CN107938623A - 用于山区沟水处理工程的排水消能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种排水消能系统，尤其是公开了一种用于山区沟水处理工程的排水消能系统，属于水利水电工程建筑物设计建造技术领域。提供一种对不同流量的水流均能形成加速的用于山区沟水处理工程的排水消能系统。所述的排水消能系统包括引水道和竖井，所述的引水道从顶部与所述的竖井连通，在所述的引水道内还设置有流量调整结构，枯水期水流通过所述的流量调整结构调整集中后沿竖井井壁的切向流入该竖井中。
Description
技术领域
本发明涉及一种排水消能系统，尤其是涉及一种用于山区沟水处理工程的排水消能系统，属于水利水电工程建筑物设计建造技术领域。
背景技术
目前在高山峡谷地区的工程越来越多，施工场地极度匮乏，利用支沟作为施工场地或弃渣场，就需要采取沟水处理措施。山区支沟纵坡较大，排水隧洞进出口落差较大，消能成为沟水处理工程需重点解决的难题。受地形地质条件限制，有时采用借鉴水工竖井泄洪消能方案。即在排水隧洞末端设置陡坡引水道，将水流加速后切向进入竖井，再沿竖井壁旋流而达到消能的一种方式。目前前现有的竖井泄洪消能结构是采用水工非常竖井泄洪洞的结构型式，水工泄洪洞进口设置有闸门，当水库水位到达某高程后，才开启闸门泄洪，并通过闸门开度控制下泄流量。从而可控制隧洞末端及引水道进口的流速，进而控制进入竖井涡室的流速及角度。使其能沿竖井壁旋流，取得较好的消能效果。该结构的关键是控制涡室入口处的流速和方向。山区沟水处理工程中的排水隧洞是根据防洪设计标准对应的流量进行断面和坡度设计，而山区支流常年洪水均低于设计洪水流量，且具有季节性差异很大，冬季枯期流量仅为设计流量的几十分之一。因此到隧洞末端时成为涓涓细流，流速较小，通过引水道加速后仍达不到理想的流速，且引水道末端宽度相对此时小流量低流速而言，显得较宽，无法保证水流沿竖井壁旋流。可能进入涡室后呈抛物线下坠至竖井底部，达不到消能目的，并会对竖井底部结构造成冲刷损坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种对不同流量的水流均能形成加速的用于山区沟水处理工程的排水消能系统。
为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于山区沟水处理工程的排水消能系统，包括引水道和竖井，所述的引水道从顶部与所述的竖井连通，在所述的引水道内还设置有流量调整结构，枯水期水流通过所述的流量调整结构调整集中后沿竖井井壁的切向流入该竖井中。
进一步的是，在所述竖井的顶部还设置有旋涡室，经过所述流量调整结构调整集中后的枯水期水流通过所述的旋涡室沿竖井井壁的切向流入该竖井中。
上述方案的优选方式是，所述的流量调整结构为设置在所述引水道的底板上的一组沿水流方向延伸的扭面，经过所述扭面调整集中后的枯水期水流沿竖井井壁的切向流入该竖井中。
进一步的是，所述的排水消能系统还排水隧洞，所述引水道的输入端与所述的排水隧洞连通。
进一步的是，经过所述扭面调整后的过流断面按下述步骤和公式计算获得，
首先根据支沟枯期流量q，计算隧洞末端的流速v，再采用能量公式求解引水道末端流速v2：
v2＝Z1+P1/γ+v1 2/2g＝Z2+P2/+V2 2/2g+hw
其中Z1-----为引水道进口断面的相对高程，单位m
P1-----为引水道进口断面的水压力，单位pa
γ--------为水的容重，取值为9.8kn/m3，
Z2-----为引水道出口断面的相对高程，单位m
P2-----为引水道出口断面的水压力，单位pa
hw------为引水道内沿程水头损失和局部水头损失，单位m；
然后再根据支沟设计流量Q，计算隧洞末端的流速V，拟定引水道出口宽度B和扭面的坡度，引水道纵坡采用加权平均综合纵坡，再根据能量公式求出引水道出口流速，反复试算求出最优流速需要的B和扭面底坡，同理计算q+(Q-q)/4、q+(Q-q)2/4、q+(Q-q)3/4流量分别对应的底坡和宽度B，从而确定出扭面的曲面参数，
其中引水道出口宽度B包括最小流量对应的b+扭面宽度。
本发明的有益效果是：本申请通过在现有的引水道内增设一组流量调整结构，并将枯水期水流通过所述的流量调整结构调整集中后沿所述竖井的井壁切向流入该竖井中。这样通过所述的流量调整结构将现有的流速极小的涓涓细流调整集中，然后再使其沿所述竖井的井壁切向流入该竖井中，这样由于从一个点或一个较小的截面内流出的水流量的大量增加并集中沿所述竖井的井壁切向流入该竖井中，类似于通过了增加瞬间水流量来增加了水流的动能，从而可以使不同流量的水流在流入竖井的位置达到较大动能的目的，进而达到对不同流量的水流均能形成加速的目的。
附图说明
图1为本发明用于山区沟水处理工程的排水消能系统的平面布置图；
图2为本发明用于山区沟水处理工程的排水消能系统的竖向剖视图；
图3为图1、图2的A-A剖视图。
图中标记为：引水道1、竖井2、流量调整结构3、旋涡室4、底板5、排水隧洞6。
具体实施方式
如图1、图2以及图3所示是本发明提供的一种对不同流量的水流均能形成加速的用于山区沟水处理工程的排水消能系统。所述的排水消能系统包括引水道1和竖井2，所述的引水道1从顶部与所述的竖井2连通，在所述的引水道1内还设置有流量调整结构3，枯水期水流通过所述的流量调整结构3调整集中后沿竖井2井壁的切向流入该竖井2中。本申请通过在现有的引水道1内增设一组流量调整结构3，并将枯水期水流通过所述的流量调整结构3调整集中后沿所述竖井2的井壁切向流入该竖井中。这样通过所述的流量调整结构3将现有的流速极小的涓涓细流调整集中，然后再使其沿所述竖井2的井壁切向流入该竖井中，这样由于从一个点或一个较小的截面内流出的水流量的大量增加并集中沿所述竖井2的井壁切向流入该竖井中，类似于通过增加瞬间水流量来增加了水流的动能，从而可以使不同流量的水流在流入竖井的位置达到较大动能的目的，进而达到对不同流量的水流均能形成加速的目的。
上述实施方式，结合本申请所述的排水消能系统主要用于水利水电工程的建筑物中，即多为混凝土或压实的土石方填筑结构的特点，在所述竖井2的顶部还设置有旋涡室4，经过所述流量调整结构3调整集中后的枯水期水流通过所述的旋涡室4沿所述竖井2的井壁切向流入该竖井中。而为了使本申请所述的排水消能系统与上述的结构特点尽量的相适应，所述的流量调整结构3为设置在所述引水道1的底板5上的一组沿水流方向延伸的扭面，经过所述扭面调整集中后的枯水期水流沿所述竖井2的井壁切向流入该竖井中。这样，便可以将现有的在底板平面上分散流动的水流进行有效的集中，以缩小流入旋涡室4的水流的横截面面积，达到集中水流量的目的。当然，此时所述的流量调整结构3也可以设置成自动翻板门的结构，通地增加连续的水流变成断续流动水流，原理也是通过增加瞬间水流量来增加水流的动能。
上述实施方式中，为了最大限度的保证水流经过集中后，能在各种流量的水流条件下均形成旋转水流，本申请还提供了经过扭面调整后的水流断面的计算公式，即经过所述扭面调整后的过流断面按下述步骤和公式计算获得，
首先根据支沟枯期流量q，计算隧洞末端的流速v，再采用能量公式求解引水道末端流速v2，
v2＝Z1+P1/γ+v1 2/2g＝Z2+P2/+V2 2/2g+hw
其中Z1-----为引水道进口断面的相对高程，单位m
P1-----为引水道进口断面的水压力，单位pa
γ--------为水的容重，取值为9.8kn/m3，
Z2-----为引水道出口断面的相对高程，单位m
P2-----为引水道出口断面的水压力，单位pa
hw------为引水道内沿程水头损失和局部水头损失，单位m；
然后再根据支沟设计流量Q，计算隧洞末端的流速V，拟定引水道出口宽度B和扭面的坡度，引水道纵坡采用加权平均综合纵坡，再根据能量公式求出引水道出口流速，反复试算求出最优流速需要的B和扭面底坡，同理计算q+(Q-q)/4、q+(Q-q)2/4、q+(Q-q)3/4流量分别对应的底坡和宽度B，从而确定出扭面的曲面参数，
其中引水道出口宽度B包括最小流量对应的b+扭面宽度。
再者，本申请所述的排水消能系统还排水隧洞6，所述引水道1的输入端与所述的排水隧洞6连通。
综上所述，采用本申请提供的上述技术方案来解决现有的上述技术问题具有以下的好处，引水道采用扭面从而实现根据流量大小自动调节出口流速和入室角度；根据枯期流量和设计流量来计算确定引水道的出口宽度b和底坡以及扭面宽度和曲面参数。从而使在各种流量均能取得相对较好的消能效果。
实施例一
如图1、2以及图3所示，本申请所述的排水消能系统包括引水道1、竖井2、流量调整结构3、旋涡室4、底板5、排水隧洞6。
具体的技术方案为：
根据枯期流量计算确定引水道的底坡和出口宽度b，即减小出口宽度，适当加大底坡坡率，使其达到需要的最优流速。然后再将引水道左侧设置一个扭面，随着流量逐渐增加，隧洞末端的流速逐渐增大，引水道出口水深也逐渐增加，其宽度也逐渐增加，使其流速始终保持在较优流速附近。该引水道扭面能根据流量大小自动调节过流断面的综合底坡和湿周等水力参数，从而到达控制流速的目的。该引水道扭面结构可根据流量大小自动调节引水道出口流速的方向，使其始终沿竖井壁切向进入竖井，从而达到较好的消能效果。
具体的实施步骤为：
①首先根据支沟枯期流量q，计算隧洞末端的流速v，再采用能量公式求解引水道末端流速v2：
Z1+P1/γ+v1 2/2g＝Z2+P2/+V2 2/2g+hw
Z1-----为引水道进口断面的相对高程(m)；
P1-----为引水道进口断面的水压力(pa)；
γ--------为水的容重9.8kn/m3；
Z2-----为引水道出口断面的相对高程(m)；
P2-----为引水道出口断面的水压力(pa)；
hw------为引水道内沿程水头损失和局部水头损失(m)。
②然后再根据支沟设计流量Q，计算隧洞末端的流速V，拟定引水道出口宽度B(包括最小流量对应的b+扭面宽度)和扭面的坡度，引水道纵坡采用加权平均综合纵坡，再根据能量公式求出引水道出口流速，反复试算求出最优流速需要的B和扭面底坡。同理计算q+(Q-q)/4、q+(Q-q)2/4、q+(Q-q)3/4流量分别对应的底坡和宽度B，从而确定出扭面的曲面参数。
Claims (5)
1.一种用于山区沟水处理工程的排水消能系统，包括引水道(1)和竖井(2)，所述的引水道(1)从顶部与所述的竖井(2)连通，其特征在于：在所述的引水道(1)内还设置有流量调整结构(3)，枯水期水流通过所述的流量调整结构(3)调整集中后沿竖井(2)井壁的切向流入该竖井(2)中。
2.根据权利要求1所述的用于山区沟水处理工程的排水消能系统，其特征在于：在所述竖井(2)的顶部还设置有旋涡室(4)，经过所述流量调整结构(3)调整集中后的枯水期水流通过所述的旋涡室(4)沿竖井(2)井壁的切向流入该竖井中。
3.根据权利要求1或2所述的用于山区沟水处理工程的排水消能系统，其特征在于：所述的流量调整结构(3)为设置在所述引水道(1)的底板(5)上的一组沿水流方向延伸的扭面，经过所述扭面调整集中后的枯水期水流沿竖井(2)井壁的切向流入该竖井中。
4.根据权利要求3所述的用于山区沟水处理工程的排水消能系统，其特征在于：所述的排水消能系统还排水隧洞(6)，所述引水道(1)的输入端与所述的排水隧洞(6)连通。
5.根据权利要求4所述的用于山区沟水处理工程的排水消能系统，其特征在于：经过所述扭面调整后的过流断面按下述步骤和公式计算获得，
首先根据支沟枯期流量q，计算隧洞末端的流速v，再采用能量公式求解引水道末端流速v2，
v2＝Z1+P1/γ+v1 2/2g＝Z2+P2/+V2 2/2g+hw
其中Z1-----为引水道进口断面的相对高程，单位m
P1-----为引水道进口断面的水压力，单位pa
γ--------为水的容重，取值为9.8kn/m3，
Z2-----为引水道出口断面的相对高程，单位m
P2-----为引水道出口断面的水压力，单位pa
hw------为引水道内沿程水头损失和局部水头损失，单位m；
然后再根据支沟设计流量Q，计算隧洞末端的流速V，拟定引水道出口宽度B和扭面的坡度，引水道纵坡采用加权平均综合纵坡，再根据能量公式求出引水道出口流速，反复试算求出最优流速需要的B和扭面底坡，同理计算q+(Q-q)/4、q+(Q-q)2/4、q+(Q-q)3/4流量分别对应的底坡和宽度B，从而确定出扭面的曲面参数，
其中引水道出口宽度B包括最小流量对应的b+扭面宽度。
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