CN102286963A - 新体型溢流坝及底流消能方法 - Google Patents

Abstract

一种新体型溢流坝及底流消能方法，属于水利工程坝工设计技术领域，涉及到用于中、低水头溢流坝采用底流消能时的工程设计。其特征是截去传统体型溢流坝的反弧段，堰面水流从直线段直接入射消力池，缩短了传统消力池的长度，抬高了消力池的底板高程。消力池分为两级，为台阶式的，堰面水流从直线段入射消力池的凹槽。本发明的效果和益处是：新体型溢流坝在满足设计要求并且保证与常规体型溢流坝泄流能力相同的前提下，减小了坝体的剖面形状，减少了工程中坝体混凝土的用量，改善了溢流坝下游的消能工，可以减少约50％的消能工工程量，节省20-30％的底流消能工投资。

Description

新体型溢流坝及底流消能方法

技术领域

本发明属于水利工程坝工设计技术领域，涉及到用于中、低水头溢流坝采用底流消能时的工程设计，特别涉及到一种新体型溢流坝及底流消能方法。

背景技术

目前，实际工程中，中、低水头乃至少数高水头的溢流坝，都采用底流消能，由传统的溢流坝和消力池构成。传统体型溢流坝的溢流面一般由堰顶曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成。传统体型溢流坝存在的问题主要有：剖面面积较大，以至于坝体混凝土用量庞大，另外下游底流消能工工程量也较大。

针对传统体型溢流坝存在的部分缺陷，已有相关文献通过理论分析与试验研究，对溢流坝剖面形状进行了合理优化。提出的优化方案能较好地适应过堰水流的流动特性，消除了低压气囊，改善了泄流流态，保证了溢流坝的安全运行。但是，目前这些文献对溢流坝体型的研究，基本上都侧重于对堰顶上游段曲线和下游段曲线的研究，最终还是没有摆脱传统体型溢流坝剖面采用的三段式，所以坝体体积仍然较大。

发明内容

本发明的目的是：为了克服实际工程中传统体型溢流坝庞大的混凝土用量，以及下游底流消能工的巨大投资，本发明提供一种新体型的溢流坝及底流消能方式，在保证与常规体型溢流坝泄流能力相同的条件下，可以减小了坝体的剖面形状，特别是能明显改善溢流坝下游的消能工。

本发明的技术方案是：截去传统体型溢流坝的反弧段，堰面水流从直线段直接入射消力池，消力池分为两级，为台阶式的，调整台阶的位置使堰面水流刚好入射到消力池的凹槽内。

新体型溢流坝及底流消能方式的理论根据如下：

设传统体型溢流坝采用底流消能方式时的水跃共轭水深为h₂₀，见附图3，其计算公式为：

$\frac{{h_1}^2}{2}+\frac{q^2}{g{h}_1}=\frac{{h_{20}}^2}{2}+\frac{q^2}{g{h}_{20}}---\left(1\right)$

令 $Y_1=\frac{h_{20}}{h_1},$ ${{\mathrm{Fr}}_1}^2=\frac{q^2}{g{h_1}^3},$ 代入(1)得：

Y₁ ³-(1+2Fr₁ ²)Y₁+2Fr₁ ²＝0(2)

设新体型溢流坝采用底流消能方式时的水跃共轭水深为h_2n，见附图4，其计算公式为：

$\frac{{{\mathrm{\ξh}}_1}^2}{2}+\frac{q^2\cos \mathrm{\α}}{g{h}_1}=\frac{{h_{2n}}^2}{2}+\frac{q^2}{g{h}_{2n}},(\mathrm{\ξ}\≤1)---\left(3\right)$

令 $Y_2=\frac{h_{2n}}{h_1},$ 代入(3)得：

Y₂ ³-(ξ+2cosαFr₁ ²)Y₂+2Fr₁ ²＝0  (4)

因式(4)中的(ξ+2cosαFr₁ ²)小于式(2)中的(1+2Fr₁ ²)，所以Y₂＜Y₁，这表明附图4中的水跃共轭水深h_2n小于附图3中的水跃共轭水深h₂₀，所以新体型溢流坝下游消力池的深度和长度都可以减小。根据理论计算结果以及水工模型试验结果，新体型溢流坝及底流消能方式如附图2所示。

本发明的效果和益处是：新体型溢流坝在满足设计要求并且保证与常规体型溢流坝泄流能力相同的前提下，减小了坝体的剖面形状，减少了工程中坝体混凝土的用量，改善了溢流坝下游的消能工，可以减少约50％的消能工工程量，节省20-30％的底流消能工投资。

附图说明

附图1是传统体型溢流坝及底流消能方式图。

图中：1.堰顶曲线段，2.中间直线段，3.下部反弧段，4.消力池底高程，5.下游河床高程。

附图2是新体型溢流坝及底流消能方式图。

图中：6.消力池上游段底高程，7.消力池下游段底高程。

附图3是传统体型溢流坝采用底流消能方式时的水面衔接示意图。

图中q为下泄单宽流量，v₁为收缩断面处的流速，h₁为跃前水深，h₂₀为跃后水深。

附图4是新体型溢流坝采用底流消能方式时的水面衔接示意图。

图中α为溢流坝中间直线段与水平面的夹角。

附图5是传统体型溢流坝在库水位为105.00m时的水面线示意图。

附图6是传统体型溢流坝在库水位为110.00m时的水面线示意图。

附图7是新体型溢流坝在库水位为105.00m时的水面线示意图。

附图8是新体型溢流坝在库水位为110.00m时的水面线示意图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

对传统体型和新体型的溢流坝进行了水工模型试验，对比试验结果如下：

1.传统设计的消力池如下：

下游水位高程▽80.00m，河床高程▽69.02m，消力池底板高程▽62.32m，消力池深6.70m，消力池长82.07m，坝和消力池总长120.37m。在库水位为105.00m和110.00m时的水面线示意图见附图5和附图6。

2.按本发明设计的消力池如下：

下游水位高程▽80.00m，河床高程▽69.02m，消力池底板上游段高程▽64.02m，下游段高程▽65.02m，消力池深4.00m，消力池长45.08m，坝和消力池总长73.40m。在库水位为105.00m和110.00m时的水面线示意图见附图7和附图8。

由水面线示意图可以看出，后者的水面衔接优于前者，而工程量后者远小于前者。

Claims (1)

1.一种新体型溢流坝及底流消能方法，其特征是截去传统体型溢流坝的反弧段，堰面水流从直线段直接入射消力池，消力池分为两级，为台阶式的，调整台阶的位置使堰面水流刚好入射到消力池的凹槽内。

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