CN104499454A - 适用于具有急流弯道的流态衔接建筑物 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于急流弯道的流态衔接建筑物，弯道上游来流以单级跌流形式进入流态衔接建筑物的消力池，侧堰设置于消力池侧墙，与下游流态调节池衔接，在流态调节池出口设置整流尾墩，其轴线与弯道下游流道轴线平行。本发明设计的主要原理：首先利用消力池的消能作用减小来流流速并在消力池内形成局部缓流；然后利用低流速对过流边界适应性强的原理，采用侧堰改变水流流向，并通过流态调节池进一步减小水流流速与改善流态；最后运用整流尾墩将流向调整至与弯道下游流道轴线方向平行。本发明能够有效避免水流在急流弯道内形成的菱形波、水面横比降大、折冲边墙等不利流态，以及减免高含沙水流对弯道下游流道边界的冲蚀和磨蚀破坏等。

Description

适用于具有急流弯道的流态衔接建筑物

技术领域

本发明涉及水利水电工程或防灾减灾工程中泄洪或输水建筑物，更为具体地说，是涉及具有较大转弯角度且流态为急流的排洪或者输水建筑物。

背景技术

水利水电工程中的泄洪建筑物和水处理工程中的排洪、输水建筑物受地形、地质等限制条件影响，可能会存在转弯角度较大的急流弯道。对于急流水流来说，受水体惯性和弯道离心力综合作用，对过流边界的适应性较差，急流水体很难在弯道内实现平顺衔接，主要表现为：弯道水流会对冲建筑物外侧边墙，在弯道内和弯道下游流道内形成折冲水流、菱形冲击波等不利流态。折冲水流对建筑物过流边界的冲刷能力较强，如果水流中还含有散粒体泥沙，在高速水流空蚀、冲蚀、磨蚀等叠加破坏下，更容易引发建筑物破坏。

对于弯道水流的研究主要包括弯道河流和弯道水工建筑物两方面。对于弯道河流，主要从弯道水力特性、弯道河床演变等角度出发。对于水工建筑物，大型水电工程的溢洪道和泄洪洞通常转弯角度较小，并尽量采用有压流衔接；中、小型的水电工程或输水、排水工程中，受地形等因素影响，可能会存在有转弯角度较大弯道，其流道中往往会存在菱形冲击波、水面横比降和折冲水流等不利流态，前人提出了诸多改善措施，主要包括：渠底超高法、渠底横向扇形抬高法、复曲线法、弯曲导流板法、螺旋线法、斜槛法、消能栅与导流消能板法、悬栅与悬栅板法、导向翼法、导流墩与糙条法、双曲底板法等，上述各种措施在不同的实际工程中均发挥了自身特性，取得了调节流态效果。

对于转弯角度较大的急流弯道，急流水流在弯道部位的折冲、水面横比降等流态更明显，而且对过流边界的破坏程度也更严重，上述诸多方法对流态的调节均具有较大困难，不能完全避免菱形波等不利流态。

针对具有较大转弯角度的急流弯道，发明人提出了一种能让弯道内流态衔接更平顺的建筑物，直到本发明完成之前，发明人还未发现采用本发明所提出的流态衔接建筑物的相关研究和工程实例。

发明内容

针对现有急流弯道流态衔接建筑物的技术现状与不足，本发明的目的旨在提出一种能够使急流水流在具有较大转弯角度的弯道内使流态平顺过渡的水工建筑物，以解决弯道急流在弯道下游泄槽内产生菱形冲击波、连续折冲等不利流态的问题。

本发明的基本思路为：首先利用消力池的消能作用减小流速形成局部缓流；其次利用低流速对过流边界适应性强的原理，采用侧堰改变水流流向，并通过流态调节池进一步减小水流流速并改善流态；最后运用整流尾墩的调节流向能力，将流向调整至与弯道下游流道轴线方向平行。本发明的基本方案是在急流弯道处采用跌流消力池+侧堰+流态调节池+整流尾墩的布置形式，以实现解决水流在弯道下游泄槽内产生菱形冲击波、连续折冲等不利流态的问题。

本发明提供的适用于急流弯道的流态衔接建筑物，其构成主要由消力池、侧堰、流态调节池和整流尾墩组成，其中消力池与弯道上游流道衔接并沿来流向布置，流态调节池与弯道下游流道衔接并沿去流向布置，侧堰位于消力池的侧墙处，整流尾墩布置于流态调节池出口，流态调节池通过侧堰衔接消力池，整流尾墩轴线方向与弯道下游流道轴线方向平行，消力池的方向与流态调节池的方向夹角φ为45°～90°，最好在70°～90°范围，流态衔接建筑物的各部位落差分配为：消力池衔接的上游流道来流水位与消力池内的水位之间的落差Z₀-Z₁为(0.5～0.7)H₀，消力池内的水位与流态调节池的水位之间落差Z₁-Z₂为(0.3～0.5)H₀，其中H₀为Z₀与Z₂之差。

本发明提供的适用于急流弯道的流态衔接建筑物，其平面布置如附图1所示，上游来流以跌流形式与消力池(①)衔接，在消力池侧墙适当部位设置侧向缺口形成侧堰(②)，侧堰与流态调节池(③)衔接，二者之间水流以跌流或淹没水跃形式衔接，在流态调节池尾部设置整流尾墩(④)，尾墩与弯道下游泄槽(⑥)衔接。

本发明提供的适用于急流弯道的流态衔接建筑物通过3次流态调整，使急流水流在弯道内平顺转弯，首先通过跌流消力池消杀能量，降低局部流速，即一次整流；然后在低流速状态下通过侧堰调整水流方向；经过侧堰调整流向之后，在侧堰下游的流态调节池内流速进一步减小，使流态平顺，即二次整流；最后通过整流尾墩调整出流方向，使流向与弯道下游流道轴线平行，即三次整流。设计过 程中，消力池、侧堰、流态调节池以及分流尾墩需合理分配落差。

消力池设计规模和各项参数的影响因素主要包括上游来流水流指标、侧堰泄流能力，故必须将消力池与侧堰设计相结合。上游来流以跌流形态进入消力池后，在跌流水舌落点范围内需保持一定的水垫深度以减小消力池底板冲击压强，该水垫深度受侧堰泄流能力和侧堰进口高程控制。消力池规模主要受地形等因素影响，但必须满足其基本水力学条件，消力池最小宽度可按下面公式(1)控制，消力池长度按单级跌水计算，各结构参数可按下面公式计算：

D₂≥D₁+1.6h     (1)

l_s＝l_d+0.8l_j     (2)

l_d＝4.3D^0.27P     (3)

l_j＝6.9(h_c″-h_c)     (4)

h_c＝0.54D^0.425P     (5)

h″＝1.66D^0.27P     (6)

$D=\frac{q^2}{{\mathrm{gP}}^3}---\left(7\right)$

h_p＝s₁+(Z₁-Z_c)     (8) 

$Q=\mathrm{mnb}\sqrt{2g}{H}^{3/2}---\left(9\right)$

上述各式中的符号为：D₁为上游来流流道的宽度；D₂为消力池的宽度；l_s为消力池长度；l_d为跌落水舌长度；l_j为水跃长度；h为上游流道内水深；h_c为收缩水深；h″为水跃后水深；P为跌坎高度；Q为上游流量；q为单宽流量m³/(s.m)；m为综合流量系数；n为泄流孔数；b为孔口宽度；g为重力加速度，g＝9.81m²/s；H为堰上水头。

为了满足跌流对消力池底板的冲击要求，需控制侧堰断面宽度、侧堰入口、堰顶高程。设计中，需拟定不同的侧堰控制断面宽度和堰顶高程，按堰流公式(9)，得到D₃～Z₁～Z_c关系曲线，并以消力池内水位作为控制因素，选定合理的侧堰控制断面宽度和堰顶高程。消力池内水垫深度按跌落水舌后部回流区内水垫深度h_p确定，h_p按式(8)计算。

为了保证消力池与侧堰以及流态调节池之间流态衔接平顺，侧堰的入口最好对应于消力池跌流落点范围的下游，即l_c>l_d，其中l_d按式(3)计算。为了增大侧堰泄流能力和减小侧堰入口侧向绕流，侧堰进口最好设计为喇叭型结构；为增加侧堰对流向的调整效果，侧堰设计为宽顶堰，侧堰下游与流态调节池衔接部位采用斜坡衔接，坡度范围可控制在i₁＝1:0.5～1:1范围。

水流经过侧堰改变流向后，在流态调节池内以淹没水跃衔接，并进一步降低流速，流态调节池长度l_t和深度s₂根据实际地形控制，流态调节池长度l_t需控制在5～10(Z₁-Z_c)范围。流态调节池出口最好以反坡衔接，并在反坡上，即流态调节池出口布置整流尾墩，通过调整其过流宽度和堰顶高程控制流态调节池内水位。反坡坡度范围为1:3～1:5，调节尾墩宽度和个数按下游流道宽度和流态调节池内水位计算和选取。

整流尾墩的墩头可采用尖墩头、圆墩头或椭圆曲线墩头结构。对于山区河道，水体含沙量较大且多为大颗粒散粒体，推荐采用圆墩头或椭圆曲线墩头，在考虑增大泄流能力的情况下，推荐采用椭圆曲线墩头。整流尾墩出口与弯道下游流道衔接，二者轴线最好平行。此外，为了避免整流尾墩出流在下游流道内对冲扩散而形成水翅等不利流态，故在整流尾墩后设计尾翼。

本发明提供的适用于急流弯道的流态衔接建筑物，其各部位具体设计所需要的参数分别为：

消力池：消力池长度l_s、消力池深度P、消力池宽度D₂、消力池内水位Z₁、射流水舌冲击区上游水垫深度h_p。

侧堰：侧堰入口堰顶高程Z_c、侧堰控制断面宽度D₃、侧堰宽度δ和侧堰下游坡度i₁。

流态调节池：流态调节池长度l_t、流态调节池宽度D_t、流态调节池池深。

整流尾墩：尾墩宽度d、调节墩个数n、堰顶高程Z_w。

本发明的主要优点在于：

(1)在急流弯道采用本发明设计流态衔接建筑物，能够有效地避免弯道水流的菱形波和折冲水流，使流道内高速水流在急流弯道内平顺过渡，与弯道下游流道平顺衔接，减小了流道被破坏的机率。

(2)对于建于山区的排洪、输水建筑物，水流内含沙量较大，且颗粒泥沙 含量较多，对于弯道水流处理不合理则很容易引发过流边界破坏。采用本发明设计流态衔接建筑物，既能让含沙水流在弯道处平顺过渡，同时能避免泥沙颗粒对流道折冲部位和底板的冲击与磨蚀破坏。

附图说明

图1是适用于90°的急流弯道的流态衔接建筑物平面布置结构示意图。

图2是1-1剖面布置结构示意图。

图3是2-2剖面布置结构示意图。

图4是一个实施例的原设计方案布置结构图。

图5是本发明应用于该实施例的设计方案布置结构图。

在上述附图中，各图示标号的标识对象是：①-消力池；②-侧堰；③-流态调节池；④-整流尾墩；⑤-弯道上游流道；⑥-弯道下游流道。

具体实施方式

下面结合附图给出了本发明的实施实例，并通过实施例对本发明作进一步的说明。有必要在这里特别说明的是，本发明的具体实施方式不限于实施例中的形式，根据本发明公开的内容，所属技术领域的技术人员还可以采取其他的具体方式进行实施，因此，实施例不能理解为是本发明仅可以实施的具体实施方式。

工程实例

本工程实例是某水电站施工堆料场的排洪系统，建于泥石流沟内，汛期内水量较大，且含沙量大，沟内50年一遇洪峰流量为192m³/s，100年一遇洪峰流量为219m³/s。该排洪系统由挡水建筑物、排水洞、消力池、尾部大倾角泄槽组成。原设计方案中(附图4)，上游排水洞隧洞轴线与尾部大倾角泄槽进口段正交，中间以消力池衔接，进口侧堰采用实用堰，实用堰后衔接陡槽且平面转弯，弯道后泄槽轴线与弯道上游排洪隧洞轴线斜交角度约为70°。

研究表明，在原设计方案下，随排洪流量增加，消力池紊动幅度增大，侧堰进口处的绕流导致了大倾角泄槽首部流态分布不均匀，该不均匀水流在实用堰范围内不能调整均匀且流速增加，高速水流在堰后的平面弯道内继续加速，但高速水流对过流边界的跟随性较差，故高速水流会直冲泄槽边墙并形成连续折冲水流、侧向壅高等不利流态，同时在水流中所含的大颗粒散粒体泥沙的磨蚀和砸蚀 破坏下，该工程在运行过程中历年均会发生破坏，并且泄流能力严重不足，最大泄流量仅70～80m³/s。

经过试验研究，优化方案采用了本发明的急流衔接布置方案(附图5)：取消原设计方案中弯道下游泄槽的平面转弯，采用直线衔接；消力池侧堰采用宽顶堰并在侧堰下游设置流态调节池+整流尾墩的布置方案。具体方案为：消力池与弯道上游流道衔接并沿来流向布置，流态调节池与弯道下游流道衔接并沿去流向布置，位于消力池侧墙的侧堰入口对应于消力池跌流落点范围的下游，整流尾墩布置于流态调节池出口，流态调节池通过侧堰衔接消力池，侧堰下游与流态调节池衔接部位采用斜坡衔接，斜坡坡度i₁＝1:0.8，侧堰进口为喇叭型结构。流态调节池长度l_t为8(Z₁-Z_c)，其出口以坡度为i₁＝1:3的反坡衔接，在反坡上即流态调节池出口布置有椭圆曲线墩头整流尾墩，整流尾墩设计有尾翼，整流尾墩轴线方向与弯道下游流道轴线方向平行，消力池的方向与流态调节池的方向夹角为75°左右，消力池衔接的上游流道来流水位与消力池内的水位之间的落差Z₀-Z₁为0.6(Z₀-Z₂)，消力池内的水位与流态调节池的水位之间落差Z₁-Z₂为0.4(Z₀-Z₂)。实验表明，采用本发明提供的技术方案后，消力池与泄槽入口衔接部位的流态更加平顺，经过流态调节池和整流墩的调节和分流作用，整流墩出口水流与弯道下游泄槽衔接更平顺，各级流量下泄槽内整体流态分布均匀，无不良流态，并且泄槽泄流能力显著增加，最大泄流量达到200m³/s。流态调节平顺后，高速水流内所含的散粒体泥沙在泄槽内对水流的跟随性增强，发生砸蚀破坏的机率明显减小。

Claims (10)

1.一种适用于急流弯道的流态衔接建筑物，其特征在于，构成主要由消力池、侧堰、流态调节池和整流尾墩组成，其中消力池与弯道上游流道衔接并沿来流向布置，流态调节池与弯道下游流道衔接并沿去流向布置，侧堰位于消力池的侧墙处，整流尾墩布置于流态调节池出口，流态调节池通过侧堰衔接消力池，整流尾墩轴线方向与弯道下游流道轴线方向平行，消力池的方向与流态调节池的方向夹角为45°～90°，流态衔接建筑物的各部位落差分配为：消力池衔接的上游流道来流水位与消力池内的水位之间的落差Z₀-Z₁为(0.5～0.7)H₀，消力池内的水位与流态调节池的水位之间落差Z₁-Z₂为(0.3～0.5)H₀，其中H₀为Z₀与Z₂之差。

2.根据权利要求1所述的适用于急流弯道的流态衔接建筑物，其特征在于，侧堰的入口对应于消力池跌流落点范围的下游。

3.根据权利要求1所述的适用于急流弯道的流态衔接建筑物，其特征在于，衔接消力池与流态调节池的侧堰按宽顶堰形式设计，其下游堰坡的坡度为1:0.5～1:1。

4.根据权利要求2所述的适用于急流弯道的流态衔接建筑物，其特征在于，所述侧堰的进口为喇叭型结构，使消力池与流态调节池内的水体流态平顺衔接。

5.根据权利要求1所述的适用于急流弯道的流态衔接建筑物，其特征在于，所述流态调节池的长度lt控制在5～10(Z₁-Z_c)范围，其中(Z₁-Z_c)指侧堰的堰上水头。

6.根据权利要求1所述的适用于急流弯道的流态衔接建筑物，其特征在于，所述流态调节池的出口采用反坡衔接，坡度范围为1:3～1:5。

7.根据权利要求1所述的适用于急流弯道的流态衔接建筑物，其特征在于，所述整流尾墩的墩头为尖墩头、圆墩头或椭圆曲线墩头结构。

8.根据权利要求7所述的适用于急流弯道的流态衔接建筑物，其特征在于，所述整流尾墩的尾部设计有尾翼。

9.根据权利要求1所述的适用于急流弯道的流态衔接建筑物，其特征在于，所述消力池的方向与流态调节池的方向夹角为在70°～90°。

10.根据权利要求1至9之一所述的适用于急流弯道的流态衔接建筑物，其特征在于，消力池的规模按单级跌流设计，其结构参数为：

D₂≥D₁+1.6h                    (1)

l_s＝l_d+0.8l_j                   (2)

l_d＝4.3D^0.27P                    (3)

l_j＝6.9(h″_c-h_c)               (4)

h_c＝0.54D^0.425P                   (5)

h″＝1.66D^0.27P                  (6)

$D=\frac{q^2}{g{P}^3}---\left(7\right)$

h_p＝s₁+(Z₁-Z_c)                      (8)

$Q=\mathrm{mnb}\sqrt{2g}{H}^{3/2}---\left(9\right)$

上述各式中的符号为：D₁为上游来流流道的宽度；D₂为消力池的宽度；l_s为消力池长度；l_d为跌落水舌长度；l_j为水跃长度；h为上游流道内水深；h_c为收缩水深；h″为水跃后水深；P为跌坎高度；Q为上游流量；q为单宽流量m³/(s.m)；m为综合流量系数；n为泄流孔数；b为孔口宽度；g为重力加速度，g＝9.81m²/s；H为堰上水头。