CN106498909A - 用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎 - Google Patents

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Abstract

本发明所述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎由底板、第一边墙和第二边墙构成，底板包括过水面及与过水面相交的两侧面，过水面为向上凹的圆弧面，该过水面沿水流方向依次由等弧度段、齿状出口段组成，过水面等弧度段的两侧面是轴线相同、圆心角相同、半径之差为底板宽度的圆柱面，过水面齿状出口段为一个大齿和一个小齿形成的齿状结构，大齿位于沿水流转弯方向的外侧，其外侧面的半径与过水面的等弧度段相应侧面的半径相同，小齿位于沿水流转弯方向的内侧，其外侧面的半径与过水面等弧度段相应侧面的半径相同。本发明为狭窄河谷岸边式溢洪道或泄洪洞出口提供一种适用的挑流鼻坎，解决该地形条件下挑流水舌归槽与下游河道的防冲问题。

Description

用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎
技术领域
本发明属于水利水电工程中的泄洪消能设施领域，具体涉及一种用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎。
背景技术
在河谷狭窄、岸坡陡峻的地区修建高水头、大流量、大功率泄洪的大型水电工程，泄洪消能建筑物的型式是否合理直接影响到工程运行的可靠性和安全性，是整个枢纽中重要的组成部分。根据国内外许多工程实践经验，高坝的泄洪消能方式一般选择挑流消能。由于岸边式泄水建筑物往往与狭窄的河道有一定的交角，下泄水舌的扩散空间受到限制，挑流水舌的归槽以及高陡岸坡的稳定问题较为突出，因而常规的挑流鼻坎型式无法满足工程的消能防冲要求，这就需要根据工程的实际特点，因地制宜的设计特殊的挑流鼻坎结构型式和布置方式，才能保证工程运行的可靠性和安全性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎，为狭窄河谷岸边式溢洪道或泄洪洞出口提供一种适用的挑流鼻坎，以解决该地形条件下挑流水舌归槽与下游河道的防冲问题。
本发明所述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎，由底板、第一边墙和第二边墙构成，底板包括过水面及与过水面相交的两侧面，所述底板的过水面为向上凹的圆弧面，该过水面沿水流方向依次由等弧度段、齿状出口段组成，过水面等弧度段的两侧面是轴线相同、圆心角相同、半径之差为底板宽度的圆柱面，过水面齿状出口段为一个大齿和一个小齿形成的齿状结构，大齿位于沿水流转弯方向的外侧，其外侧面的半径与过水面的等弧度段相应侧面的半径相同，小齿位于沿水流转弯方向的内侧，其外侧面的半径与过水面等弧度段相应侧面的的半径相同，所述底板的过水面以相切的方式与岸边溢洪道或泄洪洞底板的过水面相接，所述第一边墙和第二边墙分别与底板两侧面的形状和尺寸相匹配，形成不同尺寸的圆柱面边墙。
上述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎，底板过水面的齿状出口段的大齿出口切线与溢洪道或泄洪洞轴线的夹角为α，溢洪道或泄洪洞轴线与河床中泓线的夹角为γ，(-5°+γ)≤α≤(5°+γ)，对于一个具体的工程，由于受实际地形与地质条件限制，溢洪道或泄洪洞轴线与河床中泓线的夹角γ是确定的，因而属于挑流鼻坎设计的已知参数。
上述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎，底板过水面的等弧度段和底板过水面的齿状出口段大齿一侧的总弧长L1与底板宽度B之比为(1.0～3.0)︰1，底板过水面的半径R＝L1/θ1，式中，θ1为底板过水面的齿状出口段的大齿出口切线与水平面的夹角，单位为弧度，θ1＝π/18弧度～π/7.2弧度＝10°～25°，底板过水面的等弧度段和底板过水面的齿状出口段小齿一侧的总弧长L2＝Rθ2，式中，θ2为底板过水面的齿状出口段的小齿出口切线与水平面的夹角，单位为弧度，θ2＝π/20弧度～π/9弧度＝9°～20°，底板过水面的等弧度段两侧面的圆心角β＝(0.6-0.75)α，式中，α为底板过水面的齿状出口段的大齿出口切线与溢洪道或泄洪洞轴线的夹角。
上述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎，含大齿外侧面的底板侧面的半径式中，L1为底板过水面的等弧度段和底板过水面的齿状出口段大齿一侧的总弧长，θ1为底板过水面的齿状出口段的大齿出口切线与水平面的夹角，α为底板过水面的齿状出口段的大齿出口切线与溢洪道或泄洪洞轴线的夹角，θ1、α的单位为弧度；含小齿外侧面的底板侧面的半径R1＝R2－B，齿状出口段大齿根部的宽度B1＝(0.6～0.8)B，小齿根部的宽度为B2＝B－B1，各式中，B为底板的宽度。
将本发明所述挑流鼻坎用于岸边溢洪道或泄洪洞出口挑流消能时，所述挑流鼻坎以底板与岸边溢洪道或泄洪洞出口底板相切的形式与泄洪洞出口相接，并且以底板的转弯方向为向河道下游转弯的形式设置。因此，挑流鼻坎底板的宽度B与岸边溢洪道或泄洪洞底板的宽度相同，对于一个具体的工程，岸边溢洪道或泄洪洞底板的宽度是由工程所需泄流能力所确定的，挑流鼻坎底板的宽度B在挑流鼻坎设计中是已知参数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎，鼻坎射流在挑射过程中转向变形，射流落到河道中泓线附近，适用于河谷狭窄的高坝泄水孔、岸边式溢洪道，或泄洪洞轴线与河道中泓线有较大夹角的地形条件，有效避免了挑出水舌落在河谷两岸，造成冲刷破坏。
2、本发明所述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎，其水舌特点是：两侧圆柱面边墙的导向作用使水流转向河道中泓线近；过水面齿状出口段的大齿、小齿不对称，使得在鼻坎出口处流量分布不均匀，大齿的出射水流流量大，小齿的出射水流流量小，同时由于大齿的出射水流挑角要比小齿出射水流挑角(出口切线与水平面的夹角)大，大齿出射水流挑高大、挑距大，小齿出射水流挑高小、挑距小，形成上下两层水股，上层水股翻卷后向下跌落，与下层水股相互交错碰撞，形成一条靠近河道中泓线的偏转狭长入水带，在竖直面上成扇形分布，并挑离泄水建筑物相当距离，保护了挑流鼻坎的地基，提高了泄洪运行时的安全性。
3、本发明所述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎，挑流水舌在竖直面上形成扇形分布，增大了水流与空气的接触面积，水舌在空中掺气强烈，并紊动碰撞，竖向扩散，纵向拉伸，消能效果显著，且跌落时水舌入水面为一狭长的带状，使入射水流得到分散，减小了入水能量，引起的下游水面波动小，减轻了对河床和岸坡的冲刷。
4、本发明所述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎，由于圆弧面底板的齿状出口段末端形成缺口，使得出射水流的挑角与挑高不同，起挑流量的横向分布不同，因此可以适应不同的起挑流量，也适用于低水头的挑流消能。
5、本发明所述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎，结构简单，施工检修方便。
附图说明
图1是本发明所述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎的主视图；
图2是本发明所述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎的俯视图；
图3是本发明所述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎及其挑流水舌的主视图；
图4是本发明所述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎及其挑流水舌的俯视图；
图5是本发明所述挑流鼻坎与泄洪洞出口及河道的布置关系示意图；
图6是本发明所述挑流鼻坎与溢洪道出口及河道的布置关系示意图。
图中，1—底板，1-1—底板过水面，1-1-1—过水面的等弧度段，1-1-2—过水面的齿状出口段，1-1-2-1—大齿，1-1-2-2—小齿，1-2—底板第一侧面，1-3—底板第二侧面，2—第一边墙，3—第二边墙，4—泄洪洞或溢洪道，5—河道中泓线，6—河道边岸，7—挑流鼻坎挑流水舌的入水区域；
α底板过水面的齿状出口段的大齿出口切线与溢洪道或泄洪洞轴线的夹角，γ—溢洪道或泄洪洞轴线与河床中泓线的夹角，β—底板过水面的等弧度段两侧面的圆心角，L1底板过水面的等弧度段和底板过水面的齿状出口段大齿一侧的总弧长，B—底板宽度，θ1—底板过水面的齿状出口段的大齿出口切线与水平面的夹角，R—底板过水面的半径，L2—底板过水面的等弧度段和底板过水面的齿状出口段小齿一侧的总弧长，θ2—底板过水面的齿状出口段的小齿出口切线与水平面的夹角，R2—含大齿外侧面的底板侧面的半径，R1—含小齿外侧面的底板侧面的半径，B1—齿状出口段大齿根部的宽度，B2—齿状出口段小齿根部的宽度。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明所述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎作进一步说明。
实施例1
本实施例所述挑流鼻坎用于狭窄河谷的泄洪洞，泄洪洞轴线与河道中泓线的夹角γ为30°,泄洪洞底板的宽度为9m。
本实施例所述挑流鼻坎用钢筋混凝土制作，其形状和结构如图1、图2所示，由底板1、第一边墙2和第二边墙3构成，底板1包括过水面1-1及与过水面相交的两侧面(第一侧面1-2，第二侧面1-3)，所述底板的过水面1-1为向上凹的圆弧面，该过水面1-1沿水流方向依次由等弧度段1-1-1、齿状出口段1-1-2组成，过水面等弧度段1-1-1的两侧面是轴线相同、圆心角相同、圆弧半径之差为底板宽度的圆柱面，过水面等弧度段1-1-1两侧面的圆弧半径分别为R1、R2，R1＝R2－B，所述B为底板宽度，过水面的齿状出口段为一个大齿1-1-2-1和一个小齿1-1-2-2形成的齿状结构，大齿1-1-2-1位于沿水流转弯方向的外侧，其外侧面的半径与过水面的等弧度段1-1-1相应侧面的半径R2相同，小齿1-2-2位于沿水流转弯方向的内侧，其外侧面的半径与过水面等弧度段1-1-1相应侧面的半径R1相同，所述底板的过水面1-1以相切的方式与泄洪洞4底板的过水面相接，所述第一边墙2与底板第一侧面1-2的形状和尺寸相匹配，所述第二边墙3与底板第二侧面1-3的形状和尺寸相匹配，形成不同尺寸的圆柱面边墙。
根据该具体工程，挑流鼻坎各相关尺寸如下：
底板宽度B＝9m，底板过水面的等弧度段和底板过水面的齿状出口段大齿一侧的总弧长L1＝25.67m，底板过水面的齿状出口段的大齿出口切线与水平面的夹角θ1＝π/12弧度＝15°，底板过水面的半径R＝L1/θ1＝98m，底板过水面的齿状出口段的小齿出口切线与水平面的夹角θ2＝11π/180弧度＝11°，底板过水面的等弧度段和底板过水面的齿状出口段小齿一侧的总弧长L2＝Rθ2＝18.81m；底板过水面的齿状出口段的大齿出口切线与泄洪洞轴线的夹角α＝25°＝π/7.2弧度，底板过水面等弧度段的两侧面的圆心角β＝0.68α＝17°；含大齿外侧面的底板侧面的半径含小齿外侧面的底板侧面的半径R1＝R2－B＝60m-9m＝51m；齿状出口段大齿根部的宽度B1＝0.78B＝7m，小齿根部的宽度为B2＝B－B1＝2m。
模型试验结果：如图3、图4、图5所示，挑出水流流向偏转，避免了水流直接冲向对岸；水流在空中形成窄而厚的翻卷水舌，上下两层水股相互交错碰撞，在竖向扩散成扇形，并沿河道中泓线纵向拉开；水舌沿河床纵向跌落水面，入水面成一条狭长的带状，并处于下游河道中泓线附近；消能率大于75％，消能效果显著，由于入水区域在中泓线附近，水舌跌落引起的下游水面波动较小，形成的冲坑深度不大，对河床及河床两岸的冲刷较轻。
实施例2
本实施例所述挑流鼻坎用于岸坡陡峻的岸边溢洪道，溢洪道轴线与河道中泓线的夹角γ为25°,溢洪道底板的宽度为25m。
本实施例所述挑流鼻坎用钢筋混凝土制作，其形状和结构如图1、图2所示，与实施例1相同。
根据该具体工程，挑流鼻坎各相关尺寸如下：
底板宽度B＝25m，底板过水面的等弧度段和底板过水面的齿状出口段大齿一侧的总弧长L1＝30.54m，底板过水面的齿状出口段的大齿出口切线与水平面的夹角θ1＝π/7.2弧度＝25°，底板过水面的半径R＝L1/θ1＝70m，底板过水面的齿状出口段的小齿出口切线与水平面的夹角θ2＝17π/180弧度＝17°，底板过水面的等弧度段和底板过水面的齿状出口段小齿一侧的总弧长L2＝Rθ2＝20.75m；底板过水面的齿状出口段的大齿出口切线与泄洪洞轴线的夹角α＝22°＝22π/180弧度，底板过水面等弧度段的两侧面的圆心角β＝0.68α＝15°；含大齿外侧面的底板侧面的半径含小齿外侧面的底板侧面的半径R1＝R2－B＝80m-25m＝55m；齿状出口段大齿根部的宽度B1＝0.6B＝15m，小齿根部的宽度为B2＝B－B1＝25－15＝10m。
模型试验结果：如图3、图4、图6所示，挑出水流流向偏转，避免了水流直接冲向对岸；水流在空中形成窄而厚的翻卷水舌，上下两层水股相互交错碰撞，在竖向扩散成扇形，并沿河道中泓线纵向拉开；水舌沿河床纵向跌落水面，入水面成一条狭长的带状，并处于下游河道中泓线附近；消能率大于70％，消能效果显著，由于入水区域在中泓线附近，水舌跌落引起的下游水面波动较小，形成的冲坑深度不大，对河床及河床两岸的冲刷较轻。

Claims (4)

1.用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎，由底板(1)、第一边墙(2)和第二边墙(3)构成，底板(1)包括过水面(1-1)及与过水面相交的两侧面，其特征在于所述底板的过水面(1-1)为向上凹的圆弧面，该过水面(1-1)沿水流方向依次由等弧度段(1-1-1)、齿状出口段(1-1-2)组成，过水面等弧度段(1-1-1)的两侧面是轴线相同、圆心角相同、半径之差为底板宽度的圆柱面，过水面齿状出口段为一个大齿(1-1-2-1)和一个小齿(1-1-2-2)形成的齿状结构，大齿(1-1-2-1)位于沿水流转弯方向的外侧，其外侧面的半径与过水面的等弧度段(1-1-1)相应侧面的半径相同，小齿(1-2-2)位于沿水流转弯方向的内侧，其外侧面的半径与过水面等弧度段(1-1-1)相应侧面的半径相同，所述底板的过水面(1-1)以相切的方式与岸边溢洪道或泄洪洞(4)底板的过水面相接，所述第一边墙(2)和第二边墙(3)分别与底板两侧面的形状和尺寸相匹配，形成不同尺寸的圆柱面边墙。
2.根据权利要求1所述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎，其特征在于底板过水面的齿状出口段的大齿出口切线与溢洪道或泄洪洞轴线的夹角为α，溢洪道或泄洪洞轴线与河床中泓线的夹角为γ，(-5°+γ)≤α≤(5°+γ)。
3.根据权利要求2所述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎，其特征在于底板过水面的等弧度段(1-1-1)和底板过水面的齿状出口段(1-1-2)大齿一侧的总弧长L1与底板宽度B之比为(1.0～3.0)︰1，底板过水面的半径R＝L1/θ1，式中，θ1为底板过水面的齿状出口段(1-1-2)的大齿出口切线与水平面的夹角，单位为弧度，θ1＝π/18弧度～π/7.2弧度＝10°～25°，底板过水面的等弧度段(1-1-1)和底板过水面的齿状出口段(1-1-2)小齿一侧的总弧长L2＝Rθ2，式中，θ2为底板过水面的齿状出口段(1-1-2)的小齿出口切线与水平面的夹角，单位为弧度，θ2＝π/20弧度～π/9弧度＝9°～20°，底板过水面的等弧度段(1-1-1)两侧面的圆心角β＝(0.6-0.75)α，式中，α为底板过水面的齿状出口段的大齿出口切线与溢洪道或泄洪洞轴线的夹角。
4.根据权利要求2或3所述用于岸边溢洪道或泄洪洞出口的挑流鼻坎，其特征在于含大齿外侧面的底板侧面的半径式中，L1为底板过水面的等弧度段和底板过水面的齿状出口段大齿一侧的总弧长，θ1为底板过水面的齿状出口段的大齿出口切线与水平面的夹角，α为底板过水面的齿状出口段的大齿出口切线与溢洪道或泄洪洞轴线的夹角，θ1、α的单位为弧度；含小齿外侧面的底板侧面的半径R1＝R2－B，齿状出口段大齿根部的宽度B1＝(0.6～0.8)B，小齿根部的宽度为B2＝B－B1，各式中，B为底板的宽度。
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