CN107022987B - 高坝溢流面射流控制结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高坝溢流面射流控制结构，在坝体上的陡槽段设置溢流面挑坎，陡槽段下端连接连续式挑坎，溢流面挑坎两侧设置弧形挡水墙归束水流，溢流面挑坎侧面设弧形掺气坎，连通坝体溢流面设置的掺气槽，溢流面挑坎包括对准闸孔中间的中间溢流面挑坎和与陡槽段两侧的上边墩对应相接的边缘溢流面挑坎，下泄的水流从所述溢流面挑坎两侧扩散后在空中先交汇碰撞消能，从所述溢流面挑坎挑射的主流经弧形挡水墙归束后再与连续式挑坎挑射出的水流汇合碰撞消能，配合水流的充分掺气，下泄的水流耗散大量能量后再落到下游河床中，下游水流形态良好,消能效果明显。
Description
技术领域
本发明属于水利水电工程中水工建筑物泄洪消能领域，具体涉及一种溢流坝分区挑流耗散消能结构。
背景技术
随着开发河流，利用水力的大趋势，我国建设了许许多多的大型水坝，溢流坝作为重要的组成部分，分布于全国各地的河流上。但是，溢流坝给人们带来许多便利的时候，也存在着众多问题。高溢流坝因为“窄河谷、高水头、大泄量” 泄洪消能问题突出，传统的高坝溢洪道通常采用的是挑流和底流消能，较新型的消能工会采用窄缝消能方式。但由于有些溢洪道坝高近百米，水头差大，下泄水流的单宽流量大，以上的消能方法并不能取得较好的效果。
挑流消能方式是利用溢洪道末端设置的挑坎将下泄的水流自由地抛射到空气中扩散、掺气乃至碰撞，来消散下泄水流的巨大动能，使之与远离坝体的下游缓流相衔接，从而减轻下游河床冲刷。同时也存在一些缺陷：
1.下游河床冲刷较为严重，当冲坑过深时有可能危及水工建筑物的安全；
2.下游产生强烈回流，可造成岸坡严重冲刷；
3.冲坑下游堆积物较多，可能使下游河床变形，堆丘将抬高尾水，影响电站出力；
4.挑流引起雾化，处理不当可影响枢纽特别是电站的正常运行。
采用底流消能则主要考虑经济和技术两方面因素。一方面,底流消能需要要修建造价昂贵的底流消力池,工程投资较大; 另一方面,由于高坝工程工作水头高,致使消力池临底流速很高,难于保证消力池自身安全。
较新型的窄缝消能工通过侧墙收缩将下泄的水流束窄，使得水流纵向及竖向扩散抛射到空气中掺气消能。比传统的挑流消能消能效果要好，通常能比挑流消能方式减轻下游冲刷30%～40%。同样的它也存在着下游回流强烈，可造成岸坡严重冲刷以及雾化对电站产生的不良影响。
发明内容
针对现有技术的水工建筑物泄流消能设计的现状与不足，本发明的目的旨在提供高坝溢流面射流控制结构对过闸水流进行分区挑流，使得水流掺气、碰撞摩擦进行耗散消能从而达到减轻下游河床冲刷，减少冲坑下游堆碴、减小下游两岸回流及雾化对下游电站厂房影响的目的。
本发明提供的高坝溢流面射流控制结构，包括设于坝体上的溢流闸孔，溢流闸孔下方的坝体堰面WES曲线末端设有陡槽段，所述陡槽段的末端设有连续式挑坎，所述陡槽段上设有能够分区挑射水流的溢流面挑坎，所述溢流面挑坎包括边缘溢流面挑坎和相对于两个边缘溢流面设置的中间溢流面挑坎，所述中间溢流面挑坎设于所述陡槽段的中间，所述边缘溢流面挑坎的外侧边缘分别与所述陡槽段两侧的上边墩对应相接，所述溢流面挑坎中设有能够引导水流挑射角度的弧形挑射底面，所述弧形挑射底面两侧设有防止水流向两侧扩散，起到归束水流作用的弧形挡水墙，所述弧形挡水墙的两侧外部设有掺气坎，所述掺气坎与坝体上设置的掺气槽连通，从溢流闸孔下泄的水流经过所述中间溢流面挑坎、边缘溢流面挑坎和连续式挑坎分区挑射，其中10%左右的水流从所述溢流面挑坎两侧扩散在空中先交汇碰撞消能，剩余35%左右的主流经弧形挡水墙归束后从所述溢流面挑坎中间挑射与剩余的由连续式挑坎挑射出的水流汇合碰撞消能。
由于中间溢流面挑坎和边缘溢流面挑坎是分隔不连续设置在陡槽段中的，从溢流闸孔中下泄的水流，一部分从中间溢流面挑坎和边缘溢流面挑坎中挑射出去，另外一部分继续流下经过连续式挑坎的末端挑射；中间溢流面挑坎和边缘溢流面挑坎两侧扩散的水流在空中呈扇形状相互交汇碰撞，而弧形挡水墙可以达到归束水流的目的使得归束后的主流经溢流面挑坎从中间挑出后再与经过连续式挑坎挑射出的水流交汇碰撞消能，能够很好的消除水流中的能量，从而减轻水流对下游河床及岸坡的冲刷。
另外，溢流面挑坎中设置的弧形掺气坎与坝面的掺气槽的连通，再加上溢流面挑坎的中空设计使得挑出的水流能够在空中全面掺气消能，经过中间溢流面挑坎、边缘溢流面挑坎和连续式挑坎挑射的多股水流以多维立体交会方式在空中相互交汇碰撞摩擦，配合水流的充分掺气，下泄的水流耗散大量能量后再落到下游河床中，下游水流形态良好,消能效果明显。
较优的，所述溢流面挑坎的弧形挑射底面的出射终端处的切面与水平面的夹角为30°。
较优的，所述溢流面挑坎设置于所述陡槽段的起始段。
较优的，所述弧形挡水墙的墙体从起始点到末端逐渐升高，所述弧形挡水墙的末段出口朝向所述坝体中部上方。
较优的，所述溢流面挑坎的底面设有延伸至所述陡槽段表面的两个平行承重墙，所述溢流面挑坎底面和两个所述承重墙之间形成架空结构，所述架空结构中设有与所述掺气槽相连的掺气通道；架空结构的溢流面挑坎能够节省工程量，节约成本，又方便与坝体上的掺气槽相连通，达到更好的掺气效果。
较优的，所述中间溢流面挑坎最少为一个。
所述溢流面挑坎下方的所述连续式挑坎两侧的下边墩分别与所述边缘溢流面挑坎的内侧边缘相连；由于两侧的边缘溢流面挑坎直接将水流挑向下游，所以溢流面挑坎下方的连续式挑坎就能够收缩减少宽度，这样也能够大大地减少工程量，节约成本。
本发明远不同于现有技术，相较于现有技术，本发明具有如下优点：
1.消能充分，河床冲刷轻微，下游水流形态稳定，有利于堤岸和生态环境的保护；
2.河床冲刷堆碴形态良好，有利于电站厂房的运行安全；
3.泄洪主要雾化区上移靠近坝后，减轻泄洪雾化对电站厂房的运行影响；
4.消能工程结构相对简单，工程量小，投资少。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。其中：
图1为本发明高坝溢流面射流控制结构的俯视示意图；
图2为本发明高坝溢流面射流控制结构的侧视示意图；
图3为本发明溢流挑坎部分的剖视示意图；
图4为本发明溢流挑坎部分的截面示意图；
图中：1、溢流闸孔；2、陡槽段； 21、上边墩；22、下边墩；3、溢流面挑坎；31、中间溢流面挑坎；32、边缘溢流面挑坎；301、弧形挑射底面；302、弧形挡水墙；303、掺气坎；304、承重墙；305、架空结构；4、掺气槽；5、连续式挑坎；6、溢流面挑坎挑射的水流；7、连续式挑坎挑射的水流；8、交汇碰撞后的水流。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明进行进一步的具体描述。必要在此指出的是，实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整进行实施，但这样的实施应仍属于本发明的保护范围。
实施例1
请参阅图1至图4所示，本发明高坝溢流面射流控制结构包括设于坝体上的溢流闸孔1，溢流闸孔1下方的坝体堰面WES曲线末端衔接陡槽段2，所述陡槽段2的末端设有连续式挑坎5，所述陡槽段2中设有能够分区挑射水流的溢流面挑坎3，所述溢流面挑坎3包括中间溢流面挑坎31和边缘溢流面挑坎32，所述中间溢流面挑坎31设于所述陡槽段2的中央，所述边缘溢流面挑坎32的外侧边缘分别与所述陡槽段2两侧的上边墩21对应相接，所述溢流面挑坎3中设有能够引导水流挑射角度的弧形挑射底面301，所述弧形挑射底面301两侧设有能够归束水流的弧形挡水墙302，所述弧形挡水墙302的两侧外部设有掺气坎303，所述掺气坎303与坝体上设置的掺气槽4连通，从溢流闸孔1下泄的水流经过所述中间溢流面挑坎31、边缘溢流面挑坎32和连续式挑坎5分区挑射，从所述中间溢流面挑坎31和边缘溢流面挑坎32挑射出的水流经弧形挡水墙302归束后在空中先交汇碰撞，交汇碰撞后的水流再与连续式挑坎5挑射出的水流汇合碰撞消能。
由于中间溢流面挑坎31和边缘溢流面挑坎32是分隔不连续设置在陡槽段2中的，中间溢流面挑坎31的数量最少为一个，水从溢流闸孔1中流下后，10%左右的水流从溢流面挑坎3两侧挑射出去并在空中碰撞消能，占总量35%左右的主流从所述溢流面挑坎3中间挑射经弧形挡水墙302归束后再与连续式挑坎5挑射出的剩余水流汇合碰撞消能；而弧形挡水墙302末段出口朝向所述坝体中间上方，可以达到归束两侧扩散水流的目的。从中间溢流面挑坎31和边缘溢流面挑坎32挑射出的水流在空中呈扇形状相互交汇碰撞，交汇碰撞后溢流面挑坎挑射的水流6再与连续式挑坎5挑射的水流7交汇碰撞形成消能后的交汇碰撞后的水流8，能够很好的消除水流中的能量，从而减轻水流对下游河床及岸坡的冲刷。
另外，溢流面挑坎3中设置的弧形掺气坎303与坝面的掺气槽4的连通，再衔接边缘溢流面挑坎中空的通道与外界连通，使得挑出的水流能够全面掺气消能，经过中间溢流面挑坎31、边缘溢流面挑坎32和连续式挑坎5挑射的多股水流以多维立体交会方式在空中相互交汇碰撞摩擦，配合水流的充分掺气，下泄的水流耗散大量能量后再落到下游河床中，下游水流形态良好,消能效果明显。
所述溢流面挑坎3的弧形挑射底面301的出射终端处的切面与水平面的夹角为30°。
所述溢流面挑坎3设置于所述陡槽段2的起始段。
所述弧形挡水墙302的墙体从起始点到末端逐渐升高，所述弧形挡水墙302的末段出口朝向所述坝体中间上方。
所述溢流面挑坎3的底面设有延伸至所述陡槽段2表面的两个平行承重墙304，所述溢流面挑坎3底面和两个所述承重墙304之间形成架空结构305，所述架空结构305中设有与所述掺气槽4相连的掺气通道。
所述溢流面挑坎3下方的所述连续式挑坎5两侧的下边墩22分别与所述边缘溢流面挑坎32的内侧边缘相连；由于两侧的边缘溢流面挑坎32已经将水流直接挑向下游，所以溢流面挑坎3下方的连续式挑坎5就能够收缩减少宽度，这样也能够大大地减少工程量，节约成本。
本实施例1依托于福建某水库枢纽工程进行实施，该水库最大坝高90.5m，最大下泄单宽流量为158.81m3/s.m，溢流面挑坎3中的中间溢流面挑坎31和边缘溢流面挑坎32宽度设置为6.5m，弧形挡水墙302的弧形半径为12m，溢流面挑坎3的挑角设为30°，经过试验测算，本专利比传统挑流消能方式减轻下游冲刷60%，比较新型的窄缝消能方式减轻冲刷约40%。
Claims (5)
1.高坝溢流面射流控制结构，包括设于坝体上的溢流闸孔，溢流闸孔下方的坝体堰面WES曲线末端设有陡槽段,所述陡槽段的末端设有连续式挑坎，其特征在于，所述陡槽段上设有能够分隔挑射水流的溢流面挑坎，所述溢流面挑坎包括中间溢流面挑坎和两个边缘溢流面挑坎，所述中间溢流面挑坎设于所述陡槽段的中部，所述边缘溢流面挑坎的外侧边缘分别与所述陡槽段两侧的上边墩对应相接，所述溢流面挑坎中设有能够引导水流挑射角度的弧形挑射底面，所述弧形挑射底面两侧设有防止水流向两侧扩散，起到归束水流作用的弧形挡水墙，所述弧形挡水墙的墙体从起始点到末端逐渐升高，所述弧形挡水墙的末段出口朝向所述坝体中间上方，所述弧形挡水墙的两侧外部设有掺气坎，所述掺气坎与坝体上设置的掺气槽连通，从溢流闸孔下泄的水流从所述溢流面挑坎两侧扩散后在空中先交汇碰撞消能，从所述溢流面挑坎中间挑射的主流经弧形挡水墙归束后再与连续式挑坎挑射出的水流汇合碰撞消能，所述溢流面挑坎的底面设有延伸至所述陡槽段表面的两个平行承重墙，所述溢流面挑坎底面和两个所述承重墙之间形成架空结构，所述架空结构中设有与所述掺气槽相连的掺气通道。
2.根据权利要求1所述的高坝溢流面射流控制结构，其特征在于：所述溢流面挑坎的弧形挑射底面的出射终端的切面与水平面的夹角为30°。
3.根据权利要求1所述的高坝溢流面射流控制结构，其特征在于：所述溢流面挑坎设置于所述陡槽段的起始段。
4.根据权利要求1所述的高坝溢流面射流控制结构，其特征在于：所述溢流面挑坎下方的所述连续式挑坎两侧的下边墩分别与所述边缘溢流面挑坎的内侧边缘相连。
5.根据权利要求1所述的高坝溢流面射流控制结构，其特征在于：所述中间溢流面挑坎最少为一个。
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