CN104264639B - 底流式梯级消力池消能系统 - Google Patents

底流式梯级消力池消能系统 Download PDF

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Abstract

本发明所述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阶梯式布置的消力池，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下游河道的岸边引水渠，各级消力池的下游端位于同一侧，各级消力池的下游端边墙上均设置有溢流堰。本发明所述消能系统适用于狭窄河谷，下游河道迅速由窄变宽的小流量高水头水利工程，以避免消力池破坏，保证下游河道安全，提高消能率。

Description

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、下游河道由窄变宽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、下游河道迅速由窄变宽、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技术的不足，提供一种适用于狭窄河谷，下游河道由窄变宽的小流量高水头水利工程的底流式梯级消力池消能系统，以提高消能率及工程安全性和经济性，减小枢纽布置的困难程度。
本发明所述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阶梯式布置的消力池，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下游河道的岸边引水渠，各级消力池的下游端位于同一侧，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，其末端与下游河道相连，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、岸边引水渠流入下游河道。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。
上述底流式梯级消力池消能系统，消力池轴线选择开挖量最小的方式进行布置，各级消力池的轴线相互平行，或各级消力池的轴线相交，或各级消力池的轴线部分平行、部分相交，若消力池的轴线相交，相交的角度为锐角。
上述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，且保证工程量最小。相邻消力池之间高程差根据地质条件进行选择，可以相等也可以不相等。
上述底流式梯级消力池消能系统，各级消力池对应的溢洪道出水端与该消力池上游端的衔接处设置有反弧段。
上述底流式梯级消力池消能系统，所述消力池的长度l＝20～40m、消力池的宽度b1＝15～30m、消力池的深度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。消力池的长度与宽度可以相等也可以不相等。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。
上述底流式梯级消力池消能系统，所述溢流堰的宽度b2≤消力池宽度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，因而连接于两级消力池之间的溢洪道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。
与现有技术相比，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，特别适合下游河道迅速由窄变宽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，通过调整各级消力池轴线及消力池大小，使得挖填方数量达到最小，避免了在狭窄河谷修建溢洪道时为减小溢洪道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，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为发明所述底流式梯级消力池消能系统的第一种总体布置俯视图。
图2为发明所述底流式梯级消力池消能系统的第二种总体布置俯视图。
图3为发明所述底流式梯级消力池消能系统的第三种总体布置俯视图。
图4为发明所述底流式梯级消力池消能系统的第四种总体布置俯视图。
图5为图1的A-A剖视图。
图6为单个消力池及其对应的溢洪道的结构示意图。
图7为图6的B-B剖视图。
图8为图6的C-C剖视图。
图中，1——上游引水渠，2——反弧段，3——消力池，4——溢流堰，5——溢洪道，6——岸边引水渠，7——下游河道，8——山体，9——原地面线，10——水面线，11——大坝，12——上游水库，h1——消力池深度，h2——溢流堰堰高，Δx—相邻两级消力池之间的高程差，l——消力池长度，b1——消力池宽度，b2——溢流堰宽度。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本发明所述底流式梯级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，下游河道迅速由窄变宽，水库上游水位高程为621.00m，下游水位高程为531.00m，落差为90m，泄流流量为300m3/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
本实施例所述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阶梯式布置的消力池3，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5和将最低高程消力池中的水引入下游河道7的岸边引水渠6，各级消力池的下游端位于同一侧，各级消力池的下游端边墙上均设置有溢流堰4，各级消力池对应的溢洪道5出水端与该消力池上游端的衔接处均设置有反弧段2。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，最高高程消力池对应的溢洪道5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5进水端与最高高程消力池下游端边墙设置的溢流堰4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5进水端与第二高程消力池下游端边墙设置的溢流堰4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6的进水端与最低高程消力池下游端边墙设置的溢流堰4衔接，其末端与下游河道7相连，岸边引水渠6末端的水流方向与下游河道7的水流方向相交的角度为15°。
消力池的结构如图6、图7、图8所示。三级消力池的尺寸相同，它们的长度l＝20m、宽度b1＝15m、深度h1＝15m，它们下游端边墙设置的溢流堰堰高h2＝5m、溢流堰宽度b2＝消力池宽度b1＝15m，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，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：泄流流量为300m3/s时，测得岸边引水渠内水流平均流速为7.57m/s，水流平稳进入下游河道，该底流式梯级消力池消能系统的消能率达到83.5％。工程填挖方量2.7万m3。
对比例1
采用陡槽泄洪道加消力池结合的消能系统，陡槽坡度为0.8。
试验结果：水流经过陡槽下泄进入消力池中，泄流流量为300m3/s时，测得消力池内最大水流流速达到25.69m/s，消力池尾部水流平均流速为13.18m/s，消能系统消能率为68.6％，且工程填挖方量达到4.6万m3，工程经济效益和消能效果较实施例1低。
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，下游河道迅速由窄变宽，水库入口高程为2136.00m，出口高程为2021.00m，落差为115m，泄洪流量为600m3/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
本实施所述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阶梯式布置的消力池3，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5和将最低高程消力池中的水引入下游河道7的岸边引水渠6，各级消力池的下游端位于同一侧，各级消力池的下游端边墙上均设置有溢流堰4，各级消力池对应的溢洪道5出水端与该消力池上游端的衔接处均设置有反弧段2。上述设施的布置方式如图3所示，最高高程消力池与第二高程消力池的轴线相互平行，第二高程消力池与最低高程消力池的轴线相交，呈41°夹角；最高高程消力池对应的溢洪道5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5进水端与最高高程消力池下游端边墙设置的溢流堰4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5进水端与第二高程消力池下游端边墙设置的溢流堰4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6的进水端与最低高程消力池下游端边墙设置的溢流堰4衔接，其末端与下游河道7相连，岸边引水渠6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°。
消力池的结构如图6、图7、图8所示。最高高程消力池和第二高程消力池尺寸相同，它们的长度l＝20m、宽度b1＝25m、深度h1＝15m；最低高程消力池的长度l＝40m、宽度b1＝30m、深度h1＝20m。最高高程消力池与第二高程消力池之间的高程差＝35m，第二高程消力池与最低高程消力池之间的高程差＝45m；各级消力池的溢流堰堰高h2＝5m，溢流堰宽度b2与消力池的宽度b1相同；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：泄流量为600m3/s时，测得岸边引水渠出口流速为9.81m/s，水流平顺进入下游河道，对下游岸坡及河道底部无明显冲刷。
对比例2
本对比例采用上游泄洪洞，下部接挑坎直接挑入下游河道的消能系统。
试验结果：水流经过泄洪洞后经挑坎挑落到下游河道中，挑流落点距河道对岸仅4.2m，且冲坑深度达到32.12m，威胁到下游河道边坡的安全和工程的正常运行。
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，下游河道迅速由窄变宽，水库入口高程为1426.00m，出口高程为1321.00m，落差为105m，泄洪流量为1200m3/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
本实施所述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阶梯式布置的消力池3，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5和将最低高程消力池中的水引入下游河道7的岸边引水渠6，各级消力池的下游端位于同一侧，各级消力池的下游端边墙上均设置有溢流堰4，各级消力池对应的溢洪道5出水端与该消力池上游端的衔接处设置有反弧段2。上述设施的布置方式：最高高程消力池与第二高程消力池的轴线相互平行，第二高程消力池与最低高程消力池的轴线相交，呈23.2°夹角(类似于图3)；最高高程消力池对应的溢洪道5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5进水端与最高高程消力池下游端边墙设置的溢流堰4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5进水端与第二高程消力池下游端边墙设置的溢流堰4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6的进水端与最低高程消力池下游端边墙设置的溢流堰4衔接，其末端与下游河道7相连，岸边引水渠6末端的水流方向与下游河道7的水流方向相交的角度为47°。
消力池的结构如图6、图7、图8所示。三级消力池的尺寸相同，它们的长度l＝30m、宽度b1＝20m、深度h1＝15m，它们下游端边墙设置的溢流堰堰高h2＝5m、溢流堰宽度b2＝15m，小于消力池宽度b1，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＝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设计成从上游到下游为渐扩的结构(类似于图2)。
试验结果：泄流量为1200m3/s时，测得岸边引水渠出口流速为7.62m/s，水流平顺进入河道，对下游岸坡及河流底部无明显冲刷。
对比例3
本对比例采用上游泄洪洞，下部接挑坎直接挑入下游河道中。
试验结果：水流经过泄洪洞后经挑坎挑落到下游河道中。挑流落点距河道对岸仅10.18m，且冲坑深度达到48.7m，威胁到下游河道边坡的安全和工程的正常运行。
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 (10)

1.一种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阶梯式布置的消力池(3)，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(5)和将最低高程消力池中的水引入下游河道(7)的岸边引水渠(6)，各级消力池的下游端位于同一侧，各级消力池的下游端边墙上均设置有溢流堰(4)；
最高高程消力池对应的溢洪道(5)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(5)进水端与最高高程消力池下游端边墙设置的溢流堰(4)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(4)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(5)进水端与次低高程消力池下游端边墙设置的溢流堰(4)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(6)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，其末端与下游河道(7)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、岸边引水渠流入下游河道。
2.根据权利要求1所述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或相交成锐角。
3.根据权利要求1或2所述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△x＝30～45m。
4.根据权利要求1或2所述底流式梯级消力池消能系统，其特征在于各级消力池对应的溢洪道(5)出水端与该消力池上游端的衔接处设置有反弧段(2)。
5.根据权利要求3所述底流式梯级消力池消能系统，其特征在于各级消力池对应的溢洪道(5)出水端与该消力池上游端的衔接处设置有反弧段(2)。
6.根据权利要求1或2所述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、消力池的宽度b1＝15～30m、消力池的深度h1＝最大水位高度+波动高度+安全超高。
7.根据权利要求3所述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、消力池的宽度b1＝15～30m、消力池的深度h1＝最大水位高度+波动高度+安全超高。
8.根据权利要求4所述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、消力池的宽度b1＝15～30m、消力池的深度h1＝最大水位高度+波动高度+安全超高。
9.根据权利要求5所述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、消力池的宽度b1＝15～30m、消力池的深度h1＝最大水位高度+波动高度+安全超高。
10.根据权利要求1或2所述底流式梯级消力池消能系统，其特征在于所述岸边引水渠(6)末端的水流方向与下游河道(7)的水流方向相交的角度为锐角。
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