CN107964928A - 一种利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构，是在消力墩上设置通水孔，所述通水孔一端为设置在消力墩迎水面上的进水孔口，及另一端为设置在消力墩顶面上的出水孔口，消力墩迎水面上的水流压力通过通水孔转移至消力墩顶面，从而减免水流对消力墩的空蚀破坏。本发明解决了现有消力墩无法很好应用于水流跃前流速≥15m/s环境下的问题；本发明可适用于消力墩处于水流跃前流速为15‑35m/s消力池中，并能减免水流对消力墩的空蚀破坏，从而扩大消力墩的应用范围。

Description

一种利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构
技术领域
本发明属于水利水电工程中泄洪消能及减蚀设施领域，特别涉及一种利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构。
背景技术
水利水电工程中，消力墩是设置在消力池中的冲击式消能工，其主要作用是稳定水跃，降低水面表面波动，增加水流的紊动，从而提高消能效率，并能降低消力池开挖的深度和长度。消力墩的高度一般取下游水深的0.15-0.25倍，并不大于0.5-1.5m，墩净距约为墩高的0.5-0.75倍，若设置两排消力墩，前后排间距应大于墩高，消力墩的位置一般设置在消力池1/2-1/3的池长处。
常用的消力墩结构有垂直消力墩、梯形消力墩、顶角120°消力墩及T型消力墩等。20世纪80年代以来，我国湖南省和吉林省相继在水酿塘、三江口、河溪电站、以及沙河子、五道水库、青海的雪龙滩水库等工程上采用了T型墩消能塘，取得了显著的消能效果：与传统底流消能方式相比，可缩短塘长55％～80％,减少建设工程量50％～70％，塘深亦可减小10％～30％。
但是，当消力池中水流跃前流速大于15m/s时，由于流经消力墩的水流流速过快，在消力墩顶面会产生局部负压从而出现空蚀破坏，故在有关水利规范中通常不建议在跃前流速大于15m/s的消力池水跃前部中使用消力墩。
发明内容
本发明的目的是为了克服背景技术中所述的问题，提供一种利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构，本发明所述消力墩结构能在水流跃前流速为15-35m/s的消力池中减免水流对消力墩的空蚀现象破坏，从而扩大消力墩的应用范围。
本发明所述一种利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构，是在消力墩上设置通水孔，所述通水孔一端为设置在消力墩迎水面上的进水孔口，及另一端为设置在消力墩顶面上的出水孔口，消力墩迎水面上的水流压力通过通水孔转移至消力墩顶面，从而减免水流对消力墩的空蚀破坏。
优选地，所述通水孔具有一个进水孔口，且该进水孔口对应一个出水孔口，所述进水孔口中心距消力墩底部0.15-0.25倍墩高，所述出水孔口中心距消力墩迎水面0.2-0.35倍消力墩顶面长度，且不小于2倍出水孔口直径，所述出水孔口、进水孔口直径为0.1-0.2倍墩宽。
进一步地，当所述消力墩处于水流跃前流速≤15m/s环境中时，进水孔口中心距消力墩底部0.23-0.25倍墩高；当所述消力墩处于水流跃前流速15-20m/s环境中时，进水孔口中心距消力墩底部0.21-0.23倍墩高；当所述消力墩处于水流跃前流速20-25m/s环境中时，进水孔口中心距消力墩底部0.18-0.20倍墩高；当所述消力墩处于水流跃前流速≥25m/s环境中时，进水孔口中心距消力墩底部0.15-0.18倍墩高。
进一步地，当所述消力墩处于水流跃前流速≤18m/s环境中时，单个消力墩上设置1-2个所述通水孔；当所述消力墩处于水流跃前流速18-25m/s环境中时，单个消力墩上设置2-3个所述通水孔；当所述消力墩处于水流跃前流速≥25m/s环境中时，单个消力墩上设置3-5个所述通水孔。
进一步地，所述通水孔为多个设置时，平行于消力墩中轴线设置，相邻通水孔中心间距为墩宽的0.1-0.4倍。
进一步地，所述通水孔为多个设置时，通水孔设置在同一水平面上。
进一步地，当所述消力墩为多排设置时，下游消力墩上所设置的通水孔数量不大于上游消力墩上所设置的通水孔数量。
通常地，当水流跃前流速≥35m/s时，一般不会采用消力墩作为消能工，所以本发明所述通水孔设置数量为1-5个即可完全满足本发明目的；且通水孔为多个设置时，通水孔在同一水平面上设置或交错设置对于减免水流对消力墩的空蚀破坏效果差别较小，出于降低工艺要求，优选将多个通水孔设置在同一水平面上。
优选地，所述通水孔为J型结构，由进水孔口、弯曲段、出水孔道、出水孔口构成，所述出水孔道为直孔段，所述弯曲段连接进水孔口与出水孔道，弯曲段的弯曲半径与出水孔口中心距消力墩迎水面的距离相等。
本发明所述消力墩结构还可以优选为另一种结构，所述通水孔具有一个进水孔口，且该进水孔口对应多个出水孔口，所述进水孔口中心距消力墩底部0.15-0.25倍墩高，所述出水孔口中心距消力墩迎水面0.15-0.35倍消力墩顶面长度，且不小于2倍出水孔口直径，所述出水孔口、进水孔口直径为0.1-0.2倍墩宽。
进一步地，当所述消力墩处于水流跃前流速≤15m/s环境中时，进水孔口中心距消力墩底部0.23-0.25倍墩高；当所述消力墩处于水流跃前流速15-20m/s环境中时，进水孔口中心距消力墩底部0.21-0.23倍墩高；当所述消力墩处于水流跃前流速20-25m/s环境中时，进水孔口中心距消力墩底部0.18-0.20倍墩高；当所述消力墩处于水流跃前流速≥25m/s环境中时，进水孔口中心距消力墩底部0.15-0.18倍墩高。
进一步地，当所述消力墩处于水流跃前流速≤18m/s环境中时，单个消力墩上设置1-2个所述通水孔；当所述消力墩处于水流跃前流速18-25m/s环境中时，单个消力墩上设置2-3个所述通水孔；当所述消力墩处于水流跃前流速≥25m/s环境中时，单个消力墩上设置3-5个所述通水孔。
进一步地，所述通水孔为多个设置时，所述通水孔平行于消力墩中轴线设置，相邻通水孔中心间距为墩宽的0.1-0.4倍。
进一步地，所述通水孔为多个设置时，通水孔设置在同一水平面上。
进一步地，当所述消力墩为多排设置时，下游消力墩上所设置的通水孔数量不大于上游消力墩上所设置的通水孔数量。
通常地，当水流跃前流速≥35m/s时，一般不会采用消力墩作为消能工，所以本发明所述通水孔设置数量为1-5个即可完全满足本发明目的；且通水孔为多个设置时，通水孔在同一水平面上设置或交错设置对于减免水流对消力墩的空蚀破坏效果差别较小，出于降低工艺要求，优选将多个通水孔设置在同一水平面上。
优选地，所述通水孔的进水孔口对应两个出水孔口，两个出水孔口间距与出水孔口直径相等；所述通水孔由进水孔口、弯曲段、出水孔道、出水孔口构成，所述出水孔道是由主出水孔道和分支出水孔道构成，主出水孔道为直孔段，分支出水孔道与主出水孔道侧面连通，且与靠近迎水面的出水孔口连通，所述弯曲段连接进水孔口与主出水孔道，弯曲段的弯曲半径与出水孔口中心距消力墩迎水面的距离相等。
通常地，本发明所述消力墩，是具有垂直于池底地面的矩形迎水面，以及具有平行于池底地面的消力墩顶面的现有消力墩结构，如垂直消力墩、梯形消力墩、顶角120°消力墩及T型消力墩，通常可以认为，当消力墩造型满足上述条件时，都适用于本发明。
本发明的原理如下：当消力墩处于水流跃前流速较大(≥15m/s)的环境时，现有消力墩结构顶面靠近迎水面处压力会减小，出现低压或负压，进而产生空蚀现象，对消力墩结构特别是顶面靠近迎水面一端产生空蚀破坏。通过在消力墩上设置本发明所述通水孔，通水孔两端孔口会产生压力差，水流在该压力差作用下会从迎水面上设置的进水孔口流入到顶面上设置的出水孔口，从而调整墩体顶面的压力分布，使墩顶压力增大，水流空化数增大，从而减免墩体空蚀破坏；与此同时，通过对通水孔的形状、大小等结构上的严格限定，对消力墩自身的结构稳定性基本不造成影响，使消力墩在高流速下仍能够继续工作，增加消能效率，扩大消力墩的使用范围。而当水流跃前流速大于25m/s时，除了增加所述通水孔的数量外，也可选择将每个进水孔口对应两个或两个以上的出水孔口，即在原有的出水孔道上设置分支孔道对应多个出水孔口，用以更加均匀的增加墩体顶面的压力。
本发明具有如下有益技术效果：
1、本发明对现有消力墩结构进行改良，解决了现有消力墩无法很好应用于水流跃前流速≥15m/s环境下的问题，本发明可适用于水流跃前流速15-35m/s环境中，长时间使用不会对消力墩表面结构产生明显的空蚀现象破坏，延长了消力墩的使用寿命。
2、本发明严格限定了通水孔结构和个数，不会对消力墩本身的结构产生影响，且不会对消力墩本身的消能工作用造成影响。
3、本发明适用广泛，其原理同样适用于使用过程中容易受到空蚀现象破坏的消能工中，如趾墩和尾坎，对于本领域技术人员具有启示作用。
4、本发明利用现有消力墩结构进行加工，不影响消力墩本身的使用方式，不需要在消力池中额外增添设施，且结构简单，易于加工，制造价格低廉。
附图说明
图1为本发明实施例1、实施例2消力墩侧面结构示意图；
图2为本发明实施例1、消力墩俯视结构示意图；
图3为本发明实施例1消力墩迎水面结构示意图；
图4为本发明实施例2消力墩俯视结构示意图；
图5为本发明实施例2消力墩迎水面结构示意图；
图6为本发明实施例3消力墩侧面结构示意图；
图7为本发明实施例3消力墩俯视结构示意图；
图8为本发明实施例1设置有消力墩的消力池侧面结构示意图；
图9为图8的俯视结构示意图；
图中，1消力墩，2通水孔，2-1进水孔口，2-2出水孔口，2-3弯曲段，2-4出水孔道，2-5主出水孔道，2-6分支出水孔道，3消力墩迎水面，4消力墩顶面，5消力池。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。值得指出的是，给出的实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍应属于本发明保护范围。
实施例1
本实施例为在某水电站进行实施，所述某水电站最大坝高69.80m，最大下泄流量9561.3m3/s，在下游消力池5中布置了一排消力墩1，位置如图8、图9所示，图9中方向箭头为水流方向。
如图1-3所示，所述消力墩1为梯形消力墩，墩高2.24m，墩宽1.344m，消力墩顶面长度2.24m，底面长度3.96m，相邻消力墩之间的间距为1.12m。
在所述消力墩1上设有两个位于同一水平面的通水孔2，所述通水孔2一端为设置在消力墩迎水面3上的进水孔口2-1，及另一端设置在消力墩顶面4上的出水孔口2-2。
每个所述通水孔2的进水孔口2-1对应一个出水孔口2-2，所述进水孔口2-1中心距消力墩底部0.5m，所述出水孔口2-2中心距消力墩迎水面0.8m，所述出水孔口2-2、进水孔口2-1直径为0.2m。所述通水孔2平行于消力墩中轴线设置，相邻通水孔中心间距为0.5m。
所述通水孔2为J型结构，由进水孔口2-1、弯曲段2-3、出水孔道2-4、出水孔口2-2构成，所述出水孔道2-4为直孔段，所述弯曲段2-3连接进水孔口2-1与出水孔道2-4，弯曲段2-3的弯曲半径为0.8m。
当来流流速达到20m/s时，消力墩顶面仍为正压，可减免水流对消力墩的空蚀破坏，同时不影响消力墩本身的消能作用。
实施例2
本实施例为在某水电站进行实施，所述某水电站最大坝高69.80m，最大下泄流量9561.3m3/s，在下游消力池中布置了一排消力墩。
如图1、4、5所示，所述消力墩1为梯形消力墩，墩高2.24m，墩宽1.344m，消力墩顶面长度2.24m，底面长度3.96m，相邻消力墩之间的间距为1.12m。
在所述消力墩1上设有三个位于同一水平面的通水孔2，所述通水孔2一端为设置在消力墩迎水面3上的进水孔口2-1，及另一端设置在消力墩顶面4上的出水孔口2-2。
每个所述通水孔2的进水孔口2-1对应一个出水孔口2-2，所述进水孔口2-1中心距消力墩底部0.5m，所述出水孔口2-2中心距消力墩迎水面0.8m，所述出水孔口2-2、进水孔口2-1直径为0.2m。所述通水孔2平行于消力墩中轴线设置，相邻通水孔中心间距为0.3m。
所述通水孔2为J型结构，由进水孔口2-1、弯曲段2-3、出水孔道2-4、出水孔口2-2构成，所述出水孔道2-4为直孔段，所述弯曲段2-3连接进水孔口2-1与出水孔道2-4，弯曲段2-3的弯曲半径为0.8m。
当来流流速达到20m/s时，消力墩顶面仍为正压，可减免水流对消力墩的空蚀破坏，同时不影响消力墩本身的消能作用。
实施例3
本实施例为在某水电站进行实施，所述某水电站最大坝高69.80m，最大下泄流量9561.3m3/s，在下游消力池中布置了一排消力墩。
如图6、7所示，所述消力墩1为梯形消力墩，墩高2.24m，墩宽1.344m，消力墩顶面长度2.24m，底面长度3.96m，相邻消力墩之间的间距为1.12m。
在所述消力墩1上设有两个位于同一水平面的通水孔2，所述通水孔2一端为设置在消力墩迎水面3上的进水孔口2-1，及另一端设置在消力墩顶面4上的出水孔口2-2。
每个所述通水孔的进水孔口2-1对应两个出水孔口2-2，所述进水孔口2-1中心距消力墩底部0.5m，所述两个出水孔口2-2中心分别距消力墩迎水面0.8m、0.4m，所述出水孔口2-2、进水孔口2-1直径为0.2m。所述通水孔2平行于消力墩中轴线设置，相邻通水孔中心间距为0.3m。
所述通水孔2由进水孔口2-1、弯曲段2-3、出水孔道、出水孔口2-2构成，所述出水孔道是由主出水孔道2-5和分支出水孔道2-6构成，主出水孔道2-5为直孔段，分支出水孔道2-6与主出水孔道2-5侧面连通，且与靠近迎水面的出水孔口连通，所述弯曲段2-3连接进水孔口2-1与主出水孔道2-5，弯曲段2-3的弯曲半径为0.8m。
当来流流速达到20m/s时，消力墩顶面仍为正压，可减免水流对消力墩的空蚀破坏，同时不影响消力墩本身的消能作用。
实施例4
本实施例梯形消力墩的墩高2.24m，墩宽1.344m，消力墩顶面长度2.24m，底面长度3.96m，相邻消力墩之间的间距为1.12m。
在所述梯形消力墩上设有一个通水孔，所述通水孔一端为设置在消力墩迎水面上的进水孔口，及另一端设置在消力墩顶面上的出水孔口。
所述通水孔具有一个进水孔口且对应一个出水孔口，所述进水孔口中心距消力墩底部0.55m，所述出水孔口中心距消力墩迎水面0.45m，所述出水孔口、进水孔口直径为0.15m。所述通水孔平行于消力墩中轴线设置。
所述通水孔为J型结构，由进水孔口、弯曲段、出水孔道、出水孔口构成，所述出水孔道为直孔段，所述弯曲段连接进水孔口与出水孔道，弯曲段的弯曲半径为0.45m。
当来流流速达到15m/s时，消力墩顶面仍为正压，可减免水流对消力墩的空蚀破坏，同时不影响消力墩本身的消能作用。
实施例5
本实施例梯形消力墩的墩高2.24m，墩宽1.344m，消力墩顶面长度2.24m，底面长度3.96m，相邻消力墩之间的间距为1.12m。
在所述梯形消力墩上设有五个位于同一水平面的通水孔，所述通水孔一端为设置在消力墩迎水面上的进水孔口，及另一端设置在消力墩顶面上的出水孔口。
每个所述通水孔的进水孔口对应一个出水孔口，所述进水孔口中心距消力墩底部0.35m，所述出水孔口中心距消力墩迎水面0.75m，所述出水孔口、进水孔口直径为0.25m。所述通水孔平行于消力墩中轴线设置，相邻通水孔中心间距为0.15m。
所述通水孔为J型结构，由进水孔口、弯曲段、出水孔道、出水孔口构成，所述出水孔道为直孔段，所述弯曲段连接进水孔口与出水孔道，弯曲段的弯曲半径为0.75m。
当来流流速达到32m/s时，消力墩顶面仍为正压，可减免水流对消力墩的空蚀破坏，同时不影响消力墩本身的消能作用。

Claims (10)

1.一种利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构，其特征在于在消力墩(1)上设置通水孔(2)，所述通水孔(2)一端为设置在消力墩迎水面(3)上的进水孔口(2-1)，及另一端为设置在消力墩顶面(4)上的出水孔口(2-2)，消力墩迎水面上的水流压力通过通水孔转移至消力墩顶面，从而减免水流对消力墩的空蚀破坏。
2.根据权利要求1所述利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构，其特征在于：所述通水孔(2)具有一个进水孔口(2-1)，且该进水孔口对应一个出水孔口(2-2)，所述进水孔口(2-1)中心距消力墩底部0.15-0.25倍墩高，所述出水孔口(2-2)中心距消力墩迎水面0.2-0.35倍消力墩顶面长度，且不小于2倍出水孔口直径，所述出水孔口、进水孔口直径为0.1-0.2倍墩宽。
3.根据权利要求1所述利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构，其特征在于：所述通水孔(2)具有一个进水孔口(2-1)，且该进水孔口对应多个出水孔口(2-2)，所述进水孔口(2-1)中心距消力墩底部0.15-0.25倍墩高，所述出水孔口(2-2)中心距消力墩迎水面0.15-0.35倍消力墩顶面长度，且不小于2倍出水孔口直径，所述出水孔口、进水孔口直径为0.1-0.2倍墩宽。
4.根据权利要求2或3所述利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构，其特征在于：当所述消力墩(1)处于水流跃前流速≤15m/s环境中时，进水孔口(2-1)中心距消力墩底部0.23-0.25倍墩高；当所述消力墩(1)处于水流跃前流速15-20m/s环境中时，进水孔口(2-1)中心距消力墩底部0.21-0.23倍墩高；当所述消力墩(1)处于水流跃前流速20-25m/s环境中时，进水孔口(2-1)中心距消力墩底部0.18-0.20倍墩高；当所述消力墩(1)处于水流跃前流速≥25m/s环境中时，进水孔口(2-1)中心距消力墩底部0.15-0.18倍墩高。
5.根据权利要求2或3所述利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构，其特征在于：当所述消力墩(1)处于水流跃前流速≤18m/s环境中时，单个消力墩上设置1-2个所述通水孔(2)；当所述消力墩(1)处于水流跃前流速18-25m/s环境中时，单个消力墩上设置2-3个所述通水孔(2)；当所述消力墩(1)处于水流跃前流速≥25m/s环境中时，单个消力墩上设置3-5个所述通水孔(2)。
6.根据权利要求5所述利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构，其特征在于：所述通水孔(2)为多个设置时，平行于消力墩中轴线设置，相邻通水孔中心间距为墩宽的0.1-0.4倍。
7.根据权利要求5所述利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构，其特征在于：所述通水孔(2)为多个设置时，通水孔设置在同一水平面上。
8.根据权利要求5所述利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构，其特征在于：当所述消力墩(1)为多排设置时，下游消力墩上所设置的通水孔数量不大于上游消力墩上所设置的通水孔数量。
9.根据权利要求2所述利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构，其特征在于：所述通水孔(2)为J型结构，由进水孔口(2-1)、弯曲段(2-3)、出水孔道(2-4)、出水孔口(2-2)构成，所述出水孔道(2-4)为直孔段，所述弯曲段(2-3)连接进水孔口与出水孔道，弯曲段的弯曲半径与出水孔口中心距消力墩迎水面的距离相等。
10.根据权利要求3所述利用通水孔减免空蚀破坏的消力墩结构，其特征在于：所述通水孔(2)的进水孔口对应两个出水孔口，两个出水孔口间距与出水孔口直径相等；所述通水孔(2)由进水孔口(2-1)、弯曲段(2-3)、出水孔道、出水孔口(2-2)构成，所述出水孔道是由主出水孔道(2-5)和分支出水孔道(2-6)构成，主出水孔道(2-5)为直孔段，分支出水孔道(2-6)与主出水孔道侧面连通，且与靠近迎水面的出水孔口连通，所述弯曲段(2-3)连接进水孔口与主出水孔道，弯曲段的弯曲半径与出水孔口中心距消力墩迎水面的距离相等。
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