CN102888828B - 用于过水围堰消能平台的水垫池方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于过水围堰消能平台的水垫池方法，属于水利工程领域。该方法通过对过水围堰消能平台设置水垫池。实现步骤：先计算过水围堰消能平台附近水跃跃前弗汝德数；根据水跃跃前水深及弗汝德数，确定消能平台总长度；由定义的水垫池长度系数，反算出水垫池的长度；结合消能平台前堰面坡度、水流流速方向，确定出水垫池深度与水垫池长度比值得水垫池深度。本发明在过水围堰消能平台设置水垫池后，可吸收堰面射流能量，实现水流柔性转向，并降低了底部流速；水体在水垫池实现了“软着陆”，降低消能平台底板承受的冲击力和脉动压力，提高其消能效果；减轻水流对下游护面、堰脚的冲刷，实现过水围堰安全溢洪。

Description

用于过水围堰消能平台的水垫池方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术，特别涉及一种采用水垫池技术的用于过水围堰消能平台的水垫池方法。

背景技术

水利工程中，过水围堰参与溢洪，可减小导流建筑物的规模，具有降低工程造价、缩短工期的优势。采用围堰过流可以解决按全年挡水设计时工程量较大、水工布置困难的问题，是山区河流较为经济、合理的导流方式。

作为临时水工建筑物，过水围堰的抗冲刷能力相对较弱。溢洪时一旦堰面、堰脚局部冲开缺口、填充料被掏，最终有可能导致发生溃堰事故，将严重影响施工、危胁下游安全。为此有必要寻求改善过水围堰水力条件的方法，减轻水流对护面的冲刷，保障过水围堰安全。目前解决此问题的途径主要是：在过水围堰的背水面设置消能平台，使得水流沿堰面斜冲加速后转向，从急流过渡为缓流，即通过水跃与下游衔接，同时达到消能的作用。由于消能平台上水流急转向、其底流速较大，采用该方法其消能平台底板承受的冲击力和脉动压力均较大。特别在过水围堰落差较大时，为实现水流转向和消能防冲，需要有较长的消能平台，这样的话工程量会增加很多，作为临时的水工建筑物来说不太经济。

因此，本课题组经研究探索并结合实际工程，找到一种用于过水围堰消能平台的水垫池方法，该方法较目前的其他消能方法更为经济实用，并能获得更为理想的消能防冲效果，以实现安全溢洪，这正是本发明的任务所在。

发明内容

本发明的目的正是为了克服上述现有技术中所存在的缺陷和不足，提出一种用于过水围堰消能平台的水垫池方法。该水垫池方法是在过水围堰消能平台设置水垫池，通过对过水围堰消能平台设置的水垫池长度和深度进行设计计算，从而达到改善过水围堰消能平台的消能防冲效果，并减轻了水流对下游护面及堰脚的冲刷破坏；以完成本发明所提出的发明任务。

为实现上述目的，本发明采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明用于过水围堰消能平台的水垫池方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

(1)根据过水围堰溢洪时消能平台水跃跃前水深h₁、跃前断面流速V₁，根据弗汝德数公式，计算水跃跃前弗汝德数F_r；

(2)根据过水围堰消能平台水跃跃前水深h₁和弗汝德数F_r，由自由水跃跃长公式L_j＝9.4h₁(F_r-1)，计算自由水跃长度L_j，由此确定出消能平台总长度L＝(0.6～0.8)L_j；

(3)定义水垫池长度系数K_s等于水垫池长度L_s与消能平台总长度L之比，即K_s＝L_sL，根据跃前的弗汝德数F_r，确定出水垫池长度系数K_s的值，再由定义的水垫池长度系数K_s，反算出水垫池的长度L_s＝K_s·L；

(4)结合消能平台前堰面坡度n、水流流速方向；综合分析确定出水垫池的深度h_s与水垫池长度L_s的比值关系，h_sL_s＝(0.3～0.5)n。

上述方案中，所述的水垫池长度L_s应小于过水围堰消能平台总长度L。

上述方案中，所述水垫池长度系数K_s应满足K_s<1。

本发明所述消能平台总长度L＝(0.6～0.8)L_j是根据理论研究并结合实践经验计算出来的；所述水垫池长度系数K_s＝L_sL，也是根据理论研究再结合实践经验定义的；水垫池深度h_s与水垫池长度L_s的比值h_sL_s＝(0.3～0.5)n，也是根据理论研究并结合实践经验得出的。

本发明与现有技术相比具有以下优点及有益的技术效果：

1、本发明采用的水垫池方法，将消能平台底部转变成为柔性底板，对从堰面下来的射流以柔性作用吸收冲击力，并有效降低底部流速，可避免消能平台底板发生过大的脉动压力，保证了消能平台水流平稳转向和消能防冲的要求，从而实现安全溢洪。

2、本发明采用的水垫池方法，由于水垫池的柔性作用，吸收了射流的冲击力，实现了水流的柔性转向，同时降低了底部流速；水体在水垫池实现了“软着陆”，可以避免消能平台底板发生过大的脉动压力；又由于射流与水垫池的相互作用，提高了过水围堰消能平台的消能防冲效果，减轻了对下游护面及堰脚的冲刷，从而实现安全溢洪。

3、本发明采用的水垫池方法，不仅为解决过水围堰的消能防冲，提供了一种经济实用、设计合理的方法，而且为研究并掌握消能平台水流特性提供帮助，进而为保证溢洪安全提供依据。

4、本发明采用的水垫池方法，施工简便、工程量小，特别适合于山区河流上的土石过水围堰工程，可以提高围堰参与溢洪所带来的显著经济效益。

附图说明

图1为本发明实现用于过水围堰消能平台的水垫池方法的剖面结构示意图。

图中：n为消能平台前堰面的坡度，h₁为消能平台水跃的跃前水深，L为消能平台总长度，L_s为水垫池长度，h_s为水垫池的深度。

具体实施方式

下面结合附图及工程实例给出实施例以对本发明作进一步详细的说明，但所给出的实施例不应理解为是对本发明保护范围的任何限制，因而本专业的技术人员根据上述本发明的内容和设计思想所作出的非本质的改进和调整也应属于本发明的保护范围。

实施例

采用本发明用于过水围堰消能平台的水垫池方法，拟用于某实际过水围堰工程中，所用具体技术参数如下：

1、根据过水围堰溢洪时测得消能平台水跃的跃前水深h₁＝1.60m、跃前断面流速V₁＝15.00m/s，根据所述弗汝德数的定义计算过水围堰水跃跃前弗汝德数F_r，即 $F_r=V_1/\sqrt{g{h}_1}=15.00/\sqrt{9.81\&times;1.60}=3.79;$

2、根据已测得跃前水深1.60m、跃前断面流速15.00m/s，计算出弗汝德数为3.79，再根据自由跃长L_j公式的定义，计算出自由水跃长度即L_j＝9.4h₁(F_r-1)＝9.4×1.60×(3.79-1)＝41.96m；由此确定出消能平台总长度L＝(0.6～0.8)L_j；由该公式可以算出L取值范围为25.176m～33.568m；通过经济技术比较，在本实施例中取L为30.00m，即消能平台总长度确定为30.00m，如图1所示的L；

3、根据定义的水垫池长度系数K_s等于水垫池长度L_s与消能平台总长度L之比，即K_s＝L_sL，再根据算出的过水围堰消能平台水跃的跃前弗汝德数3.79；经研究确定出相应的水垫池长度系数Ks＝0.5～0.7；综合分析取K_s＝0.60，根据此水垫池长度系数K_s值，反算出水垫池长度L_s＝K_s·L＝0.60×30.00＝18.00m，如图1所示的L_s；

4、根据本实施例的工程中消能平台前堰面的坡度n＝1:5，水垫池长度L_s为18.00m，经分析确定水垫池深度h_s，按关系式h_sL_s＝(0.3～0.5)n确定，即可确定水垫池深度h_s＝1.08～1.80m，最终确定水垫池深度h_s＝1.50m，如图1所示的h_s。

本发明根据上述计算、综合分析确定的技术参数，设计出消能平台总长度L、水垫池长度L_s以及水垫池深度h_s；用于过水围堰消能平台，水体从消能平台前堰面流下来、经加速，最后以射流的形式进入水垫池；由于水垫的柔性作用，吸收了射流的冲击力，实现了水流的柔性转向，同时降低了底部流速；水体在水垫池实现了“软着陆”，可以避免消能平台底板发生过大的脉动压力；又由于射流与水垫池的相互作用，提高了过水围堰消能平台的消能防冲效果，减轻了对下游护面及堰脚的冲刷，从而实现安全溢洪。

如果实际工程中不采用本发明的水垫池技术，即直接采用单一的消能平台，如图1所示的虚线，从堰面下来的射流，与消能平台底板将以“硬碰硬”的形式转向，导致底板承受较大的冲击力和脉动压力，而且消能平台上底部流速较大，对下游护面、堰脚的冲刷破坏也较大。

本发明所述工程中过水围堰消能平台采用水垫池技术后，正是由于水垫池的吸能作用，使流下堰面的射流实现柔性转向，并降低流速，提高了消能平台的消能防冲效果，避免了水流对下游护面及堰脚的冲刷破坏，从而改善了过水围堰的水力条件，达到安全溢泄的目的。

Claims (2)

1.一种用于过水围堰消能平台的水垫池方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

(1)根据过水围堰溢洪时消能平台水跃跃前水深h₁、跃前断面流速V₁，根据弗汝德数公式，计算水跃跃前弗汝德数F_r为3.79；

(2)根据过水围堰消能平台水跃跃前水深h₁和弗汝德数F_r，由自由水跃跃长公式L_j＝9.4h₁(F_r-1)，计算自由水跃长度L_j，由此确定出消能平台总长度L＝(0.6～0.8)L_j；

(3)定义水垫池长度系数K_s等于水垫池长度L_s与消能平台总长度L之比，即K_s＝L_s/L，根据计算的水跃跃前弗汝德数F_r的值，确定出水垫池长度系数K_s的值为0.5～0.7，再由定义的此水垫池长度系数K_s值，反算出水垫池的长度L_s＝K_s·L；

(4)结合消能平台前堰面坡度n、水流流速方向；综合分析确定出水垫池的深度h_s与水垫池长度L_s的比值关系，h_s/L_s＝(0.3～0.5)n。

2.根据权利要求1所述用于过水围堰消能平台的水垫池方法，其特征在于所述的水垫池长度L_s应小于过水围堰消能平台总长度L。