CN106988283B - 基于水流分流对冲的消能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水流分流对冲的消能方法，包括将水流引入到消力池内进行消能的步骤，其特征在于，将进入消力池后向前流动的水流分流成为位于下层的高速水流和位于上层的漫越水流，然后引导下层高速水流向上改变方向后反冲撞击位于上层的漫越水流进行消能。本发明能够巧妙利用水流自身携带能量进行消能，具有实施方便，成本低廉，消能效率高，设备使用寿命长等优点。

Description

基于水流分流对冲的消能方法

技术领域

本发明属于河流水电工程建设领域，具体涉及一种基于水流分流对冲的消能方法。

背景技术

在水利水电工程建设中，溢流坝是一种很常见的坝形，例如闸坝、溢流重力坝等。为满足消能防冲需求，常需在溢流坝后布置消能工，以削减水流因上、下游水位差而产生的巨大动能。

常见的消能工中，由于消力池结构简单，实施方便，消能效果相对较好，故最为常见。消力池是一种水池状的能够促使在泄水建筑物下游产生底流式水跃的消能设施。能使下泄急流迅速变为缓流，一般可将下泄水流的动能消除40%～70%，并可缩短护坦长度，是一种有效而经济的消能设施。

但常见的消力池，一般是依靠水流流入后形成水跃以及和消力池池壁的撞击进行消能。一般技术中对于提高消力池消能效果，均是考虑怎样设置池壁或池底面结构，以引导水流更好地产生和池壁或池底面等固定结构的撞击以消耗更多的水流能量。这些现有方式消能效率较为有限，通常需要设置较长较大的消力池，且对用于供水流撞击消能部位的建筑强度要求高，导致实施成本高，使用寿命短。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够巧妙利用水流自身携带能量进行消能，实施方便，成本低廉，消能效率高的基于水流分流对冲的消能方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：本方案中，以水流流动的方向为前方，反方向为后方进行方位描述。

基于水流分流对冲的消能方法，包括将水流引入到消力池内进行消能的步骤，其特征在于，将进入消力池后向前流动的水流分流成为位于下层的高速水流（此处高速水流是指速度略高于上层漫游水流即可）和位于上层的漫越水流，然后引导下层高速水流向上改变方向后反冲撞击位于上层的漫越水流进行消能。

这样，将水流分流后再引导相互撞击的方式消能，能够更好地利用水流自身的能量进行消能，无需过多依靠外设的消能结构进行撞击消能，提高了消能效率和设备成本。进一步地，在引导下层的高速水流进行反冲时进行造涡，使得反冲水流中形成大量涡旋，提高反冲撞击效果以更好地消能。

作为优化，本方法采用以下的消能装置实现，所述消能装置包括消力池，消力池进水端下凹形成有缓冲消力槽，缓冲消力槽前方的消力池底面高度大于缓冲消力槽底面高度，缓冲消力槽前方的消力池底面向上间隔设置有分流板，分流板后端衔接于缓冲消力槽前端上方，分流板整体呈水平状态且和缓冲消力槽前方的消力池底面之间留有供底层水流经过的间隔，分流板后部形成有用于引导分流板底层水流向上运动并和分流板上层水流撞击汇合的导流结构。

这样，设置的缓冲消力槽用于供进水初步撞击消能并增加向前流入分流板下层水流的速度，分流板设置的位置使得经缓冲消力槽撞击初步消能后，从缓冲消力池前方向上涌出的部分水流能够经过分流板上方形成速度较慢的漫越水流，部分水流从分流板下方经过形成速度较快的底层水流，然后依靠导流结构引导速度较快的底层水流向上撞击漫越水流，依靠水流和水流自身的撞击，且是较快的水流向上反冲撞击上层相对较慢的水流（此处上层水流只是相对于下层水流流速较慢，使得下层水流经过导流结构引导改变方向消耗了部分速度后和上层水流反冲撞击时，两者速度能够大致相等，以提高撞击的消能效果；实际上水流进入缓冲消力槽后,在该消力槽结构影响下，水流会分为下部的动能较大流速较高的水流和位于表面的水跃旋滚状表层水流，而分流板设置的最优位置是用于将下部动能较高的那部分水流分为了上下两层，这样后续才可以更好地进行反冲消能），故可以利用水流自身的剧烈反冲撞击进行消能，极大地提高了消能效率，且降低了对消力池的材料强度要求，延长了消力池使用寿命。

作为优化，分流板和缓冲消力槽上方衔接的一端下部为弧形结构。

这样，可以更好地引导进入分流板下方的水流为相对高速的底层水流，增大分流板下层水流的压力和流速，限制进入分流板上表面的水流为相对低速的漫越水流，提高后续底层水流向上反冲撞击的消能效果。

作为优化，所述导流结构包括设置在分流板上的反冲孔洞，反冲孔洞上方的前侧向上凸起形成有反冲板。

这样，分流板下方的下层水流经过反冲孔洞时从反冲孔洞中向上涌出并靠反冲板引导向前撞击分流板上表面的漫越水流实现消能，具有结构简单，利于实施的特点。

作为优化，所述反冲孔洞和反冲板均横向设置，且反冲板后侧面为上端向后上方弯曲的弧形导流面。

这样，可以更好地引导下层水流向前反冲撞击漫越水流，提高导流效果，进而提高反冲撞击消能效果，且该弧形结构使得反冲板更多地只是起到引导水流的效果，反冲板自身不会过多的承受水流的撞击力，降低对反冲板自身材料结构强度的要求。

作为优化，反冲孔洞下方的消力池底面还设置有造涡桩，造涡桩正对水流的方向向后开口形成有进水室，进水室上端和反冲孔洞正对设置。

这样，造涡桩可以更好地引导底层水流向上经过反冲孔洞向上涌出，同时能够对向上涌出的水流中造出紊流涡旋，进一步提高消能效果。

作为优化，所述造涡桩进水室前侧面的中部后凸形成尖端向上的半锥体形凸起，半锥体形的两侧前凹各自形成一个尖端向下的半锥体空腔，半锥体形凸起和两个半锥体空腔表面圆滑过渡衔接。

这样，该特殊的结构，能够引导水流从两个半锥体空腔形成涡旋后再向上涌出，极大地提高该造涡桩的造涡效果，保证用于冲击漫越水流的下层水流自身带有大量的高速涡旋，使得反冲时提高撞击水流相对瞬时撞击速度，并形成更多的紊流和折流，极大地提高了撞击消能效果。

作为优化，所述造涡桩进水室后侧开口处的两侧为向外扩张倾斜设置，且两侧外端和造涡桩外表面为弧形衔接过渡。

这样，可以更好地引导水流进入到造涡桩进水室内，降低造涡桩自身承受的水流冲击力，提高造涡桩稳定性并降低了对造涡桩材料强度的要求，延长造涡桩使用寿命。

作为优化，所述造涡桩上端和分流板固定设置。

这样，依靠造涡桩实现对分流板的支撑连接，无需额外再设置分流板的支撑结构，同时更好地提高了造涡桩自身的稳定性。

作为优化，所述反冲孔洞沿分流板布置为前后间隔的多排，每排反冲孔洞左右错位设置。

这样，可以最大程度利用水流，更好地提高消能效果。

作为优化，分流板前端和消力池前端池壁之间留有一段距离，且消力池前端池壁为上端向后上方弯曲倾斜的弧形表面。

这样，流出分流板的下层水流还可以进一步依靠消力池前端池壁引导，形成向前的水流和分流板的上层的漫越水流相撞击，进一步提高消能效果。

其中，实施时消力池进水端衔接设置有进水斜坡，缓冲消力槽衔接设置于进水斜坡下端，更好地利于进水。

综上所述，本发明能够巧妙利用水流自身携带能量进行消能，具有实施方便，成本低廉，消能效率高，设备使用寿命长等优点。

附图说明：

图1为本发明具体实施时采用的消能装置的平面布置示意图。

图2为图1沿水流方向在竖直平面上的剖视图。

图3为图1中单独造涡桩的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步的详细说明。本方案中，以水流流动的方向为前方，反方向为后方进行方位描述。

具体实施方式：基于水流分流对冲的消能方法，包括将水流引入到消力池内进行消能的步骤，其特点是，将进入消力池后向前流动的水流分流成为位于下层的高速水流（此处高速水流是指速度略高于上层漫游水流即可）和位于上层的漫越水流，然后引导下层高速水流向上改变方向后反冲撞击位于上层的漫越水流进行消能。

这样，将水流分流后再引导相互撞击的方式消能，能够更好地利用水流自身的能量进行消能，无需过多依靠外设的消能结构进行撞击消能，提高了消能效率和设备成本。进一步地，实施时还可以在引导下层的高速水流进行反冲时进行造涡，使得反冲水流中形成大量涡旋，提高反冲撞击效果以更好地消能。

具体实施时，本方法采用如图1-3所示的消能装置实现，所述消能装置包括消力池，消力池进水端下凹形成有缓冲消力槽1，缓冲消力槽1前方的消力池底面高度大于缓冲消力槽底面高度，缓冲消力槽1前方的消力池底面向上间隔设置有分流板2，分流板2后端衔接于缓冲消力槽前端上方，分流板2整体呈水平状态且和缓冲消力槽前方的消力池底面之间留有供底层水流经过的间隔，分流板2后部形成有用于引导分流板底层水流向上运动并和分流板上层水流撞击汇合的导流结构。

这样，设置的缓冲消力槽用于供进水初步撞击消能并增加向前流入分流板下层水流的速度，分流板设置的位置使得经缓冲消力槽撞击初步消能后，从缓冲消力池前方向上涌出的部分水流能够经过分流板上方形成速度较慢的漫越水流，部分水流从分流板下方经过形成速度较快的底层水流，然后依靠导流结构引导速度较快的底层水流向上撞击漫越水流，依靠水流和水流自身的撞击，且是较快的水流向上反冲撞击上层相对较慢的水流（此处上层水流只是相对于下层水流流速较慢，使得下层水流经过导流结构引导改变方向消耗了部分速度后和上层水流反冲撞击时，两者速度能够大致相等，以提高撞击的消能效果；实际上水流进入缓冲消力槽后,在该消力槽结构影响下，水流会分为下部的动能较大流速较高的水流和位于表面的水跃旋滚状表层水流，而分流板设置的最优位置是用于将下部动能较高的那部分水流分为了上下两层，这样后续才可以更好地进行反冲消能），故可以利用水流自身的剧烈反冲撞击进行消能，极大地提高了消能效率，且降低了对消力池的材料强度要求，提高了消力池使用寿命。

其中，分流板2和缓冲消力槽1上方衔接的一端下部为弧形结构，且进一步地可以是该端端面沿垂直方向的投影落入到缓冲消力槽内。

这样，可以更好地引导进入分流板下方的水流为相对高速的底层水流，增大分流板下层水流的压力和流速，限制进入分流板上表面的水流为相对低速的漫越水流，提高后续底层水流向上反冲撞击的消能效果。

其中，所述导流结构包括设置在分流板上的反冲孔洞3，反冲孔洞3上方的前侧向上凸起形成有反冲板4。

这样，分流板下方的下层水流经过反冲孔洞时从反冲孔洞中向上涌出并靠反冲板引导向前撞击分流板上表面的漫越水流实现消能，具有结构简单，利于实施的特点。

其中，所述反冲孔洞3和反冲板4均横向设置，且反冲板4后侧面为上端向后上方弯曲的弧形导流面。

这样，可以更好地引导下层水流向前反冲撞击漫越水流，提高导流效果，进而提高反冲撞击消能效果，且该弧形结构使得反冲板更多地只是起到引导水流的效果，反冲板自身不会过多的承受水流的撞击力，降低对反冲板自身材料结构强度的要求。

其中，反冲孔洞3下方的消力池底面还设置有造涡桩5，造涡桩5正对水流的方向向后开口形成有进水室，进水室上端和反冲孔洞正对设置。

这样，造涡桩可以更好地引导底层水流向上经过反冲孔洞向上涌出，同时能够对向上涌出的水流中造出紊流涡旋，进一步提高消能效果。

其中，所述造涡桩5进水室前侧面的中部后凸形成尖端向上的半锥体形凸起，半锥体形的两侧前凹各自形成一个尖端向下的半锥体空腔，半锥体形凸起和两个半锥体空腔表面圆滑过渡衔接。

这样，该特殊的结构，能够引导水流从两个半锥体空腔形成涡旋后再向上涌出，极大地提高该造涡桩的造涡效果，保证用于冲击漫越水流的下层水流自身带有大量的高速涡旋，使得反冲时提高撞击水流相对瞬时撞击速度，并形成更多的紊流和折流，极大地提高了撞击消能效果。

其中，所述造涡桩5进水室后侧开口处的两侧为向外扩张倾斜设置，且两侧外端和造涡桩外表面为弧形衔接过渡。

这样，可以更好地引导水流进入到造涡桩进水室内，降低造涡桩自身承受的水流冲击力，提高造涡桩稳定性并降低了对造涡桩材料强度的要求，延长造涡桩使用寿命。

其中，所述造涡桩5上端和分流板固定设置。

这样，依靠造涡桩实现对分流板的支撑连接，无需额外再设置分流板的支撑结构，同时更好地提高了造涡桩自身的稳定性。

其中，所述反冲孔洞3沿分流板2布置为前后间隔的多排，每排反冲孔洞左右错位设置。

这样，可以最大程度利用水流，更好地提高消能效果。

其中，分流板2前端和消力池前端池壁之间留有一段距离，且消力池前端池壁为上端向后上方弯曲倾斜的弧形表面6。

这样，流出分流板的下层水流还可以进一步依靠消力池前端池壁引导，形成向前的水流和分流板的上层的漫越水流相撞击，进一步提高消能效果。

其中，实施时消力池进水端衔接设置有进水斜坡7，缓冲消力槽衔接设置于进水斜坡7下端，更好地利于进水。

故上述的消能装置具有以下特点：（1）底流利用，充分利用消力池水流下层流速快于上层流速的特点，使反冲效果加强。（2）漩涡对冲消能，漩涡通过反冲结构，与上层水流相撞，达到高效消能的目的。（3）一体化设计，只要有直冲水流便可形成对冲效果，不需要另外控制对冲的形成。（4）模块化设计，可对现有的消力池进行升级改造，提高消能效率。

Claims (9)

1.一种基于水流分流对冲的消能方法，包括将水流引入到消力池内进行消能的步骤，其特征在于，将进入消力池后向前流动的水流分流成为位于下层的高速水流和位于上层的漫越水流，然后引导下层高速水流向上改变方向后反冲撞击位于上层的漫越水流进行消能；

本方法采用以下的消能装置实现，所述消能装置包括消力池，消力池进水端下凹形成有缓冲消力槽，缓冲消力槽前方的消力池底面高度大于缓冲消力槽底面高度，缓冲消力槽前方的消力池底面向上间隔设置有分流板，分流板后端衔接于缓冲消力槽前端上方，分流板整体呈水平状态且和缓冲消力槽前方的消力池底面之间留有供底层水流经过的间隔，分流板设置的位置使得经缓冲消力槽撞击初步消能后，从缓冲消力池前方向上涌出的部分水流能够经过分流板上方形成速度较慢的漫越水流，部分水流从分流板下方经过形成速度较快的底层水流；此处上层的漫越水流相对于下层的底层水流流速较慢，使得下层底层水流经过导流结构引导改变方向消耗了部分速度后和上层的漫越水流反冲撞击时，两者速度能够倾向于相等，以提高撞击的消能效果；分流板后部形成有用于引导分流板底层水流向上运动并和分流板上层水流撞击汇合的导流结构；分流板和缓冲消力槽上方衔接的一端下部为弧形结构。

2.如权利要求1所述的基于水流分流对冲的消能方法，其特征在于，所述导流结构包括设置在分流板上的反冲孔洞，反冲孔洞上方的前侧向上凸起形成有反冲板。

3.如权利要求2所述的基于水流分流对冲的消能方法，其特征在于，所述反冲孔洞和反冲板均横向设置，且反冲板后侧面为上端向后上方弯曲的弧形导流面。

4.如权利要求2所述的基于水流分流对冲的消能方法，其特征在于，反冲孔洞下方的消力池底面还设置有造涡桩，造涡桩正对水流的方向向后开口形成有进水室，进水室上端和反冲孔洞正对设置。

5.如权利要求4所述的基于水流分流对冲的消能方法，其特征在于，所述造涡桩进水室前侧面的中部后凸形成尖端向上的半锥体形凸起，半锥体形的两侧前凹各自形成一个尖端向下的半锥体空腔，半锥体形凸起和两个半锥体空腔表面圆滑过渡衔接。

6.如权利要求4所述的基于水流分流对冲的消能方法，其特征在于，所述造涡桩进水室后侧开口处的两侧为向外扩张倾斜设置，且两侧外端和造涡桩外表面为弧形衔接过渡。

7.如权利要求4所述的基于水流分流对冲的消能方法，其特征在于，所述造涡桩上端和分流板固定设置。

8.如权利要求4所述的基于水流分流对冲的消能方法，其特征在于，所述反冲孔洞沿分流板布置为前后间隔的多排，每排反冲孔洞左右错位设置。

9.如权利要求2所述的基于水流分流对冲的消能方法，其特征在于，分流板前端和消力池前端池壁之间留有一段距离，且消力池前端池壁为上端向后上方弯曲倾斜的弧形表面。