CN103397619B - 沿程分散消能的高低坎消力池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种沿程分散消能的高低坎消力池，其包括水流进口段、与水流进口段相接的消力池、位于消力池前端与进口段相接的消力池内隔墙、消力池尾坎和与消力池相接的护坦。在高低坎消力池与水流进口段低坎泄流孔相接的部位相间布置隔墙，隔墙底面位于消力池底板上，隔墙两侧面和上游矩形侧面均垂直于消力池底板并且从水流进口段低坎泄流孔出口顶部开始与低坎采用弧形过渡段平顺连接。本发明的特点在于能消减、均化下泄流量对消力池前段的冲击，分散高低坎消力池前半部分集中消能区域，达到沿程分散消能的效果，消除集中消能区水流紊动剧烈、水面波动大的现象，有效截断横轴漩涡的产生，进一步削弱横轴漩涡的破坏。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程中高水头、大单宽流量的低雾化、高效的泄洪消能技术领域，特别涉及一种沿程分散消能的高低坎消力池。
背景技术
高水头、大单宽流量泄洪消能问题是水利工程里面一个难度较大又至关重要的问题。
公开号为CN101215828A的专利中提出了一种高低坎底流消力池，公开号为CN101624818A的专利中对该高低坎底流消力池进行了改进，采用差动分裂式进口，包括水流进口段、与水流进口段相接的消力池、与消力池相接的护坦。
此种结构的消能设施使下泄水流通过高低坎消力池时，呈现出淹没射流状态，下泄水流跌入消力池，不直接冲刷消力池底板，降低了底板压力，也可以较大程度的降低消力池内的临底流速，具有较高的消能率，消力池运行较为安全，相对于其他形式的消能工具有显著的优越性。
同时，研究发现泄洪过程中，水流进口段跌坎下方消力池的前半部分形成强消能区，大部分能量集中于前半段消散，消力池后半部分消能较弱，虽然达到了高效消能的作用，但没有完全充分的利用消力池的长度进行消能；集中消能区水流紊动剧烈，水面波动较大，存在流态不稳定的问题，同时也存在损坏消力池结构、影响泄洪建筑物的正常运行的可能性。
因此，分散高低坎消力池的集中消能区域，消除集中消能区水流紊动剧烈、水面波动较大的现象显得尤为必要。
综上所述，提供一种克服了上述现有技术的局限，有效解决在安全稳定运行中可能出现的不利水力学问题的消力池，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种克服了上述现有技术的局限，有效解决在安全稳定运行中可能出现的不利水力学问题的消力池，以消减、均化下泄流量对消力池前段的冲击，分散高低坎消力池前半部分集中消能区域，达到沿程分散消能的效果，消除集中消能区水流紊动剧烈、水面波动较大的现象。
为了解决上述问题，本发明提供一种沿程分散消能的高低坎消力池。所述沿程分散消能的高低坎消力池包括跌坎水流进口段、消力池、消力池内隔墙、消力池尾坎和护坦；所述跌坎水流进口段由相间排列组合的高坎泄流孔和低坎泄流孔及高坎泄流孔与低坎泄流孔之间的中隔墙构成；所述消力池与跌坎水流进口段相接；所述消力池内隔墙位于消力池前端，且该消力池内隔墙与跌坎水流进口段相接；所述尾坎位于消力池后端；所述护坦与消力池相接；所述消力池与跌坎水流进口段的低坎泄流孔相接的部位相间布置消力池内隔墙；所述消力池内隔墙的底面位于消力池底板上，消力池内隔墙的两侧面和上游矩形侧面均垂直于消力池底板；从所述跌坎水流进口段的低坎泄流孔出口顶部开始至消力池底板采用弧形过渡平顺的连接；所述沿程分散消能的高低坎消力池满足如下关系式：d3＝d2<d1<L2，其中，d1为所述高坎泄流孔出口端部到消力池底板的高度，d2为所述低坎泄流孔出口端部到消力池底板的高度，d3为所述消力池内隔墙最前端的高度，L2为所述消力池内隔墙沿水流方向的长度。
优选地，所述沿程分散消能的高低坎消力池满足如下关系式：d4>1.5*d2，其中，d2为所述低坎泄流孔出口端部到消力池底板的高度，d4为所述消力池尾坎顶端到消力池底板的高度。
优选地，所述沿程分散消能的高低坎消力池满足如下关系式：B2＝B3，其中，B2为单个所述低坎泄流孔的宽度，B3为单个所述消力池内隔墙的宽度。
优选地，所述沿程分散消能的高低坎消力池满足如下关系式：L2:L1＝1:2～1:4，其中，L1为所述消力池长度，L2为所述消力池内隔墙沿水流方向的长度。
优选地，所述消力池内隔墙的坡度i的值为1:4～1:15。
优选地，所述跌坎水流进口段的最外两侧为高坎泄流孔或者低坎泄流孔。
本发明的有益效果是：
1、跌坎水流进口段低坎泄流孔出口端部的跌坎与消力池底板的接壤处设置成为向下游延伸的隔墙，改善了消力池前端跌坎附近的受力条件，降低了跌坎附近水流内部紊动以及水面波动，提高了使用寿命。
2、消力池前端相间布置的消力池内隔墙，配合尾坎高度d4是低坎高度d2的1.5倍以上，保证消力池内存在一定淹没度，避免空化空蚀；同时，有效的避免了立轴漩涡的产生，消力池前端的横轴漩涡也会得到缓解。
3、消力池内隔墙与低坎泄流孔出口端部的跌坎高度相同，将低坎孔口出流从跌坎处向下游推出，延长了中孔水流在消力池内的入池距离，高坎泄流孔下泄水流消能区分布于消力池的前1/3区域；低坎泄流孔下泄水流消能区分布于消力池1/3～1/2区域之间，分散了消能集中区域，达到了沿程分散消能的效果，保护泄洪建筑物安全。
附图说明
图1为根据本发明的沿程分散消能高低坎消力池的第一种平面布置图，其中消力池跌坎水流进口段两边孔为高坎泄流孔，消力池中高坎泄流孔与低坎泄流孔相间布置。
图2为根据本发明的沿程分散消能高低坎消力池的第二种平面布置图，其中消力池跌坎水流进口段两边孔为低坎泄流孔，消力池中低坎泄流孔与高坎泄流孔相间布置。
图3为根据本发明的沿程分散消能高低坎消力池的高坎泄流孔及其下游的剖面图。
图4为根据本发明的沿程分散消能高低坎消力池的低坎泄流孔、同一剖面相连接的消力池内隔墙及其下游的剖面图。
图5为图1所示沿程分散消能高低坎消力池的沿a-a线的剖面图。
图6为图2所示沿程分散消能高低坎消力池的沿c-c线的剖面图。
图7为图1所示沿程分散消能高低坎消力池的沿b-b线的剖面图。
图8为图2所示沿程分散消能高低坎消力池的沿d-d线的剖面图。
主要部件符号说明：
1 高坎泄流孔 2 低坎泄流孔
3 消力池内隔墙 4 消力池
5 消力池尾坎 6 护坦
7 高坎泄流孔与低坎泄流孔之间的中隔墙
W1 两边孔为高坎泄流孔的消力池宽度
W2 两边孔为低坎泄流孔的消力池宽度
L1 消力池长度
L2 消力池内隔墙长度
B1 单个高坎泄流孔宽度
B2 单个低坎泄流孔宽度
B3 单个消力池内隔墙宽
d1 高坎泄流孔出口端部到消力池底板的高度
d2 低坎泄流孔出口端部到消力池底板的高度
d3 消力池内隔墙最前端的高度
d4 消力池尾坎顶端到消力池底板的高度
i 消力池内隔墙的坡度。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1至图8所示，本发明的沿程分散消能的高低坎消力池，其包括跌坎水流进口段、与跌坎水流进口段相接的消力池4、位于消力池4前端与跌坎水流进口段相接的消力池内隔墙3、消力池后端的尾坎5以及与消力池相接的护坦6。为了解决跌坎附近紊动剧烈，水面波动较大的问题，在消力池4与跌坎水流进口段的低坎泄流孔2相接的部位增加消力池内隔墙3，可以解决这些问题，并且有效避免了横轴漩涡的产生。
跌坎水流进口段的低坎泄流孔2与消力池4相接的部位设置消力池内隔墙3，消力池内隔墙3前端高度达到进口段低坎泄流孔2出口端部的跌坎高度，单个内隔墙3的宽度与低坎泄流孔2的孔口宽度相同，且内隔墙3在消力池4内相间布置，隔墙3的底面位于消力池4底板上，隔墙3两侧面为直角三角形，且隔墙3两侧的三角形侧面垂直于消力池4底板，隔墙3的上游矩形侧面也垂直于消力池4底板，并且从跌坎水流进口段的低坎泄流孔2出口顶部到消力池4的底板与低坎采用弧形过渡平顺的相连接。
相间布置的消力池内隔墙3改变消力池消能形态，高坎泄流孔1是淹没射流状态，其下泄水流消能区分布于消力池的前1/3区域；低坎泄流孔2出流推向下游，其下泄水流消能区分布于消力池1/3～1/2区域之间。消力池尾坎的高度d4是低坎泄流孔出口端部高度d2的1.5部以上，保证消力中有一定的淹没度和正压，下泄水流不会直接干砸于消力池底板，避免消力池内隔墙附近产生空化空蚀，保证本发明的实用可行性。
如图1所示，该沿程分散消能高低坎消力池中，最外两侧的泄流孔都是高坎泄流孔1，图1显示高坎泄流孔1的孔数N1为3，低坎泄流孔2的孔数N2为2，消力池内隔墙3的数目N3为2。
如图2所示，该沿程分散消能高低坎消力池中，最外两侧的泄流孔都是低坎泄流孔2，图2显示高坎泄流孔1的孔数N1为2，低坎泄流孔2的孔数N2为3，消力池内隔墙3的数目N3为3。
根据上述内容总结可得，该沿程分散消能高低坎消力池中的隔墙优选以下结构：
d3＝d2<d1<L2；d4>1.5d2；B2＝B3；L2:L1＝1:2～1:4；i为1:4～1:15，
其中，所述d1为高坎泄流孔出口端部到消力池底板的高度，d2为低坎泄流孔出口端部到消力池底板的高度，d3为消力池内隔墙最前端的高度，B2为单个低坎泄流孔宽度，B3为单个消力池内隔墙宽度，L1为消力池长度，L2为消力池内隔墙沿水流方向的长度，i为消力池内隔墙的坡度。
下面，结合附图对本发明的具体实施例进行描述。实施例中的沿程分散消能高低坎消力池根据某大型水电站枢纽工程设计，所述水电站枢纽工程装机6400MW，采用混凝土重力坝，最大坝高161m。所述水电站设计洪水(P＝0.2％)流量41200m3/s，校核洪水(P＝0.02％)流量49800m3/s，上下游最大水位差120m，最大下泄总功率约40000MW。消力池内最大单宽流量225m2/s，消力池入池流速达40m/s左右。
在本发明的实施例1中，如图1、图3、图4、图5及图7所示，该沿程分散消能高低坎消力池包括跌坎水流进口段、与跌坎水流进口段相接的消力池4、位于消力池前端与进口段相接的消力池内隔墙3、消力池后端的尾坎5、与消力池相接的护坦6，跌坎水流进口段由相间排列组合的高坎泄流孔1和低坎泄流孔2及高坎泄流孔与低坎泄流孔之间的中隔墙7构成。
实施例1与图1不同之处是在两边孔都是高坎时，高坎泄流孔1的孔数N1为6，低坎泄流孔2的孔数N2为5，消力池内隔墙3的数目N3为5。
本实施例1中所述沿程分散消能的高低坎消力池的有关结构参数如下：消力池4的宽度W1为108m，消力池4的长度L1为228m，消力池内隔墙3的长度L2为57m，高坎泄流孔1的宽度B1为6m，低坎泄流孔2的宽度B2为8m，消力池内隔墙3的宽度B3为8m，高坎泄流孔1出口端部到消力池底板的高度d1为16m，低坎泄流孔2出口端部到消力池底板的高度d2为8m，消力池内隔墙3最前端的高度d3为8m，消力池尾坎顶端到消力池底板的高度d4为25m。
在本发明的实施例2中，如图1、图3、图4、图5及图7所示，该沿程分散消能高低坎消力池的具体结构与实施例1中相同，不同之处是消力池内隔墙3的体型及坡度参数不同。
本实施例2中所述沿程分散消能的高低坎消力池的有关结构参数如下：消力池4的宽度W1为108m，消力池4的长度L1为228m，消力池内隔墙3的长度L2为114m，高坎泄流孔1的宽度B1为6m，低坎泄流孔2的宽度B2为8m，消力池内隔墙3的宽度B3为8m，高坎泄流孔1出口端部到消力池底板的高度d1为16m，低坎泄流孔2出口端部到消力池底板的高度d2为8m，消力池内隔墙3最前端的高度d3为8m，消力池尾坎顶端到消力池底板的高度d4为25m。
在本发明的实施例3中，如图2、图3、图4、图6以及图8所示，该沿程分散消能高低坎消力池包括跌坎水流进口段、与跌坎水流进口段相接的消力池4、位于消力池前端与进口段相接的隔墙3、消力池后端的尾坎5、与消力池相接的护坦6，跌坎水流进口段由相间排列组合的高坎泄流孔1和低坎泄流孔2及高坎泄流孔与低坎泄流孔之间的中隔墙7构成。
实施例3与图2不同之处是高坎泄流孔1的孔数N1为5，低坎泄流孔2的孔数N2为6，消力池内隔墙3的数目N3为6。
本实施例3所述沿程分散消能的高低坎消力池的有关结构参数如下：消力池4的宽度W2为110m，消力池4的长度L1为228m，消力池内隔墙3的长度L2为57m，高坎泄流孔1的宽度B1为6m，低坎泄流孔2的宽度B2为8m，消力池内隔墙3的宽度B3为8m，高坎泄流孔1出口端部到消力池底板的高度d1为16m，低坎泄流孔2出口端部到消力池底板的高度d2为8m，消力池内隔墙3最前端的高度d3为8m，消力池尾坎顶端到消力池底板的高度d4为25m。
在本发明的实施例4中，如图2、图3、图4、图6以及图8所示，该沿程分散消能高低坎消力池的具体结构与实施例3中相同，不同之处是消力池内隔墙3的体型及坡度参数不同。
本实施例4中所述沿程分散消能的高低坎消力池的有关结构参数如下：消力池4的宽度W2为110m，消力池4的长度L1为228m，消力池内隔墙3的长度L2为114m，高坎泄流孔1的宽度B1为6m，低坎泄流孔2的宽度B2为8m，消力池内隔墙3的宽度B3为8m，高坎泄流孔1出口端部到消力池底板的高度d1为16m，低坎泄流孔2出口端部到消力池底板的高度d2为8m，消力池内隔墙3最前端的高度d3为8m，消力池尾坎顶端到消力池底板的高度d4为25m。
本发明克服了已有技术的局限，可以有效解决消力池安全稳定运行中可能出现的不利水力学问题，同时对于推广到其他水电工程具有重大的应用价值。
上述实施例是用于例示性说明本发明的原理及其功效，但是本发明并不限于上述实施方式。本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，在权利要求保护范围内，对上述实施例进行修改。因此本发明的保护范围，应如本发明的权利要求书覆盖。
Claims (6)
1.一种沿程分散消能的高低坎消力池，所述沿程分散消能的高低坎消力池包括跌坎水流进口段、消力池(4)、消力池内隔墙(3)、消力池尾坎(5)和护坦(6)；
所述跌坎水流进口段由相间排列组合的高坎泄流孔(1)和低坎泄流孔(2)及高坎泄流孔(1)与低坎泄流孔(2)之间的中隔墙(7)构成；
所述消力池(4)与跌坎水流进口段相接；
所述消力池内隔墙(3)位于消力池(4)前端，且该消力池内隔墙(3)与跌坎水流进口段相接；
所述尾坎(5)位于消力池(4)后端；
所述护坦(6)与消力池(4)相接；
所述消力池(4)与跌坎水流进口段的低坎泄流孔(2)相接的部位相间布置消力池内隔墙(3)；
所述消力池内隔墙(3)的底面位于消力池(4)底板上，消力池内隔墙(3)的两侧面和上游矩形侧面均垂直于消力池(4)底板；
从所述跌坎水流进口段的低坎泄流孔(2)出口顶部开始至消力池底板采用弧形过渡平顺的连接；
所述沿程分散消能的高低坎消力池满足如下关系式：
d3＝d2<d1<L2，
其中，d1为所述高坎泄流孔(1)出口端部到消力池(4)底板的高度，d2为所述低坎泄流孔(2)出口端部到消力池(4)底板的高度，d3为所述消力池内隔墙(3)最前端的高度，L2为所述消力池内隔墙(3)沿水流方向的长度。
2.根据权利要求1所述的沿程分散消能的高低坎消力池，其特征在于，所述沿程分散消能的高低坎消力池满足如下关系式：
d4>1.5*d2，
其中，d2为所述低坎泄流孔(2)出口端部到消力池(4)底板的高度，d4为所述消力池尾坎(5)顶端到消力池(4)底板的高度。
3.根据权利要求1所述的沿程分散消能的高低坎消力池，其特征在于，所述沿程分散消能的高低坎消力池满足如下关系式：
B2＝B3，
其中，B2为单个所述低坎泄流孔(2)的宽度，B3为单个所述消力池内隔墙(3)的宽度。
4.根据权利要求1所述的沿程分散消能的高低坎消力池，其特征在于，所述沿程分散消能的高低坎消力池满足如下关系式：
L2:L1＝1:2～1:4，
其中，L1为所述消力池(4)长度，L2为所述消力池内隔墙(3)沿水流方向的长度。
5.根据权利要求1所述的沿程分散消能的高低坎消力池，其特征在于，所述消力池内隔墙(3)的坡度i的值为1:4～1:15。
6.根据权利要求1所述的沿程分散消能的高低坎消力池，其特征在于，所述跌坎水流进口段的最外两侧为高坎泄流孔或者低坎泄流孔。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |