷坑范围和深度过大，下游河床堆积物多，河床形态巨变并对两岸岸坡稳定构成威胁的现象，保证自然消力池的消能效果。确保水流从自然消力池充分消能溢出后，水流流速降低到河床所允许的抗冲流速范围内，水面流态良好，不会影响下游河势稳定及岸边建筑物的安全运行。作为优化，在大坝溢洪道出口段也应设计成断面宽度逐渐增大的结构形式，可将集中水流初步分散，减小下泄水流单宽流量。

上述方案中，岸坡出口处两挡水墙之间的距离，即该处过水断面宽度的确定，可根据单宽流量的大小初步确定，采用公式(1)B＝Q/q来确定，式中B-岸坡出口处过水断面宽度，Q-洪水流量，q-单宽流量。单宽流量大小的选择主要依赖于允许的下游河床冲刷坑深度的大小。因为冲刷坑的深度与单宽流量、上下游水位差、入水角度、下游水深以及冲坑部位地质条件等因素有关，因此，可根据冲坑部位地质条件情况，首先确定出允许的下游河床冲刷坑深度值，再根据下面的估算公式(2)反求出单宽流量的大小。

$t_s=2.4q(\frac{\mathrm{\η}}{\mathrm{\ω}}-\frac{2.5}{v_t})\frac{\sin \mathrm{\β}}{1-0.175\cot \mathrm{\β}}-0.75h_t---\left(2\right)$

式中，t_s-冲刷坑深度，m；        h_t-冲刷坑后的下游水深，m；

η-为反映流速脉动的某一系数值，可取1.5～2.0；

v_t-下游水面流速，m/s；        q-单宽流量，m³/(m·s)；

ω-河床颗粒的水力粗度，m/s；  β-水流入水角度；

水流经过岸坡初次消能后以一定的入水角度(与岸坡倾斜角度一致)直接冲击河床，在岸坡底部河床位置形成冲刷深度较小的局部冲刷坑，该冲刷坑作为自然消力池进行消能，水流在冲刷坑内不断冲击碰撞坑内砂石并形成较大的漩滚，利用冲刷坑内漩滚水流的强烈紊动、混掺、剪切作用而消散掉水流的大部分能量。冲刷坑在平面形态上沿河床纵向呈带状。由于单宽流量的减小和经过消能岸坡的初次消能，河床中形成的局部冲刷坑无论在深度和冲刷范围上都比较小，不会对对岸岸坡造成冲刷破坏，且冲刷坑后溢出的堆积物较少，在下游河床中没有出现泥沙淤塞河道和威胁沿岸建筑物安全的现象。

作为上述方法的改进，可在岸坡上横向设置多排消力墩，消力墩直接垂直锚固在岸坡上，令岸坡上水流向下流动时依次与各排消力墩碰撞、掺气并强烈紊动进行消能。这样，下泄水流在岸坡上即通过与消力墩的碰撞造成水流强烈紊动剪切作用初步消散水流能量，故可大大提高整体消能效果。

作为进一步的改进，在设置消力墩时，可使消力墩设置的高度处于在溢洪道最大泄洪量时使消力墩恰好被淹没状态，使下泄水流正面冲击单个消力墩后能从其两侧形成分散水流同时能从其顶部形成短距离挑射水流；使每排消力墩分散和挑射的每股水流在岸坡上相互碰撞掺气摩擦再不断地与后排消力墩发生碰撞进行消能。这样，可进一步提高消力墩的消能效果。

另外，本方法中采用的消力墩还可以作如下优化，将所述消力墩沿横向和竖向均设置为整齐的排状；消力墩的横向间距为单个消力墩横向宽度的3～4倍，纵向间距为消力墩高度的2～3倍。这样，可以使每一个消力墩正面所受到的水流恰好沿其两侧跌落到其两侧的下一排消力墩上，故可最大化地增加水流与消力墩撞击机会，最大化地消除水流动能。同时，使所述消力墩纵断面形状设置为直角梯形，消力墩迎水受力面与岸坡垂直，消力墩垂直锚固在岸坡上。相邻消力墩侧面可保持平行，消力墩迎水面尽量与来流方向垂直，保证水流正面冲击消力墩，使每个消力墩的消能效果最大化，同时又保证了消力墩的稳固性。在消力墩布置时，可使所述消力墩纵向方向与泄流方向一致，或者尽量一致，这样可保证水流正面冲击碰撞消力墩，优化消能效果；同时，可在水流比较密集的地方加密布置，增加水流与消力墩碰撞次数，增强水流的紊动程度，使其充分混掺耗散能量，提高消能效果；在分散水流量比较稀疏的地方可以适当减小消力墩的布置密度，节约成本的同时，也不会对河床造成强烈的局部冲刷。一般沿溢洪道泄槽中心主流线位置流出的水流较为集中，而偏离主流线位置的分散水流量较少。这样将岸坡上消力墩自身结构和布置结构优化后，可使得岸坡对下泄水流起到减小单宽流量作用的同时，还可使岸坡自身达到最大化的消能效果。

综上所述，相比于现有技术，本方法具备以下优点：

1、本发明方法采用了岸坡和自然消力池联合消能的方式，由直接与河床相接的梯形岸坡来减小下泄水流单宽流量，同时在岸坡上设置消力墩进行初步消能；再由岸坡下端河床内直接冲刷出的自然消力池进行底流消能，消散下泄急流的多余能量，使水流流速减小至天然河道允许的范围内，水面流态较好，河势稳定，且河道岸坡稳定，消能效果良好。

2、本发明方法实施时，岸坡只需利用天然坡岸平整衬砌即可得到，自然消力池可由岸坡下泄水流自然冲刷河床得到，消力墩也只需采用混凝土筑造，工程开挖量小，故具备实施成本便宜的优点。同时由于自然消力池直接在河床内冲刷得到，故降低工程造价的同时还有效地节约了建筑布局空间，使其特别适合在峡谷地带河道较窄的山区河流的水电站中实施应用。

3、本方法中，在岸坡中设置的消力墩，优化了自身结构和布置结构，使其能起到最大化的消能效果。

附图说明

附图1是实施本发明制得的消能结构的纵断面结构示意图。

附图2是实施本发明制得的消能结构的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

一种水电站岸坡-自然消力池联合消能方法，实施时如图1和图2所示，在水电站溢洪道出水口下方设置一个坡度小于70°的梯形岸坡3，岸坡3由天然岸坡平整衬砌而成，岸坡3下端直接与下游河床2相接，令溢洪道出水口流出的水流从岸坡3流下减小单宽流量后在下游河床2中的边缘处冲刷出一自然消力池6，溢洪道出水口流出的水流经岸坡3和自然消力池6联合消能后顺河床2下泄。实施时在岸坡上还横向设置有多排消力墩4，消力墩4为混凝土制得的墩状体，直接垂直锚固在岸坡3上，令岸坡3上水流向下流动时依次与各排消力墩4碰撞进行消能；在设置消力墩4时，可使消力墩4高度处于在溢洪道最大泄洪量时使消力墩4恰好被淹没状态，使下泄水流正面冲击单个消力墩4后能从其两侧形成分散水流同时能从其顶部形成短距离挑射水流；使每排消力墩4分散和挑射的每股水流在岸坡3上相互碰撞掺气摩擦再不断地与后排消力墩发生碰撞进行消能。

其中，所述消力墩4布置为沿横向和竖向均呈整齐的排状设置；消力墩4的横向间距为单个消力墩横向宽度的3～4倍，纵向间距为消力墩高度的2～3倍；消力墩4纵断面形状为直角梯形，消力墩4迎水受力面与岸坡3垂直，相邻消力墩侧面为平行设置，这样可使消力墩消能效果最大化。在岸坡3两侧设置有挡水墙5。挡水墙5可将下泄水流约束在其内，使其与各排消力墩4不断碰撞从而进行消能。同时，大坝溢洪道出口段1也设置为过水断面宽度逐渐增大的形式，起到初步减小水流单宽流量的作用。

另外，实施时，所述消力墩纵向方向可与泄流方向一致，或者尽量一致，这样可保证水流正面冲击碰撞消力墩，优化消能效果。消力墩布置时，可在水流比较密集的地方加密布置，增加水流与消力墩碰撞次数，增强水流的紊动程度，使其充分混掺耗散能量，提高消能效果；在分散水流量比较稀疏的地方可以适当减小消力墩的布置密度，节约成本的同时，也不会对河床造成强烈的局部冲刷。一般沿溢洪道泄槽中心主流线位置流出的水流较为集中，而偏离主流线位置的分散水流量较少。

Claims (3)

1.一种水电站岸坡-自然消力池联合消能方法，其特征在于，在水电站溢洪道出水口下方设置一个坡度小于70°的梯形岸坡，岸坡下端直接与河床相接，令溢洪道出水口水流从岸坡流下减小单宽流量后，在河床边缘处冲刷出一自然消力池，水流在自然消力池内产生漩滚水流，通过水流的强烈紊动、剪切、混掺作用消散水流的大部分能量，使消能后溢出水流流速减至河床允许的抗冲流速范围内，这样即令溢洪道出水口水流经岸坡和自然消力池联合消能后顺河床下泄。

2.如权利要求1所述的水电站岸坡-自然消力池联合消能方法，其特征在于，在岸坡上横向设置多排消力墩，令岸坡上水流向下流动时依次与各排消力墩撞击进行消能。

3.如权利要求2所述的水电站岸坡-自然消力池联合消能方法，其特征在于，使下泄水流正面冲击单个消力墩后能从其两侧分散水流同时能从其顶部形成短距离挑射水流；使每排消力墩分散和挑射的每股水流在岸坡上相互碰撞、掺气、剪切再不断地与后排消力墩发生碰撞进行初步消能。

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