CN104213545B - 悬挂底流式梯级消力池消能系统 - Google Patents

Abstract

本发明所述悬挂底流式梯级消力池消能系统，包括设置在水库坝体侧面山体不同高程处的多级消力池，将水库中的水引出的上游引水渠、各级消力池对应的溢洪道和将最低高程消力池中的水引入河道的岸边引水渠，相邻两级消力池的下游端方向相反，各级消力池下游端边墙上设置有溢流堰。本发明提供的悬挂底流式消力池消能系统适用于狭窄河谷，下游河道逐渐缩窄的小流量高水头水利工程，能提高消能率，提高工程安全性和经济性，减小枢纽布置的困难程度。

Description

悬挂底流式梯级消力池消能系统

技术领域

本发明属于水利水电工程中泄洪消能技术领域，特别涉及一种适用于狭窄河谷、下游河道逐渐缩窄的小流量高水头水利工程的消力池与底流消能结合的消能系统。

背景技术

高水头电站建设中，为保证水利工程在运行中的安全，需要采用一系列泄洪消能措施。传统的消能措施包括传统的底流消能，挑流消能和面流消能，新型消能设施包括竖井旋流消能，宽尾墩，阶梯消能，洞塞孔板消能等。但对于狭窄河谷、两岸山体垂直、上游较宽，下游河道逐渐缩窄、岸坡岩体地质条件复杂的工程，难以按现有技术中的模式布置消力池以及大单宽流量的泄洪隧洞，或采用现有技术的消能设施布置方式，工程耗费较高，工期增长。

发明内容

本发明的目的在于针对现有消能方式受到地形地貌布置条件限制的不足，提供一种适用于狭窄河谷，下游河道逐渐缩窄的小流量高水头水利工程的悬挂底流式梯级消力池消能系统，以提高消能率及安全性和经济性，减小枢纽布置的困难程度。

本发明所述悬挂底流式梯级消力池消能系统，包括设置在水库坝体侧面山体不同高程处的多级消力池，将水库中的水引出的上游引水渠、各级消力池对应的溢洪道和将最低高程消力池中的水引入河道的岸边引水渠，相邻两级消力池的下游端方向相反，各级消力池的下游端边墙上均设置有溢流堰；上述设施的布置方式：最高高程消力池对应的溢洪道进水端与上游引水渠衔接，出水端与最高高程消力池上游端衔接；第二高程消力池对应的溢洪道进水端与最高高程消力池下游端边墙设置的溢流堰衔接，出水端与第二高程消力池上游端衔接；第三高程消力池对应的溢洪道进水端与第二高程消力池下游端边墙设置的溢流堰衔接，出水端与第三高程消力池上游端衔接；……，最低高程消力池对应的溢洪道进水端与次低高程消力池下游端边墙设置的溢流堰衔接，出水端与最低高程消力池上游端衔接；所述岸边引水渠的进水端与最低高程消力池下游端边墙设置的溢流堰衔接，其末端与河道相连，从而使水库中的水经上游引水渠、各级消力池对应的溢洪道、各级消力池、岸边引水渠流入河道。在这个过程中水流发生强烈的旋滚、紊动、混掺及剪切，消除部分能量，达到提高消能率，避免工程破坏的目的。

上述悬挂底流式梯级消力池消能系统，各级消力池的轴线相互平行，相邻两级消力池的水平投影部分重叠或不重叠。

上述悬挂底流式梯级消力池消能系统，相邻两级消力池之间的高程差△x＝30～45m，以防止水流流速过大破坏消力池，并保证工程量最小及各级消能率，达到最优消能效果。相邻消力池之间的高程差根据地质条件进行选择，可以相等，也可以不等。消力池和泄洪道大部分或全部放在山体上，以保证整体结构的稳定性。

上述悬挂底流式梯级消力池消能系统，所述消力池的长度l＝20～40m,宽度b₁＝15～30m，深度h₁＝最大水位高度+波动高度+安全超高，所述最大水位高度为最大泄流量对应的消力池中的水位高度，所述波动高度为水流剧烈翻滚引起的水位变化，所述安全超高为保证水流不会翻出消力池所需高度。为避免消力池发生破坏，应避免消力池中混凝土产生拉应力，消力池应修建在挖方中，尽量避免填方，且消力池应当做好防渗措施，避免渗漏引起消能系统的破坏。同时各级消力池内应保证一定水深，防止泄洪时最大流量水流直接冲击消力池底板引发消力池破坏，进而冲刷山体导致不可修复的破坏，危及枢纽运行安全。

上述悬挂底流式梯级消力池消能系统，所述岸边引水渠末端的水流方向与下游河道的水流方向相交的角度为锐角，以保证水流平顺进入河道，防止出现冲刷。

上述悬挂底流式梯级消力池消能系统，所述溢流堰的宽度b₂≤消力池的宽度b₁，第二高程至最低高程的各级消力池对应的水平溢洪道入水口宽度＝上一级消力池的溢流堰宽度，由于是底流消能，溢洪道的出水口与对应的消力池宽度相同，因而连接于于两级消力池之间的溢洪道的断面从上游到下游可以是等宽的也可以是渐扩的，与上游引水渠相接的溢洪道根据泄流流量的大小从上游到下游可以是等宽的也可以是渐扩的。

上述底流式梯级消力池消能系统，上游引水渠按照泄洪最大流量设计，保证安全余量，通常采用梯形断面或矩形断面，明渠内部需要衬砌。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述消能系统结合底流消能和消力池分段进行消能，相对于地表陡槽溢洪道(i>1)增大了消能率，由于其布置在坝体侧山体上，避免了在狭窄河谷中修建消力池并采用底流消能，小流量高水头水流对消力池可能发生的破坏，或采用挑流消能时对下游河道的冲刷，因而可保证枢纽的安全性，特别适用于河谷狭窄，下游河道逐渐缩窄的小流量高水头水利工程，解决了采用现有消能方式布置的场地条件限制、地形地质条件限制的问题。

2、本发明所述消能系中的消力池布置在坝体侧山体上，配合枢纽所在坝址的工程地质条件和地貌条件进行修建，通过调整消力池大小，使得挖填方数量达到最小，避免了在狭窄河谷中修建消力池以及开挖泄洪洞或溢洪道时为减小坡度而通常需要的大量填挖方量，提高了工程经济效益。

3、本发明所述消能系统配合枢纽所在坝址的工程地质条件和地貌条件进行修建，根据地形地貌条件灵活设计相邻两级消力池之间的高程差和相对位置，布置灵活，因而能避开不利地质条件，大大降低枢纽布置难度。

附图说明

图1为本发明所述悬挂底流式梯级消力池消能系统的第一种总体布置图。

图2为本发明所述悬挂底流式梯级消力池消能系统的第二种总体布置图

图3为图1的A-A剖视图。

图4为图1的B-B剖视图。

图5为本发明所述悬挂底流式梯级消力池消能系统中单个消力池的结构示意图。

图6为图5的C-C剖视图。

图7为图5的D-D剖视图。

图中，1——上游引水渠，2——消力池，3——溢流堰，4——溢洪道，5——岸边引水渠，6——河道，7——山体，8——大坝，9——水库，h₁——消力池深度，h₂——溢流堰高度，l—消力池长度，b₁—消力池宽度，b₂—溢流堰宽度，Δx—相邻两级消力池之间的高程差。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明所述悬挂底流式消力池消能系统作进一步说明。

实施例1和对比例1的工程概况如下：

某电站修建在狭窄河谷之中，两岸山体陡峭，下游河道逐渐缩窄，水库上游水位高程为762.30m，下游水位高程为672.30m，落差为90m，泄流流量为320m³/s。

针对上述工程，采用实施例1和对比例1两种消能系统进行水工模型试验。

实施例1

本实施例采用悬挂底流式梯级消力池消能系统，包括设置在水库坝体侧面山体不同高程处的三级消力池2，将水库中的水引出的上游引水渠1、各级消力池对应的溢洪道4和将最低高程消力池中的水引入河道6的岸边引水渠5，相邻两级消力池的下游端方向相反，各级消力池下游端边墙上均设置有溢流堰3；上述设施的布置方式如图1所示，各级消力池的轴线相互平行，相邻消力池的水平投影部分重叠；最高高程消力池对应的溢洪道4进水端与上游引水渠1衔接，出水端与最高高程消力池上游端衔接；第二高程消力池对应的溢洪道4进水端与最高高程消力池下游端边墙设置的溢流堰3衔接，出水端与第二高程消力池上游端衔接；最低高程消力池对应的溢洪道4进水端与第二高程消力池下游端边墙设置的溢流堰3衔接，出水端与最低高程消力池上游端衔接；所述岸边引水渠5的进水端与最低高程消力池下游端边墙设置的溢流堰衔接，其末端与河道6相连，岸边引水渠5末端的水流方向与下游河道7的水流方向相交的角度为30°。

消力池的结构见图5、图6、图7。三级消力池的尺寸相同，它们的长度l＝20m、宽度b₁＝15m，深度h₁＝10m，它们下游端边墙设置的溢流堰高度h₂＝5m，宽度b₂＝10m(小于消力池宽度)，最高高程消力池与第二高程消力池之间的高程差＝第二高程消力池与最低高程消力池之间的高程差＝30m，三级消力池放在山体上的宽度均为12m。第二高程消力池对应的溢洪道入水口宽度与最高高程消力池的溢流堰宽度相等，最低高程消力池对应的溢洪道入水口宽度与第二高程消力池的溢流堰宽度相等，由于是底流消能，各溢洪道的出水口与对应的消力池宽度相同，因而连接于两级消力池之间的溢洪道从上游到下游为渐扩结构，与上游引水渠相接的溢洪道根据泄流流量的大小也设计成从上游到下游为渐扩的结构。

试验结果：泄流流量为320m³/s时，水流平稳进入下游河道，对下游河道无明显冲刷水流，测得岸边引水渠内水流平均流速为8.62m/s，该消能系统的消能率达到82.6％。工程开挖量为2.1万m³，总混凝土浇筑量为1.7万m³。

对比例1

本对比例采用泄洪洞+挑坎布置，水流直接挑入河道，泄洪洞坡度为0.8，总开挖方量达到23万m³，由于地质条件限制，支护混凝土总用量达到4.3万m³。

试验结果：水流经过泄洪洞下泄，通过挑坎挑入河道，泄流流量为320m³/s时，测得挑坎前段水平引水渠道内最大流速达到26.1m/s，挑流冲坑距对岸7.2m，冲坑最深达到22.3m，危及到下游岸坡和枢纽运行安全。

实施例2和对比例2的工程概况如下：

某电站修建在狭窄河谷之中，两岸山体陡峭，下游河道逐渐缩窄，消能系统入口高程为1126.00m，出口高程为1001.00m，落差为125m，泄洪流量为650m³/s。针对上述工程，采用实施例2和对比例2两种消能系统进行水工模型试验。

实施例2

本实施例采用悬挂底流式梯级消力池消能系统，包括设置在水库坝体侧面山体不同高程处的三级消力池2，将水库中的水引出的上游引水渠1、各级消力池对应的溢洪道4和将最低高程消力池中的水引入河道6的岸边引水渠5，相邻两级消力池的下游端方向相反，各级消力池下游端边墙上均设置有溢流堰3；上述设施的布置方式如图2所示，各级消力池的轴线相互平行，相邻消力池的水平投影不重叠；最高高程消力池对应的溢洪道4进水端与上游引水渠1衔接，出水端与最高高程消力池上游端衔接；第二高程消力池对应的溢洪道4进水端与最高高程消力池下游端边墙设置的溢流堰3衔接，出水端与第二高程消力池上游端衔接；最低高程消力池对应的溢洪道4进水端与第二高程消力池下游端边墙设置的溢流堰3衔接，出水端与最低高程消力池上游端衔接；所述岸边引水渠5的进水端与最低高程消力池下游端边墙设置的溢流堰衔接，其末端与河道6相连，岸边引水渠5末端的水流方向与下游河道7的水流方向相交的角度为22°。

消力池的结构见图5、图6、图7。最高高程消力池和第二高程消力池的尺寸相同，它们的长度l＝30m、宽度b₁＝25m、深度h₁＝15m，溢流堰高度h₂＝5m、宽度b₂＝25m(与消力池的宽度相同)，最高高程消力池与第二高程消力池之间的高程差＝45m，上述两级消力池全部放在山体上。最低高程消力池的长度l＝40m、宽度b₁＝30m、深度h₁＝15m，溢流堰高度h₂＝5m、宽度b₂＝30m(与消力池的宽度相同)，放在山体上的宽度为27m；最低高程消力池与第二高程消力池之间的高程差＝35m。第二高程消力池对应的溢洪道入水口宽度与最高高程消力池的溢流堰宽度相等，最低高程消力池对应的溢洪道入水口宽度与第二高程消力池的溢流堰宽度相等，由于是底流消能，各溢洪道的出水口与对应的消力池宽度相同，因而连接于最高高程消力池与第二高程消力池之间的溢洪道从上游到下游为等宽结构，连接于第二高程消力池与最低高程消力池之间的溢洪道从上游到下游为渐扩结构，与上游引水渠相接的溢洪道根据泄流流量的大小设计成从上游到下游为渐扩的结构。

试验结果：泄洪流量为650m³/s时，水流平顺进入河道，对下游岸坡及河流底部无明显冲刷，测得岸边引水渠内水流平均流速为9.81m/s，该消能系统的消能率为80.17％。工程开挖量为2.7万m³，混凝土浇筑量为2.1万m³

对比例2

本对比例采用陡槽溢洪道+消力池消能系统，陡槽坡度为1.2，下游消力池长度60m、宽度40m、深度为21m，工程共填方4.2万m³，混凝土浇筑量达到3.3万m³。

试验结果：泄洪流量为650m³/s时，测得消力池末端平均流速为10.23m/s，消力池中最大流速达到31.21m/s，整体结构消能率为70.9％，但高流速会导致下游消力池破坏，工程经济性和消能效果较实施例2差。

实施例3和对比例3的工程概况如下：

某电站修建在狭窄河谷之中，两岸山体陡峭，下游河道逐渐缩窄，消能系统入口高程为537.00m，出口高程为417.00m，落差为120m，泄洪流量为750m³/s。针对上述工程，采用实施例3和对比例3两种消能系统进行水工模型试验。

实施例3

本实施例采用悬挂底流式梯级消力池消能系统，包括设置在水库坝体侧面山体不同高程处的三级消力池2，将水库中的水引出的上游引水渠1、各级消力池对应的溢洪道4和将最低高程消力池中的水引入河道6的岸边引水渠5，相邻两级消力池的下游端方向相反，各级消力池的上游端不设边墙，下游端边墙上设置有溢流堰3；上述设施的布置方式如图1所示，各级消力池的轴线相互平行，相邻消力池的水平投影部分重叠；最高高程消力池对应的溢洪道4进水端与上游引水渠1衔接，出水端与最高高程消力池上游端衔接；第二高程消力池对应的溢洪道4进水端与最高高程消力池下游端边墙设置的溢流堰3衔接，出水端与第二高程消力池上游端衔接；最低高程消力池对应的溢洪道4进水端与第二高程消力池下游端边墙设置的溢流堰3衔接，出水端与最低高程消力池上游端衔接；所述岸边引水渠5的进水端与最低高程消力池下游端边墙设置的溢流堰衔接，其末端与河道6相连，岸边引水渠5末端的水流方向与下游河道7的水流方向相交的角度为42°。

消力池的结构见图5、图6、图7。三级消力池的尺寸相同，它们的长度l＝30m，宽度b₁＝25m，深度h₁＝10m，它们的溢流堰高度h₂＝5m、宽度b₂＝25m(与消力池宽度相同)，最高高程消力池与第二高程消力池之间的高程差＝第二高程消力池与最低高程消力池之间的高程差＝40m，各级放在山体上的宽度均为15m。第二高程消力池对应的溢洪道入水口宽度与最高高程消力池的溢流堰宽度相等，最低高程消力池对应的溢洪道入水口宽度与第二高程消力池的溢流堰宽度相等，由于是底流消能，各溢洪道的出水口与对应的消力池宽度相同，因而连接于两级消力池之间的溢洪道从上游到下游为等宽结构，与上游引水渠相接的溢洪道根据泄流流量的大小设计成从上游到下游为渐扩的结构。

试验结果：泄洪流量为750m³/s时，水流平顺进入河道，对下游岸坡及河流底部无明显冲刷，测得岸边引水渠内水流平均流速为8.27m/s，该消能系统的消能率为77.33％。工程开挖量为1.2万m³，混凝土浇筑量为1.4万m³。

对比例3

本对比例采用陡槽溢洪道+消力池消能系统，陡槽坡度为1.6，下游消力池长度40m，宽度30m、深度为25m，工程共填方5.7万m³，混凝土浇筑量达到3.3万m³。

试验结果：泄洪流量为750m³/s时，测得消力池末端平均流速为14.23m/s，消力池中最大流速达32.67m/s，结构整体消能率为62.4％，但高流速会导致下游消力池破坏，其工程经济性和消能效果较实施例3差。

需要说明的是：上述各实施例中的“第二高程消力池”又可称为“次低高程消力池”。

Claims (9)

1.一种悬挂底流式梯级消力池消能系统，其特征在于该系统包括设置在水库坝体侧面山体不同高程处的多级消力池(2)，将水库中的水引出的上游引水渠(1)、各级消力池对应的溢洪道(4)和将最低高程消力池中的水引入河道(6)的岸边引水渠(5)，相邻两级消力池的下游端方向相反，且水平投影部分重叠或不重叠，各级消力池的下游端边墙上均设置有溢流堰(3)；

最高高程消力池对应的溢洪道(4)进水端与上游引水渠(1)衔接，出水端与最高高程消力池上游端衔接；第二高程消力池对应的溢洪道(4)进水端与最高高程消力池下游端边墙设置的溢流堰(3)衔接，出水端与第二高程消力池上游端衔接；第三高程消力池对应的溢洪道(5)进水端与第二高程消力池下游端边墙设置的溢流堰(3)衔接，出水端与第三高程消力池上游端衔接；按照上述衔接方式，即下一高程消力池对应的溢洪道进水端与上一高程消力池下游端边墙设置的溢流堰衔接，出水端与下一高程消力池上游端衔接；最低高程消力池对应的溢洪道(4)进水端与次低高程消力池下游端边墙设置的溢流堰(3)衔接，出水端与最低高程消力池上游端衔接；所述岸边引水渠(5)的进水端与最低高程消力池下游端边墙设置的溢流堰衔接，其末端与河道(6)相连，从而使水库中的水经上游引水渠、各级消力池对应的溢洪道、各级消力池、岸边引水渠流入河道。

2.根据权利要求1所述悬挂底流式梯级消力池消能系统，其特征在于各级消力池的轴线相互平行。

3.根据权利要求1或2所述悬挂底流式梯级消力池消能系统，其特征在于相邻两级消力池之间的高程差Δx＝30～45m。

4.根据权利要求1或2所述悬挂底流式梯级消力池消能系统，其特征在于所述消力池的长度l＝20～40m、宽度b₁＝15～30m，深度h₁＝最大水位高度+波动高度+安全超高。

5.根据权利要求3所述悬挂底流式梯级消力池消能系统，其特征在于所述消力池的长度l＝20～40m、宽度b₁＝15～30m，深度h₁＝最大水位高度+波动高度+安全超高。

6.根据权利要求1或2所述悬挂底流式梯级消力池消能系统，其特征在于所述岸边引水渠(5)末端的水流方向与河道(6)的水流方向相交的角度为锐角。

7.根据权利要求3所述悬挂底流式梯级消力池消能系统，其特征在于所述岸边引水渠(5)末端的水流方向与河道(6)的水流方向相交的角度为锐角。

8.根据权利要求4所述悬挂底流式梯级消力池消能系统，其特征在于所述岸边引水渠(5)末端的水流方向与河道(6)的水流方向相交的角度为锐角。

9.根据权利要求5所述悬挂底流式梯级消力池消能系统，其特征在于所述岸边引水渠(5)末端的水流方向与河道(6)的水流方向相交的角度为锐角。