CN107503330A - 洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统 - Google Patents

Abstract

一种洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，从上游至下游依次为与上游隧洞段衔接的射流孔段、设置在射流孔段出口处的跌坎、与跌坎衔接的低压消力池和衔接低压消力池尾部与下游隧洞段的尾坎，在射流孔段出口处、跌坎之上设置有与射流孔出口匹配的闸门，射流孔段设置有至少一个射流孔，所述射流孔沿水流方向由收缩式渐变段和压坡段衔接而成，所述低压消力池的高度d＝(1.3‑1.5)X，式中，X为上游隧洞的高度。使用上述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，可在保证消能效果且避免空化空蚀、底板冲刷的同时，减少工程开挖量，提高工程安全性和经济性。

Description

洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统

技术领域

本发明属于水利水电工程中的消能技术领域，涉及一种适用于水工隧洞内消能的消力池消能系统。

背景技术

水利水电电站建设中，为保证水利工程在运行中的安全，需要采用一系列泄洪措施，而隧洞为传统的常用的泄水建筑物之一。为保证隧洞在过流时的安全，通常需要保证洞内的压力、流速等水力学指标在安全范围内，这就需要采用洞内消能工。现有的无压隧洞洞内消能工主要有孔板消能工、旋流式消能工、锥阀消能工和隧洞洞内无压消力池消能工，所述隧洞洞内无压消力池的结构与常规底流消力池类似，即洞内消力池为无压条件下的底流消能，消力池的高度d＝(1.75-1.90)X(X为上游隧洞的高度)，这需要开挖较大的消力池高程(洞顶高程)，防止池内出现明满流交替的情况以满足无压要求，并通过降低护坦高度或者在消力池末端设置消力坎加大尾水深度，在消力池内形成水跃以达到消能的目的，因此工程开挖量大，经济性差，而且随着消力池开挖高度的增加工程难度也会增大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，以便在保证消能效果且避免空化空蚀、底板冲刷的同时，减少工程开挖量，提高工程安全性和经济性。

本发明所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，整体作为隧洞组成的一段设置在上下游隧洞段之间，结构从上游至下游依次为与上游隧洞段衔接的射流孔段、设置在射流孔段出口处的跌坎、与跌坎衔接的低压消力池和衔接低压消力池尾部与下游隧洞段的尾坎，在射流孔段出口处、跌坎之上设置有与射流孔出口匹配的闸门，射流孔段设置有至少一个射流孔，所述射流孔沿水流方向由收缩式渐变段和压坡段衔接而成，所述低压消力池的高度d＝(1.3-1.5)X，式中，X为上游隧洞的高度。

上述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，所述射流孔段的射流孔优选并列设置2个。

上述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，所述射流孔收缩式渐变段的横截面由与上游隧洞相同的形状渐变为矩形，收缩式渐变段和压坡段的底板均与上游隧洞过流底板位于同一高程，收缩式渐变段顶壁为沿水流方向向射流孔段出口渐收的圆弧面，压坡段的顶壁为沿水流方向向底板倾斜压低的坡面。

上述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，所述射流孔段的出口尺寸为高h×宽l，优选式中，d为低压消力池的高度，N为射流孔的个数，所述跌坎的高度n＝(1.2～1.5)h，以防止射流冲击消力池过流底板造成破坏。

上述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，所述尾坎的高度k＝(0.6～0.75)d，式中，d为低压消力池的高度，以保证消力池淹没度，防止射流失稳。

上述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，其消力池顶壁需采用钢板(钢板厚度6～10mm)或钢筋混凝土衬砌(采用配有Ι级钢筋的钢筋混凝土衬砌时，混凝土强度等级不能低于C20；采用配有Ⅱ、Ⅲ级钢筋的钢筋混凝土时，混凝土强度等级不宜低于C30)，以便在明满流交替的工况下受低压水流冲击时保证隧洞的安全。

上述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，所述尾坎为WES堰，以保证消力池与后部水流流态衔接。

上述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，所述闸门为弧形闸门。弧形闸门的安装应保证闸门支座应免在最大开度时受到水流冲击。

本发明所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统运行时，来自上游隧洞的水流从射流孔压坡段以射流形式出射，经过跌坎突跌后水流被挑向下游，同时由于消力池侧墙突扩水流横向扩散，在消力池底板和侧墙形成稳定的掺气空腔，当水流进入消力池时，由于水流与底板和边墙均保持了一定的垂直和水平距离，可以利用射流轴线周围所形成的强剪切紊动和悬滚来达到消能的目的；突扩后水流在消力池内会出现立轴漩涡，可以避免水流进入消力池后直接冲击边墙，以降低临边墙的水力学指标。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、本发明所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，由于通过将射流孔、跌坎、低压消力池联合运用，因而使来自上游隧洞的水流出射流孔口后发生突跌突扩，不仅能实现水流掺气，降低消力池空蚀空化的可能，而且可避免射流对消力池底部的直接冲击造成消力池的破坏；在水流进入消力池时由于水流与底板和边墙均保持了一定的垂直和水平距离，可以利用射流轴线周围所形成的强剪切紊动和悬滚来达到消能的目的，突扩后水流在消力池内会出现立轴漩涡，避免水流进入消力池后直接冲击边墙，有效降低临边墙的水力学指标，保证消力池安全运行。

2、由于低压消力池的高度d＝(1.3-1.5)X，与无压消力池的高度相比，降低幅度较大，因而本发明所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统在保证消能效果且避免空化空蚀、底板冲刷的同时，减少工程开挖量，提高工程安全性和经济性。

3、由于本发明所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统的射流孔段可设置多个射流孔，因而在保证结构稳定的前提下可增大射流断面面积，降低射流流速，减小消力池的消能压力，降低消力池冲刷破坏可能。

附图说明

图1为本发明所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统的第一种结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为图1的B-B剖视图。

图4为图1的C-C剖视图。

图5为图1的D-D剖视图。

图6为本发明所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统的第二种结构示意图。

图7为图6的A-A剖视图。

图8为图6的B-B剖视图。

图9为图6的C-C剖视图。

图10为图6的D-D剖视图。

图中，1—上游隧洞段，2—渐变段，3—压坡段，4—闸门，5—低压消力池，6—尾坎，7—下游隧洞段，8—跌坎，X—上下游隧洞高度，Y—上下游隧洞宽度，a—消力池宽度，b—消力池长度，l—射流孔口宽度，h—射流孔口高度，n—跌坎的高度，d—低压消力池高度，Δd—低压消力池顶部与上下游隧洞洞顶的高程差，a—低压消力池宽度，b—低压消力池长度，k—尾坎高度。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统作进一步说明。

实施例1和对比例1的工程概况如下：

过流隧洞为城门洞形，隧洞高X＝16m，宽Y＝16m，泄洪流量1200m³/s。

针对上述工程，采用实施例1和对比例1两种消能系统进行水工模型试验。

实施例1

本实施例中的洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统为单射流孔结构形式，结构如图1-5所示，从上游至下游依次为与上游隧洞段1衔接的射流孔段、设置在射流孔段出口处的跌坎8、与跌坎衔接的低压消力池5和衔接低压消力池尾部与下游隧洞段7的尾坎6，在射流孔段出口处、跌坎之上设置有与射流孔出口匹配的弧形闸门4；所述射流孔沿水流方向由收缩式渐变段2和压坡段3衔接而成，收缩式渐变段2的横截面由城门洞形渐变为矩形，收缩式渐变段2和压坡段3的底板均与上游隧洞过流底板位于同一高程，收缩式渐变段顶壁为沿水流方向向射流孔段出口渐收的圆弧面，两侧壁与其底板垂直，压坡段的顶壁为沿水流方向向底板倾斜压低的坡面，两侧壁与其底板垂直；所述低压消力池5的顶部采用8mm厚的钢板衬砌，所述尾坎6为WES堰。

各部分结构的尺寸如下：低压消力池宽度a＝16m、长度b＝80m、高度d＝1.5X＝24m，低压消力池顶部与上下游隧洞洞顶的高程差Δd＝2m(消力池洞顶较隧洞段洞顶上挖2m)，射流孔孔口尺寸为高h×宽l，其中，跌坎高度n＝1.2h＝6m，尾坎高度k＝0.75d＝18m。

试验结果：水流通过上游隧洞段1进入射流孔段，通过射流孔的收缩式渐变段2和压坡段3以淹没射流的形式进入低压消力池5中，经水跃消能，通过尾坎6(WES堰)平稳流入下游隧洞7。经测量，上游隧洞1内水流流速为25m/s，射流孔出口流速为40m/s，下游隧洞距消力池尾坎20m断面处流速为29m/s，底板最大流速10.3m/s(小于最大限制流速15m/s)，消力池尾部水流流速为10.6m/s。

本实施例中，低压消力池开挖量为3.0万m³石料。

对比例1

本对比例在在过流隧洞中设置常规无压消力池消能，常规无压消力池系统中射流孔均为单孔。与实施例1的结构不同之处在于，无压消力池的高度d＝28m，比实施例1中低压消力池的高度增加了4m。

实验结果：上游隧洞内与实施例1相同断面处水流流速为25m/s，射流孔出口流速为40m/s，下游隧洞距消力池尾坎20m断面处流速为32m/s，底板最大流速10.7m/s(小于最大限制流速15m/s)，消力池尾部水流流速为11.3m/s，水流平稳进入下游隧洞。

本对比例中，无压消力池开挖量为3.6万m³石料。

从实施例1与对比例1的对比可知，通过实施例1中单孔洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统进行消能，在保证消能效果和工程运行安全的同时，降低了消力池洞顶高程，减小了消力池的开挖量，减小了工程难度，降低了工程成本。同时，消力池未发生空化空蚀，底板冲刷现象。

实施例2和对比例2的工程概况如下：

过流隧洞为城门洞形，隧洞高X＝19m，宽Y＝17m，泄洪流量1800m³/s。

针对上述工程，采用实施例2和对比例2两种消能系统进行水工模型试验。

实施例2

本实施例所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统为双射流孔形式，结构如图6-10所示，两射流孔并列设置，间距为5m，两射流孔形状和尺寸均相同，低压消力池5顶部采用钢筋混凝土衬砌，钢筋为Ι级钢筋，混凝土强度级别为C30。其余结构同实施例1。

各部分结构的尺寸如下：低压消力池宽度a＝17m、长度b＝100m、高度d＝1.32X＝25m，低压消力池顶部与上下游隧洞洞顶的高程差Δd＝0，两射流孔孔口尺寸为高h×宽l，其中， h＝l＝4m，跌坎高度n＝1.5h＝6m，尾坎高度k＝0.6d＝15m。

实验结果：水流通过上游隧洞段1进入射流孔段，通过两射流孔的收缩式渐变段2和压坡段3以淹没射流的形式进入低压消力池5中，经水跃消能，通过尾坎6(WES堰)平稳流入下游隧洞7。经测量，上游隧洞1内水流流速为32m/s，射流孔出口流速为30m/s，下游隧洞距消力池尾坎20m断面处流速为43m/s，底板最大流速11.7m/s(小于最大限制流速15m/s)，消力池尾部水流流速为10.8m/s。

实施例中，低压消力池开挖量为5.1万m³石料。

对比例2：

本对比例在在过流隧洞中设置常规无压消力池消能。与实施例2的结构不同之处在于：无压消力池的高度d＝36m，无压消力池顶部与上下游隧洞洞顶的高程差Δd＝9.5m(消力池洞顶高程高出上下游隧洞段)；射流孔为1个，孔口尺寸为高h×宽l，其中h＝5m，l＝6m；跌坎高度n＝7.5m，无压消力池尾坎高度k＝22m。

实验结果：上游隧洞内与实施例2相同断面处水流流速为34m/s，射流孔出口流速为32m/s，下游隧洞距消力池尾坎20m断面处流速为45m/s，底板最大流速12.3m/s(小于最大限制流速15m/s)，消力池尾部水流流速为11.7m/s，水流平稳进入下游隧洞。

本对比例中，无压消力池开挖量为6.2万m³石料。

从实施例2与对比例2的对比可知，通过使用实施例2所述双孔洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统进行消能，在保证消能效果和工程运行安全的同时，大幅度降低了消力池洞顶高程，减小了消力池的开挖量，减小了工程难度，降低了工程成本。同时，消力池未发生空化空蚀，对底板的冲刷力更小(因为增大了射流孔断面面积，减小了射流流速)。

Claims (10)

1.一种洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，其特征在于从上游至下游依次为与上游隧洞段(1)衔接的射流孔段、设置在射流孔段出口处的跌坎(8)、与跌坎衔接的低压消力池(5)和衔接低压消力池尾部与下游隧洞段(7)的尾坎(6)，在射流孔段出口处、跌坎之上设置有与射流孔出口匹配的闸门(4)，射流孔段设置有至少一个射流孔，所述射流孔沿水流方向由收缩式渐变段(2)和压坡段(3)衔接而成，所述低压消力池的高度d＝(1.3-1.5)X，式中，X为上游隧洞的高度。

2.根据权利要求1所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，其特征在于所述射流孔段的射流孔并列设置2个。

3.根据权利要求1或2所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，其特征在于所述收缩式渐变段(2)的横截面由与上游隧洞相同的形状渐变为矩形，收缩式渐变段(2)和压坡段(3)的底板均与上游隧洞过流底板位于同一高程，收缩式渐变段顶壁为沿水流方向向射流孔段出口渐收的圆弧面，压坡段的顶壁为沿水流方向向底板倾斜压低的坡面。

4.根据权利要求1或2所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，其特征在于所述射流孔段的出口尺寸为高h×宽l，式中，式中，d为低压消力池的高度，N为射流孔的个数，所述跌坎的高度n＝(1.2～1.5)h。

5.根据权利要求3所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，其特征在于所述射流孔段的出口尺寸为高h×宽l，式中，式中，d为低压消力池的高度，N为射流孔的个数，所述跌坎的高度n＝(1.2～1.5)h。

6.根据权利要求1或2所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，其特征在于所述尾坎(6)的高度k＝(0.6～0.75)d，式中，d为低压消力池的高度。

7.根据权利要求3所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，其特征在于所述尾坎(6)的高度k＝(0.6～0.75)d，式中，d为低压消力池的高度。

8.根据权利要求4所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，其特征在于所述尾坎(6)的高度k＝(0.6～0.75)d，式中，d为低压消力池的高度。

9.根据权利要求1或2所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，其特征在于所述低压消力池(5)顶壁采用钢板或钢筋混凝土衬砌。

10.根据权利要求1或2所述洞内弱有压突跌突扩式射流消力池消能系统，其特征在于所述闸门(4)为弧形闸门。