CN104404925A - 水工建筑物多孔入流对冲消能结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水工建筑物多孔入流对冲消能结构，所述水工建筑物包括水体从其顶部过流的溢流坝和设置在溢流坝后面的消力池，消力池的池底与溢流坝溢流面连接，消力池的防护边墙与溢流坝溢流面边墙连接，所述溢流坝的坝顶设计有若干将水体过流区分隔成若干孔口的闸墩，使水体从多个孔口泄入消力池，所述防护边墙在水跃首部下游50～80m处对称设置转向边墙段，以束窄消力池的出口，使从溢流坝孔口下泄的水流经过束窄的消力池出口实现消力池内水面雍高，从而达到水流流态迅速从急流向缓流过渡。本发明具有消能效果突出，水工建筑物建设成本低等优点。

Description

水工建筑物多孔入流对冲消能结构
技术领域
本发明属于水利水电工程中泄洪消能领域，具体涉及包括溢流坝和设置的水工建筑物的水流消能结构。
背景技术
水利水电工程建设中，重力坝、闸坝是较为常用的溢流坝坝型，由于泄洪消能的需要，常常在溢流坝后修建一定规模的消力池，通过急流向缓流过渡引起的水跃造成的强烈旋滚与大量掺气的方式来消能。随着现代筑坝技术的提高，大坝的建造规模整体向着高水头、大流量的趋势发展，下游消力池的尺寸也随之急剧增大。
随着大坝高度或者上下游水位差(即水头)的增加，下泄水流的速度和能量也迅速增大，为了避免高速水流挟裹的巨大能量对下游河道和建筑物的冲刷破坏，常常需要将消力池修建得非常大，这一方面会增加工程耗资；另一方面，由于下泄水流能量巨大，其破坏力十分惊人，工程实际也证明，随着大坝高度的增加，消力池的破坏率及破坏程度也呈直线上升趋势。
设置大坝后的消力池，目前常规的设计是，水流进入消力池的进口宽度与水流流出消力池的出口宽度基本一样宽，为了防止高速水流的冲刷破坏，一般消力池的底板需要做的非常厚，防护段也要求做的较长；为尽可能减小消力池长度及其下游衔接段的工程造价，目前工程中常常采用在消力池内部适当位置增设消力墩(齿)等辅助设施，以达到加强水体紊动、增强水流能量耗散；同时，消能墩还对迎面水体产生逆向作用力，从而减小消力池的深度与长度。
然而，工程实践证明，当流速较高时，辅助设施的边壁极易产生局部负压，从而发生空蚀破坏；同时，对于有漂浮物(如漂木、漂冰等)及推移质的河道，辅助消能设施常遭到猛烈撞击破坏。
另外，模型试验与工程实践都证明，常规消力池消能率相对较低，一般为60％～70％左右，有时甚至更低。鉴于现有技术的常规水工建筑物布置方式不足，需要改变设计思路，通过改变水工建筑物布置方式，实现既能充分利用现有消力池的自身优势，又能尽可能地克服现有消力池消能率低下的弊端。
发明内容
针对现有技术的水工建筑物水流消能设计的现状与不足，本发明的目的旨在提供一种水工建筑物多孔入流对冲消能结构，使水体能量在多股水流大角度的冲击碰撞过程中得到消耗，既保证泄洪消能的安全高效的实现，又较大程度地减小消力池建造规模，节省工程投资。
本发明提供的水工建筑物多孔入流对冲消能结构，所述水工建筑物包括水体从其顶部过流的溢流坝和设置在溢流坝后面的消力池，消力池的池底与溢流坝溢流面连接，消力池的防护边墙与溢流坝溢流面边墙连接，所述溢流坝的坝顶设计有若干将水体过流区分隔成若干孔口的闸墩，使水体从多个孔口泄入消力池，所述防护边墙在水跃首部下游50～80m处对称设置转向边墙段，以束窄消力池的出口，使从溢流坝孔口下泄的水流经过束窄的消力池出口实现消力池内水面雍高，从而达到水流流态迅速从急流向缓流过渡。
在本发明的上述技术方案中，消力池防护边墙优先设计为通过转向边墙段使边墙方向垂直于水流方向；所述转向边墙段优先采用弧形转向边墙段，进一步地，弧形转向边墙段采用圆弧形转向边墙段或椭圆弧形转向边墙段；所述圆弧形转向边墙段或椭圆弧形转向边墙段，其弧形半径R一般控制在消力池进口宽度B的(10～30)％的范围。
在本发明的上述技术方案中，所述消力池的出口宽度b最好控制在消力池进口宽度B的(40～80)％，即b＝(0.4～0.8)B，B为消力池进口宽度。
在本发明的上述技术方案中，最好在消力池出口处设置尾坎；所述尾坎，可采取迎水面为斜平面，顶部为弧面设计。
在本发明的上述技术方案中，所述溢流坝，可采用坝顶为弧面，溢流面为平面设计。
本发明提供的水工建筑物多孔入流对冲消能结构，采取对冲设计的消力池，由于消力池出口束窄的缘故，可以实现常规消力池利用尾坎雍高池内水深的作用，甚至可以完全取代尾坎而独立发挥作用。由于对冲消力池是在消力池尾部使过水断面横向束窄，从泄洪坝靠近边墙的孔口下泄的水体在消力池束窄处垂直转向，靠近两岸的对称水体在横向形成一道连续的“水墙”，发挥了与消力池尾坎相似的功用，由边孔口下泄的水流源源不断地充斥其间以“补充能量”。
本发明设计的对冲消力池，其良好的消能效果主要是由纵向与横向水体垂直交叉碰撞实现的，其消力池长度可以得到有效的减小；同时由于消力池横向束窄的缘故，消力池后部防护墙宽度也得到了一定程度的减小；另外，同样由于横向束窄的原因，消力池内部水深增高，可以在一定程度上减小常规消力池的尾坎高度，极大地减小了工程投入成本。
用于实现消力池尾部束窄的转向边墙段，其转弯半径过小无法高效实现雍高消力池内水深、维持连续稳定的横向“水墙”的目的；过大则会使消力池内水深超高，造成与下游衔接不顺畅的问题。设消力池进口宽度为B，按照进口宽度越大转弯半径适度越大的原则，转弯半径R可取(0.1～0.3)B。则消力池出口宽度为(0.4～0.8)B，随着消力池出口宽度的束窄，尾坎高度可以大幅度地降低，直至取消尾坎。
采取本发明提供的水工建筑物多孔入流对冲消能结构，泄流孔口在全开状态下，消力池内部水体同时具有正交碰撞以及相向冲击流态(见图3)，此时由于中孔下泄的纵向水流垂直冲击横向“水墙”，一定程度上减弱了从靠近两边墙的孔口下泄水流的相向冲击作用，此时垂直相交碰撞消能为主要消能方式。为保证消力池结构安全，工程运行时靠近两岸边的孔口需随时保持同步启闭，以防止单独开启某一边孔口其横向水流冲击对岸消力池边墙。从中部孔口下泄的具纵向速度的水流与由靠近边墙孔口下泄的经垂直转向后形成的横向“水墙”在束窄处实现正交碰撞，极大地增强了消力池内部水体紊动，极大地提高了消能效率，它完全迥异于常规消能水体以高速水流“追赶”冲击低速水体的碰撞消能形式，而是以两股几乎具有相等速度的水流发生正交冲击碰撞，消能效果更为突出。同时，通过转弯部位实现横向转向的水流由于离心力的作用形成强烈的立轴漩涡，极大地增强了紊动能量耗散，并与中部孔口下泄的水体与尾坎作用形成的横轴漩涡相互作用，有效减小对消力池固体边壁的冲刷。
在上游来水流量相对较小，仅开启两边靠近边墙的孔口即可实现泄洪需求的情况下，可以关闭所有中部孔口，仅靠两岸边孔口泄流(流态示意图见图4)。此时，从靠近边墙孔口下泄的水流在下游消力池内发生横向对冲，同样，此种碰撞冲击消能方式也是一种创新型式的消能方式，其相向冲击碰撞极大地增强了水体紊动强度，冲击水流在其间剧烈剪切混掺，极大地提高了能量的耗散。
附图说明
图1是本发明的水工建筑物多孔入流对冲消能结构的立体示意图。
图2是本发明的水工建筑物多孔入流对冲消能结构的俯视示意图。
图3是本发明的水工建筑物多孔入流对冲消能结构全部泄洪孔口开启下消力池内水流流态示意图。
图4是本发明的水工建筑物多孔入流对冲消能结构仅靠近边墙的泄洪孔口开启下消力池内水流流态示意图。
在上述附图中各图示标号标识的对象分别为：1-闸墩；2-溢流面边墙；3-溢流面；4-防护边墙；5-束窄边墙段；6-尾坎。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整进行实施，但这样的实施应仍属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例的水工建筑物多孔入流对冲消能结构，其结构如附图1和附图2所示，包括水体从其顶部过流的溢流坝、位于溢流坝后面的消力池和位于消力池出口处的尾坎6，所述溢流坝的坝顶为弧面，溢流面3为平面，坝顶设计有若干将水体过流区域分隔成若干孔口的闸墩1，使水体从多孔口泄入消力池，坝高50米，坝宽80米；所述消力池，其进口宽度坝宽75米，池底与溢流坝溢流面3连接，消力池的防护边墙4与溢流坝溢流面边墙2连接，所述防护边墙在消力池水跃首部下游50m处对称设置圆弧形转向边墙段5，以束窄消力池的出口，使从溢流坝下泄的水流经过该断面实现消力池内水面雍高，从而达到水流流态迅速从急流向缓流过渡，其中圆弧形转向边墙段5的圆弧半径R为20米，消力池的出口宽度b为40米；所述尾坎的迎水面为斜平面，顶部为弧面。
实施例2
本实施例的水工建筑物多孔入流对冲消能结构，其结构如附图1和附图2所示，包括水体从其顶部过流的溢流坝、位于溢流坝后面的消力池和位于消力池出口处的尾坎6，所述溢流坝的坝顶为弧面，溢流面3为平面，坝顶设计有若干将水体过流区域分隔成若干孔口的闸墩1，使水体从多孔泄入消力池，坝高80米，坝宽60米；所述消力池，其进口宽度坝宽55米，池底与溢流坝溢流面3连接，消力池的防护边墙4与溢流坝溢流面边墙2连接，所述防护边墙在消力池水跃首部下游70m处对称设置圆弧形转向边墙段5，以束窄消力池的出口，使从溢流坝下泄的水流经过该断面实现消力池内水面雍高，从而达到水流流态迅速从急流向缓流过渡，其中圆弧形转向边墙段5的圆弧半径R为12米，消力池的出口宽度b为35米；所述尾坎的迎水面为斜平面，顶部为弧面。

Claims (10)

1.一种水工建筑物多孔入流对冲消能结构，所述水工建筑物包括水体从其顶部过流的溢流坝和设置在溢流坝后面的消力池，消力池的池底与溢流坝溢流面(3)连接，消力池的防护边墙(4)与溢流坝溢流面边墙连接，其特征在于，所述溢流坝的坝顶设计有若干将水体过流区分隔成若干孔口的闸墩(1)，使水体从多个孔口泄入消力池，所述防护边墙在水跃首部下游50～80m处对称设置转向边墙段(5)，以束窄消力池的出口，使从溢流坝孔口下泄的水流经过束窄的消力池出口实现消力池内水面雍高，从而达到水流流态迅速从急流向缓流过渡。
2.根据权利要求1所述的水工建筑物多孔入流对冲消能结构，其特征在于，消力池边墙通过转向边墙段使边墙方向垂直于水流方向。
3.根据权利要求1所述的水工建筑物多孔入流对冲消能结构，其特征在于，所述转向边墙段为弧形转向边墙段。
4.根据权利要求3所述的水工建筑物多孔入流对冲消能结构，其特征在于，所述弧形转向边墙段为圆弧形转向边墙段或椭圆弧形转向边墙段。
5.根据权利要求4所述的水工建筑物多孔入流对冲消能结构，其特征在于，所述圆弧形转向边墙段或椭圆弧形转向边墙段的弧形半径R，其大小为消力池进口宽度B的(10～30)％。
6.根据权利要求1至5之一所述的水工建筑物多孔入流对冲消能结构，其特征在于，所述消力池的出口宽度b为消力池进口宽度B的(40～80)％。
7.根据权利要求1至5之一所述的水工建筑物多孔入流对冲消能结构，其特征在于，在消力池出口处设置尾坎(6)。
8.根据权利要求7所述的水工建筑物多孔入流对冲消能结构，其特征在于，所述尾坎(6)的迎水面为斜平面，顶部为弧面。
9.根据权利要求1至5之一所述的水工建筑物多孔入流对冲消能结构，其特征在于，所述溢流坝的坝顶为弧面，溢流面(3)为平面。
10.根据权利要求8所述的水工建筑物多孔入流对冲消能结构，其特征在于，所述溢流坝的坝顶为弧面，溢流面(3)为平面。
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