CN104775393B - 一种异型反台阶整流消能方法及消力池 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种异型反台阶整流消能方法及消力池，利用底板上的连续反台阶尾坎代替传统尾坎体型，水流与反台阶分层碰撞，分层消减能量，增强出池前水流碰撞、掺混、紊动流态，实现碰撞消能；在前端进口设置跌坎；两侧边墙向河心侧曲面非对称扩散，每阶台阶边缘布置成连续“L”型或锯齿形的方式，形成进口处低、出口处高、河心侧低、近岸坡侧高的横向和纵向三维异型反台阶结构，强迫池内形成水跃消能流态。同时水流横向充分扩散并导向河心侧，可有效缩短池长，提高消能率，达到消能和调整流速分布的作用，使出池水流平顺归槽，减轻下游冲刷。本发明适用于低水头、大单宽流量（尤其大于300m²/s）、低Fr数（尤其Fr数<2）水流流态。

Description

一种异型反台阶整流消能方法及消力池

技术领域

本发明属于水利水电工程泄洪消能领域，涉及一种消能方法及消力池。

背景技术

在水利水电泄水建筑物中，泄流与下游天然河道相衔接时，必然需要消能与调整流速分布。高水头、高Fr数（注：Fr数称之为弗汝德数，是水力参数，后文简称为“Fr数”）泄水条件，可用挑流加水垫塘，亦可用底流、面流加消力池等措施，达到消能防冲目的。但对于低水头、大单宽、低Fr数水流消能问题一直成为难点，尤其是单宽流量极大（大于300m²/s）、Fr数极低（1~2）情况下，水流消能难度极大。尤其是岸边泄洪流道出口，地质条件复杂，出口消能区域受限，出口水流与下游河道轴线存在夹角，需要同时兼顾水流消能及平顺归槽的双层目标。

从消能角度：无论哪种消能形式，在消能段能出现完整稳定水跃流态，对消能极为有利。但稳定水跃形成对来流Fr数、单宽流量、上下游水位差及变化等条件要求较高。很多情况下，尤其是低水头、大单宽、低Fr数水流，上下游水位组合复杂多变、水跃产生区地形地质条件受限，水跃产生形态不稳定，甚至不能形成水跃现象，不能够保证泄水流道出口高效消能。目前，为了利用水跃消能，常采用辅助消能工（墩、坎等）及收缩扩散等方式强迫水流产生水跃现象，但是，对于单宽流量极大（大于300m²/s）、Fr数极低（1~2），上下游水位差较小，下游水位较低，出口地形地质条件受限（消能区域较短）等情况，消能难度较大，由于出口单宽流量大、流速高，难以形成水跃，消能率极低，造成下游冲刷严重。

从水流归槽角度：泄水流道出口水流归槽问题直接影响到下游安全。很多工程由于地形、地质条件复杂，尤其是岸边建筑物，出口区域空间受到限制，出口后河床地质条件差、覆盖层较厚，消能区域空间小，只能在有限区域集中高效消能方可保证下游安全。一般情况下，岸边流道出口水流轴线与河道主流轴线存在夹角，夹角较小时，出流靠岸，严重威胁下游岸坡安全；夹角较大时，水流难以归槽，也会影响对岸岸坡安全。因此，岸边流道出口水流需要同时解决出口消能和平顺归槽的双重重任。而传统的齿坎、导流墩、扭面等措施对于水体集中、离心力较大的大单宽、低Fr数水流，转向整流作用不显著，出流横向扩散不均匀，均不易达到消能和归槽的双层目的。

台阶消能方式已在水利工程、景观设计、河流防沙及鱼道工程等领域得到应用，水利工程中常在坝面、溢洪道等处采用台阶进行消能，通过对底流加糙，增加掺气、旋滚、碰撞，达到消能掺气的目的，且多为正向（即每个台阶平面高程沿水流方向逐级降低）台阶。对于反台阶（即每个台阶平面高程沿水流方向逐级升高）消能方式，目前工程上多采用单个台阶型式（如坎、墩等），亦可理解为一个反台阶形式，用以整流或促使水跃产生，但是消能效果还有待提高。

发明内容

本发明针对低水头、大单宽流量（尤其是大于300m²/s）、低Fr数（尤其是Fr数<2）水流，进流均匀，出流水流与河道轴线存在夹角的情况，提供一种异型反台阶整流消能方法及消力池，可有效缩短消力池池长，提高消能率，并解决岸边泄水水流平顺归槽问题。

本发明具体采用如下技术方案：

一种异型反台阶整流消能方法，其特征是在消力池的末端设置连续反台阶尾坎，消力池两侧边墙非对称分布且向河心侧呈曲面扩散，将主流导向河心侧，连续反台阶尾坎由宽度随消力池边墙扩散而变化的多个台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高，每阶台阶边缘布置成连续“L”型或锯齿形，形成进口处低、出口处高、河心侧低、近岸坡侧高的横向和纵向三维异型反台阶结构，与来流分层碰撞，分层消减水流能量，同时使水流横向充分扩散并将主流导向河心侧，水流在池内充分掺混、紊动，促使池内形成稳定水跃消能流态，实现整流消能及岸边泄水流道出水水流平顺归槽的目的。

本发明还提供了应用上述消能方法的消力池，由前端的跌坎、底部的底板、两侧的边墙及末端的尾坎组成，其特征是所述消力池两侧边墙非对称分布且向河心侧呈曲面扩散，尾坎采用连续反台阶，连续反台阶由宽度随消力池边墙扩散而变化的多个台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高，每阶台阶边缘布置成连续“L”型或锯齿形，形成进口处低、出口处高、河心侧低、近岸坡侧高的横向和纵向三维异型反台阶结构。

优选地，所述尾坎反台阶阶数为3~5阶；

优选地，所述尾坎单阶台阶高度为2~4m。（各阶台阶高度可以相等，也可以不相等。）

优选地，曲面的形式由流态调整需要决定，包括但不限于平面、圆弧面、椭圆弧面、多次曲面及他们的任意组合。

本发明反台阶尾坎各阶踏步深度可根据实际流态调整需要结合反台阶的阶数及单阶台阶高度综合考虑设计。

本发明的异型反台阶整流消能方法及消力池利用末端的连续反台阶尾坎代替传统尾坎体型，每阶台阶边缘布置成连续“L”型或锯齿形的方式，形成进口处低、出口处高、河心侧低、近岸坡侧高的横向和纵向三维异型反台阶结构，使水流与反台阶分层碰撞，分层消减能量，增强出池前水流碰撞、掺混、紊动流态，实现碰撞消能；为了在池内形成水跃消能流态，在前端进口设置跌坎，增加池内水深，使水流在池内纵向扩散；两侧边墙向河心侧曲面扩散，使水流横向扩散并将主流导向河心侧。可有效缩短池长，提高消能率，达到消能和调整流速分布的作用。同时，使出池水流偏转，与下游河道平顺衔接，大大减轻下游冲刷。本发明适用于低水头、大单宽流量（尤其是大于300m³/sm）、低Fr数 （尤其是Fr数<2）水流，多为岸边泄洪的过水流道，出流水流与河道轴线存在夹角，出口水流由于离心力作用很难横向扩散开，水体集中，且出口后地质条件差、可供消能区域空间小，岸坡易受影响，下游冲刷严重的情况。消力池具体尺寸及体型要求与来流条件及下游水位相适应。

附图说明

图1为异型反台阶消力池立体图。

图2为异型反台阶消力池平面图。

图3（a）为实施例二泄水建筑物布置示意图。其中A为异型反台阶消力池，B为导流轴线，C为河道主流轴线，D为右岸岸坡，E为左岸岸坡。

图3（b）为实施例二异型反台阶体型示意图。其中3-1为消力池左边墙，3-2为消力池右边墙。

图4为锯齿状“伸舌”示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1、图2所示，异型反台阶消力池由前端的跌坎1、底部的底板2、两侧的边墙3及末端的尾坎4组成。两侧边墙3为非对称分布且向河心侧呈曲面扩散，曲面扩散可以采用平面、圆弧面、椭圆弧面及多次曲面等形式，也可以是多种曲面的任意组合形式，由流态调整需要决定。其尾坎4设置成连续反台阶尾坎，由宽度随消力池边墙扩散而变化的台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高，每阶台阶边缘布置成连续“L”型或锯齿形，使尾坎台阶进口处低、出口处高、河心侧低、近岸坡侧高，形成横向和纵向三维异型反台阶结构。三维异型反台阶结构中的台阶单元平面形状为梯型、三角形或不规则四边形。这里的台阶单元是指三维反台阶实体被“L”型或锯齿形边缘划分出的各个柱状实体结构，如图2中虚线框内分割出的柱状台阶实体结构所示。

水流与反台阶分层碰撞，并横向扩散，将主流偏向河心侧，出池前水流充分碰撞、掺混、紊动，在池内形成水跃消能流态，达到消能和调整流速分布的目的，并使出池水流平顺归槽。

异型反台阶消力池实施条件：当来流为低水头、大单宽、低Fr数水流状态，出口布置在岸边，进流均匀，出流水流与河道轴线存在夹角，其出口后地质条件差、可供消能区域空间小，岸坡易受影响。尤其是极大单宽流量（大于300m²/s）、极低Fr数（1~2）岸边过水流道，出口水流由于离心力作用很难横向扩散开、水体集中、下游冲刷严重的情况。此时，消力池进口与出口不等宽、不对称。首先根据地形、地质条件，确定消力池长度、出口宽度及偏向，然后设定纵横向反台阶尺寸、形状及排列方式，以满足消能、调速及平顺归槽的目的。一般的，阶数3~5阶，每阶高度2~4m。

实施例二

以某工程水工模型试验为例，消力池进口水流单宽流量399m²/s、Fr数为1.48，出口靠右岸岸坡D近（消力池靠右岸岸坡D一侧为近岸坡侧，靠左岸岸坡E一侧为河心侧），右岸岸坡D为土坡地质，岸上为施工场地，出口基岩地质条件仅有80m左右，其后接深厚覆盖层地质条件。若采用传统的齿坎、分流墩、扭面等方式，很难将主流平顺归向河心，消能率极低，下游冲刷坑30m以上，防护代价很高。采用异型反台阶消力池，在较短池内形成完整稳定水跃消能，消能率高，出口流速大大降低，下游仅需局部防护，冲刷深度仅10m左右，两岸岸坡未受到影响。

异型反台阶消力池布置及体型示意图见图3（a）、图3（b），进口跌坎高度6m；左边墙3-1扩散角度24°，右侧边墙3-2扩散角度5°（根据具体工程实例，扩散角度大到扩散水流与边墙不产生分离现象为宜）；池末端尾坎4采用5级异型台阶，台阶边缘采用连续“L”型，底三层台阶高度均为3m，顶两层台阶高度均为4m。

经水工模型试验论证，本发明消能效果较好，下游归槽平顺，可满足工程需要。

本发明的异型反台阶消力池，其连续反台阶尾坎的顶部台阶可以顺水流方向延伸至消力池外，呈“舌头”状伸出，出池水流在此“舌头”交错跌落，具有观赏价值，特别是水体较薄时更为明显。“舌头”形状可为图4所示锯齿状，也可是鱼鳞状等别的形状。反台阶结构外形及水流流态可纳入枢纽景观。

Claims (9)

1.一种异型反台阶整流消能方法，其特征是在消力池的末端设置连续反台阶尾坎，消力池两侧边墙非对称分布且向河心侧呈曲面扩散，将主流导向河心侧，连续反台阶尾坎由宽度随消力池边墙扩散而变化的多个台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高，每阶台阶边缘布置成连续“L”型或锯齿形，形成进口处低、出口处高、河心侧低、近岸坡侧高的横向和纵向三维异型反台阶结构，与来流分层碰撞，分层消减水流能量，同时使水流横向充分扩散并将主流导向河心侧，水流在池内充分掺混、紊动，促使池内形成稳定水跃消能流态，实现整流消能及岸边泄水流道出水水流平顺归槽的目的。

2.如权利要求1所述的异型反台阶整流消能方法，其特征是曲面的形式由流态调整需要决定，包括圆弧面、椭圆弧面及他们的任意组合。

3.如权利要求1所述的异型反台阶整流消能方法，其特征是所述连续反台阶尾坎阶数为3~5阶。

4.如权利要求1所述的异型反台阶整流消能方法，其特征是所述连续反台阶尾坎单阶台阶高度为2~4m。

5.一种异型反台阶消力池，由前端的跌坎（1）、底部的底板（2）、两侧的边墙（3）及末端的尾坎（4）组成，其特征是所述消力池两侧边墙非对称分布且向河心侧呈曲面扩散，尾坎（4）采用连续反台阶，连续反台阶由宽度随消力池边墙扩散而变化的多个台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高，每阶台阶边缘布置成连续“L”型或锯齿形，形成进口处低、出口处高、河心侧低、近岸坡侧高的横向和纵向三维异型反台阶结构。

6.如权利要求5所述的异型反台阶消力池，其特征是所述尾坎（4）阶数为3~5阶。

7.如权利要求5所述的异型反台阶消力池，其特征是所述尾坎（4）单阶台阶高度为2~4m。

8.如权利要求5所述的异型反台阶消力池，其特征是曲面的形式由流态调整需要决定，包括圆弧面、椭圆弧面及他们的任意组合。

9.如权利要求5所述的异型反台阶消力池，其特征是尾坎（4）的顶部台阶顺水流方向延伸至消力池外，呈舌头状伸出。