CN103225292B - 一种坝面消能工 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种坝面消能工，其在坝面上由上至下错位分布有多组凸台，每个凸台顶面由前至后向上翘起，后缘为圆弧形，能有效增加掺气长度，增大水流和空气的接触面，使泄流水舌表面掺气更充分，底缘含气漩滚更加稳定和完整，另外，凸台顶面上翘形成微凹区域，如同微型水垫塘，形成的水垫层可增加消能并减少跌流冲击，防止坝面空化；泄洪时水流从凸台顶面呈扇形分散跌落，沿圆弧形后缘形成底部含气漩滚，扇形分散水流与相邻凸台上的扇形分散水流在下一级凸台顶面的水垫层上碰撞掺混后，再扇形分散跌落，形成表面有掺气水舌、底部有含气漩滚、局部有分散碰撞和水垫消能的鱼鳞式坝面空间立体消能典型流态，其可更有效地提高坝面消能效率。
Description
技术领域
本发明涉及溢流坝结构，特别是一种溢流坝的坝面消能工。
背景技术
水坝，是拦截江河渠道水流以抬高水位或调节流量的挡水建筑，其具有形成水库，抬高水位、调节径流、集中水头，用于防洪、供水、灌溉、水力发电、改善航运等作用，但水坝泄洪时水流高度集中，必须采取有效的消能方式对下泄的水流进行消能，否则，下泄洪流产生的巨大水能会对下游河床及周边环境造成不良影响。
在现有的消能方式中，通过修造坝面的结构进行消能是相当有效的方式，例如，传统的坝面常修造成糙率很小的光滑曲面，下泄水流90%以上的能量被输送到坝面末端集中进行底流消能，但采用底流消能时所需的消力池既深又长，消能防冲设施工程量大、造价高。
为此，如图1、图2所示，现有技术出现了将坝面修造成内凹式连续阶阶梯状、或者外凸式不连续阶梯状的消能方式，其中，内凹式连续阶梯消能工多用于坡度较陡的坝面上，外凸式不连续阶梯消能工多用于坡度较缓的坝面上。通过阶梯对水流产生破碎作用，加剧了水流紊动和边界层的发展，使坝面阶梯上出现沿水平轴旋转的横向含气漩涡，主流受其衬垫，掠过各阶梯末端，逐步形成表面有掺气水舌、底部有稳定含气漩滚的阶梯坝面典型流态——滑掠水流，水流能量通过掺气、漩滚间的剪切作用和连续跌坎造成的强烈掺混作用得到消散，大大增加了坝面的消能率，从而减少下游余能，改善下游消力池的消能压力，有利于减少消力池的长度和深度，节省工程投资。但这两种台阶状的坝面消能工10，尚有不足之处：1、当单宽流量较大时，水舌厚度比台阶100高度大，掺气及稳定漩滚发生的位置靠下，滑掠水流发展不充分，致使消能效率低下；2、对于中低坝、坝面流程短的情况，甚至无法形成稳定的滑掠水流，不能体现出坝面阶梯消能的优势；3、即使在正常运行条件下，该消能工亦有一定的优化提升空间，进一步减少下游消力池的工程量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消能效果更好的坝面消能工。
本发明所述的坝面消能工，包括倾斜的坝面，坝面由上至下分布多组凸台，上下相邻的凸台错位分布，互相嵌套，凸台顶面由前至后向上翘起，后缘为圆弧形。
本发明根据仿生工学原理结合水力学消能原理，在坝面上由上至下错位分布有多组凸台，每个凸台顶面由前至后向上翘起，后缘为圆弧形，其与现有的平直的阶梯消能工相比，能有效增加掺气长度，增大水流和空气的接触面，使泄流水舌表面掺气更充分，底缘含气漩滚更加稳定和完整，另外，凸台顶面上翘形成微凹区域，如同微型消力塘，形成的水垫层可增加消能并减少跌流冲击，防止坝面空化；泄洪时水流从凸台顶面呈扇形分散跌落，沿圆弧形后缘形成底部含气漩滚，扇形分散水流与相邻凸台上的扇形分散水流在下一级凸台顶面的水垫层上碰撞掺混，再扇形分散跌落，形成表面有掺气水舌、底部有含气漩滚、局部有分散碰撞和水垫消能的鱼鳞式坝面空间立体消能典型流态，其可更有效地提高坝面消能效率。
附图说明
图1是现有的台阶状坝面消能工的俯视图。
图2是图1沿A-A方向的剖视图。
图3是本发明的俯视图。
图4是图3沿A-A方向的剖视图。
具体实施方式
如图3、图4所示，所述的坝面消能工，包括具有一定长度的倾斜的坝面1，坝面1由上至下阶梯状分布多组凸台，上下相邻的凸台错位分布，平面上互相嵌套，呈鱼鳞状，每个凸台2的顶面由前至后向上翘起，后缘为圆弧形，其与现有的平直的阶梯消能工相比，能有效增加掺气长度，增大水流和空气的接触面，使泄流水舌表面掺气更充分，底缘含气漩滚更加稳定和完整，凸台2顶面向后翘起形成微凹区域，如同微型消力塘，形成的水垫层可减少跌流冲击，防止坝面空化；泄洪时水流从凸台2顶面呈扇形分散跌落，沿圆弧形后缘形成底部含气漩滚，扇形分散水流与相邻凸台2上的扇形分散水流在下一级凸台2顶面的水垫层上碰撞掺混，再扇形分散跌落，形成表面有掺气水舌、底部有含气漩滚、局部有分散碰撞和水垫消能的鱼鳞式坝面空间立体消能典型流态，其可更有效地提高坝面消能效率。
如图3、4所示，由于分布在坝面上的凸台2的尺寸直接影响坝面沿程水深、流速、压强、掺气程度及消能效果等，因此，恰当地设置坝面上的凸台，可使下泄水流细化分散，形成更为稳定的掺气漩滚区和碰撞掺混区，而凸台尺寸选择与下泄单宽流量、坝高、坝面坡比i（即坡面的垂直高度和水平宽度的比）、消能效果有关，所以，其尺寸应当根据实际需求而设定。
其中，对于凸台2的跌坎高度a而言，跌坎高度a较大时，跌坎间的水流跌流落差相应增大，消能效果较佳；但在小流量泄流时，跌坎间的水流跌流波动较大，水流激溅现象较为明显。掺气及漩滚位置在凸台尺寸一定时，随下泄单宽流量的增加沿流向逐渐下移。所以，凸台的跌坎高度a应选择为0.5～1.8m，具体高度可视泄流单宽流量而定。
对于凸台2顶面圆弧形的后缘的半径r而言，其应使相邻凸台2顶面上形成的扇形分散流可以相互撞击并且充分掺混。如半径r过小，凸台2的优势发挥不明显；而半径r过大，凸台2及扇形分散流的数量相对减少，主流不够分散破碎，影响流态的稳定和消能效率。所以，凸台顶面圆弧形的后缘的半径r应按 来设置，并根据坝面泄流特性调整。
对于凸台的横向错位间距d和纵向错位间距L而言，同样对消能工个数和水流分散破碎程度有影响，可按d=（0.2～0.5）r，L＝r选取。
对于凸台顶面上翘的角度β而言，顶面上翘的角度β越大，对水流的扰动和破碎作用越强，水流掺气越充分，另外凸台顶面形成的水垫层越深，参与局部碰撞的水量亦越大，消能效率也越高；当单宽流量较大，坝面坡度较陡的情况下，为保证消能效果，β值应适当加大。上翘角度β可设为10°～25°，具体可根据坝面坡比i、单宽流量及消能效果等选定。
与常规的阶梯坝面消能工相比，本发明的坝面消能工可使经坝面下泄的水流掺气更为充分，并可促进水流分散碰撞，增加水流间的剪切掺混，进一步提高坝面消能效率，对改善坝下冲刷、简化甚至取消掉坝面末端的消能设施具有显著成效，是一种经济实用，并对单宽流量的适应范围更大的新型坝面消能工。
Claims (5)
1.一种坝面消能工，包括倾斜的坝面，其特征在于：坝面由上至下分布多组凸台，上下相邻的凸台错位分布，互相嵌套，每个凸台顶面由前至后向上翘起，后缘为圆弧形。
2.根据权利要求1所述的坝面消能工，其特征在于：所述的凸台顶面上翘的角度β为10°～25°。
3.根据权利要求1所述的坝面消能工，其特征在于：所述的凸台的跌坎高度a为0.5～1.8m。
4.根据权利要求1所述的坝面消能工，其特征在于：所述的凸台顶面圆弧形后缘的半径 ，其中，i为坝面坡比，a为凸台的跌坎高度，β为凸台顶面上翘的角度。
5.根据权利要求1所述的坝面消能工，其特征在于：凸台的横向错位间距d =（0.2～0.5）r，纵向错位间距L=r，其中，r为凸台顶面圆弧形后缘的半径。
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