CN104404928A - 一种重力坝表孔泄洪跌射流消能方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种重力坝表孔泄洪跌射流消能方法。该方法是将重力坝下游坝面从某一位置截断，从坝面截断处向内凹陷的，随之坝址横向內缩，并将原本下游消力池转化为水垫塘。重力坝表孔泄洪跌射流消能方法能使水流倾斜着以较大角度跌射进入下游水垫塘内，形成强剪切消能，然后水流在此区通过强紊动进一步消能，提高了消能效果，并能够降低重力坝施工成本。

Description

一种重力坝表孔泄洪跌射流消能方法
技术领域
本发明属于水利水电工程中重力坝泄洪消能领域，具体涉及一种重力坝表孔泄洪跌射流消能方法。
背景技术
水利水电工程中，经泄水建筑物下泄的水流带有较大的能量，为了避免水流的能量对建筑物和下游造成较大的影响，常常在泄水建筑物末端采用消力池形成水跃消能，或者采用挑流的方式将水流挑到下游一定的位置，利用下游水体与挑射水流之间的强剪切作用来消能，但具体采用哪种方式来消能，一般与坝型有关。重力坝、拱坝和土石坝属于三种很重要的常用坝型，其泄洪消能方式与有较大差异，一般来说，重力坝的建筑材料是混凝土，常常采用坝身泄洪，在坝后修建消力池，采用水跃的方式来消能。
随着大坝高度的增加，下泄水流的速度也迅速增加，剩余能量也就相应增加，为了避免剩余能量对下游的冲刷破坏，常常需将消力池修建得非常大，并且在消力池尾坎后还要修建一段护坦来保护河床。为了尽可能减小消力池长度及其下游的工程造价，宽尾墩在重力坝表孔中得到广泛应用，宽尾墩的作用原理是，将表孔水流沿纵向拉伸，从而一部分水流从空中跌入下游消力池内，一部分水流仍贴着坝面进入消力池内形成水跃消能，由于在消力池首部，跌落水流会对贴壁水流造成冲击作用，因此可以使此区域的水流更加紊乱，从而增加能量的消耗。
但是，随着大坝高度的增加，被宽尾墩拉伸的水流在空中的运动过程中会出现集中现象，这主要是由于，宽尾墩出口处的水流速度下大上小，因此，当空中运动距离较大后，不同位置出射的水流运动轨迹会相交，从而导致水流拉伸后又再次集中，而水流集中后，对消力池首部的冲击作用会大大增加，而过大的冲击压力会使底板产生破坏，另外，水流集中后，消能效果也会变差。
发明内容
本发明目的之一在于提供一种重力坝表孔泄洪跌射流消能方法，本消能方法能形成自由跌射水流，倾斜着以较大角度进入下游水垫塘内消能，提高了消能效果，并能够降低重力坝施工成本。
本发明提供的一种重力坝表孔泄洪跌射流消能方法，是将重力坝下游坝面截断，形成纵向截断面。
进一步的，将所述重力坝下游坝面从截断处向内凹陷，随之坝址横向內缩。
进一步的，将原本下游消力池转化为水垫塘。
进一步的，所述重力坝截断面高程Z2可根据坝顶高程为Z1计算得出，即其中V为空蚀空化控制流速。
进一步的，跌射水流出射后横向运动距离L可根据下游坝面出口倾角θ求得，即L＝Vt cosθ，其中V为空蚀空化控制流速，t为水体从下游坝面截断处流到下游水垫塘所用时间，所述出口倾角θ为下游坝面与水平面的夹角。
进一步的，所述跌射水流出射后横向运动距离L与坝趾横向内缩长度a的和大于1.5倍下游水深Z3。
进一步的，将上游坝面设计为向上游倾斜的曲面，同时增大上游坝踵位置的重量。
进一步的，将所述重力坝下游坝面的曲线增胖。
本发明的有益效果为，重力坝表孔泄洪跌射流消能方法能使水流倾斜着以较大角度跌射进入下游水垫塘内，形成强剪切消能，然后水流在此区通过强紊动进一步消能，提高了消能效果，并能够降低重力坝施工成本。
附图说明
图1所示为本发明表孔泄洪跌射流消能重力坝结构示意图。
图2所示为本发明表孔泄洪跌射流消能重力坝各项参数示意图。
图3所示为本发明表孔泄洪跌射流消能重力坝增宽后结构示意图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例详细描述本发明。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
本发明的消能方法采用如图1所示的表孔泄洪跌射流消能重力坝，该重力坝下游坝面2从某一位置截断，从坝面截断处向内凹陷的，随之坝址5横向內缩，并将原本下游消力池转化为水垫塘。
使沿着下游坝面2下泄的水流形态从原本的贴壁行进水流转换成跌射水流，原本下游消力池转化为如拱坝挑射水流消能形式的水垫塘6，跌射水流在进入水垫塘6时形成强剪切消能，大量能量在此得到耗散，在射流入水点四周形成旋滚，此区水流紊动剧烈，水流在此区通过强紊动进一步消能。
采用本消能方法使水流进入消力池的方式与原来存在很大的差异。原来水流基本水平的进入消力池，较大的水流速度会将水流推向下游，而采用跌射流技术后，水流近乎垂直的进入消力池，因此消力池长度可以大大缩短，降低重力坝施工成本。
常规坝面表孔下泄的水流到达下游坝面一定位置后流速变得很高，特别是一些高水头重力坝，坝面流速有时可达到40m/s以上，此时过流坝面存在空蚀破坏的危险，而采用表孔跌射流消能方法，使可在坝面存在空蚀可能的位置之前，使得高流速水体临空，此后水流脱离坝面，形成空中自由跌射水流，有效避免了坝身可能出现的空蚀破坏。
为保证所有下泄的水流都形成跌射的形态，从下游坝面2截断处向内凹陷，形成凹角，随之坝址5横向內缩，使坝趾5远离跌射水流入水区域，这样的布置形式有利于避免下泄强紊动水体掏刷坝趾位置5。
下面结合图2的各项参数，详细介绍重力坝下游截断面3高程Z2选取原则：
截断面3高程Z2可根据坝顶1的高程Z1计算得出，即其中V为空蚀空化控制流速。
跌射水流出射后横向运动距离L可根据下游坝面2出口倾角θ求得，即L＝Vt cosθ，其中t为水体从下游坝面2截断处流到下游水垫塘6所用时间，出口倾角θ为下游坝面2与水平面的夹角，其角度选取以40°到60°为宜。
跌射水流出射后横向运动距离L与坝趾5横向内缩长度a的和大于1.5倍下游水深Z3，即L+a>1.5Z3。
从重力坝坝身稳定考虑，由于本发明将下游坝面2截断以形成跌射的水流形态，故自身重量有所减小，这对大坝的稳定有一定不利影响。所以可将上游竖直坝面改为适当向上游倾斜，适量增大上游坝踵位置4的重量，并利用倾斜面以上水体的压重来增加坝身的稳定，同时，还可以将重力坝下游坝面2的曲线适当增胖来增加坝身体积来增加其稳定性，修改后的表孔泄洪跌射流消能重力坝如图3所示(图中虚线为改进前坝身体型)。
本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (8)

1.一种重力坝表孔泄洪跌射流消能方法，其特征在于，将重力坝下游坝面截断，形成纵向截断面。
2.如权利要求1所述的一种重力坝表孔泄洪跌射流消能方法，其特征在于，将所述重力坝下游坝面从截断处向内凹陷，随之坝址横向內缩。
3.如权利要求1所述的一种重力坝表孔泄洪跌射流消能方法，其特征在于，将原本下游消力池转化为水垫塘。
4.如权利要求1所述的一种重力坝表孔泄洪跌射流消能方法，其特征在于，所述重力坝截断面高程Z2可根据坝顶高程为Z1计算得出，即其中V为空蚀空化控制流速。
5.如权利要求1所述的一种重力坝表孔泄洪跌射流消能方法，其特征在于，跌射水流出射后横向运动距离L可根据下游坝面出口倾角θ求得，即L＝Vtcosθ，其中V为空蚀空化控制流速，t为水体从下游坝面截断处流到下游水垫塘所用时间，所述出口倾角θ为下游坝面与水平面的夹角。
6.如权利要求5所述的一种重力坝表孔泄洪跌射流消能方法，其特征在于，所述跌射水流出射后横向运动距离L与坝趾横向内缩长度a的和大于1.5倍下游水深Z3。
7.如权利要求1所述的一种重力坝表孔泄洪跌射流消能方法，其特征在于，将上游坝面设计为向上游倾斜的曲面，同时增大上游坝踵位置的重量。
8.如权利要求7所述的一种重力坝表孔泄洪跌射流消能方法，其特征在于，将所述重力坝下游坝面的曲线增胖。
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