CN110004891B - 一种水利水电工程的消能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利水电工程技术领域。目的在于提供一种消能效果好的水利水电工程的消能方法。所采用的技术方案是：一种水利水电工程的消能方法，核心步骤是在大坝上部设置泄流口，设置第一泄流通道和第二泄流通道与泄流口连通；泄流时，从泄流口处将水流分成两个部分，其中一部分沿第一泄流通道正常排下，另一部分经第二泄流通道排下，第二泄流通道排出的水流在挑流机构的作用下向上挑起射出，第一泄流通道排出的水流通过导流机构的导向作用与第二泄流通道排出的水流发生碰撞，从而实现消能。本发明具有极好的消能效果。

Description

一种水利水电工程的消能方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域,具体涉及一种水利水电工程的消能方法。

背景技术

目前，随着我国山区性河流水力资源的逐步开发，我国水电工程建设事业发展进入了高潮阶段，尤其是在西部山区修建了大量的中小型水电站。天然河道中的水流一般属于缓流，单宽流量沿河宽方向的分布较为均匀。但当河道中修建了坝、闸等泄水建筑后，河道的流动条件发生了巨大的变化，下泄水流流速大、水流能量大，对泄水建筑下游河床具有较大的破坏作用。这个问题在实际工程中如果解决不好，不仅将在下游河床产生严重的冲刷、河道淤积，而且还会造成恶劣的流态，影响水利水电工程中其他建筑物的正常运行，甚至危及大坝安全。因此，采取有效的工程措施，人为地控制泄水建筑物下游水流的衔接与消能，以确保建筑物的安全是十分重要的。水利水电工程的消能结构是一种消除泄水建筑物下泄急流的动能，防止或减轻水流对水工建筑物及其下游河渠的冲刷破坏，并使水流在较短的距离内与下游正常水流取得妥善衔接而修建的工程设施。

现有的消能结构主要有以下方式：

一是在泄水建筑物的下游人工建设消力池，并从泄水建筑物处修建倾斜的护坦与消力池连通。其消能机理是:急流沿护坦排入消力池中，通过在消力池中形成水跃从而将急流转变为缓流。消能主要是通过水跃产生的表面漩滚与底部主流间强烈紊动、剪切和混掺作用来完成。该方式具有流态稳定、消能效果好、对地址条件和喂水变幅适应性强及水流雾化小等优点。但由于护坦长度较长，一方面工程造价高，另一方面建筑物布置的空间不足，尤其是在山区河流修建水电工程时，该情况尤为突出。

二是在泄水建筑物的末端修建挑流鼻坎，将泄出的高速水流抛向下游离泄水建筑物较远的位置，水流在空中与空气混掺、摩擦下实现消能，水流在落下后在河床上自然冲刷出凹坑，水流在凹坑中形成紊流，再次实现消能。该方式结构简单、工程造价低，目前广泛应用在水利水电工程中。然而该结构仍然存在巨大的缺陷，由于水流在下落的过程中落点较为集中，往往对下游落点处造成严重的局部冲刷。同时在泄水流量较大、流速较快时，水流高速冲击落点位置，造成落点位置河床下凹严重，极大的改变了河床原貌，增加了流态的不稳定性。同时，在上下游水位落差较大时，水流自身携带的动能较大，单纯采用挑流消能的方式往往达不到预期的消能效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消能效果好的水利水电工程的消能方法。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种水利水电工程的消能方法，包括设置在大坝上部的泄流口、设置在大坝下游一侧表面的第一泄流通道、及设置在大坝主体内部的第二泄流通道。

所述第一泄流通道和第二泄流通道均由大坝的上游侧向下游侧斜向下延伸，所述第一泄流通道的上端与泄流口的末端连通，所述泄流口的底部设置分水口，所述分水口位于第一泄流通道与泄流口连接处的前方。所述第二泄流通道的上端与分水口连通，所述分水口处设置流量调节阀门。所述第二泄流通道的出水口位于第一泄流通道的出水口下方，第二泄流通道的出水口处设置挑流机构。第一泄流通道的出水口处设置导流机构。第一泄流通道排出的水流和第二泄流通道排出的水流在空中相互碰撞实现消能。

优选的，所述导流机构包括导流板和调节液压缸，所述导流板与第一泄流通道出水口的下边沿铰接，所述调节液压缸固定设置在导流板下方，且调节液压缸的缸体和伸缩杆均呈以导流板的铰接位置为中心的弧形。

优选的，所述第二泄流通道的后段呈向下凸出的弧形，所述挑流机构由第二泄流通道出水口的出水方向斜向上构成。

优选的，所述第一泄流通道在垂直方向上的投影呈向大坝一端或另一端凸出的弧形，所述第二泄流通道在垂直方向上的投影呈与第一泄流通道凸出方向相反的弧形。

优选的，所述大坝上设置多个泄流组，且每个泄流组包括两个泄流口及与两个泄流口对应的分水口、第一泄流通道和第二泄流通道。每个泄流组内的两条第一泄流通道相邻且在中部相互贯通。

优选的，所述第一泄流通道内设置多条沿第一泄流通道宽度方向延伸的消力缓冲带，所述消力缓冲带由多根并排布置的截面呈半圆形的消力凸棱构成。

优选的，所述多条消力缓冲带的尺寸沿水流方向逐渐变大。

优选的，所述每条消力缓冲带上的多根消力凸棱的半径也沿水流方向逐渐变大。

优选的，还包括设置在大坝下游的消力池，所述消力池位于第一泄流通道排出的水流和第二泄流通道排出的水流碰撞点附近的河床上。所述消力池的截面呈三角形，且由靠近大坝的一端向远离大坝的一端逐渐变浅。

优选的，所述大坝下游还设置有消音洞，所述第一泄流通道排出的水流和第二泄流通道排出的水流碰撞点位于消音洞内。

本发明的有益效果集中体现在：

1、从泄流口处将水流分成两个部分，其中一部分沿第一泄流通道正常排下，另一部分经分水口和第二泄流通道排下，第二泄流通道排出的水流在挑流机构的作用下向上挑起射出，第一泄流通道排出的水流通过导流机构的导向作用与第二泄流通道排出的水流发生碰撞，从而实现消能。本发明和传统的长护坦加消力池的消能结构相比，无需设置长护坦，一方面省去了护坦修筑的空间，适应性强；另一方面节省了大量的工程成本，提高了经济效益。同时和传统的单纯采用挑流消能的方式相比，消能效果也得到显著地提升。具体来说，本发明水流的消能过程主要分为四个阶段：第一阶段，在沿泄流通道下滑的过程中与泄流通道本体发生摩擦进行消能；第二阶段，从出水口排出后还未发生碰撞前，在空中与空气混掺和摩擦进行消能；第三阶段，从第一、第二泄流通道排出的水流在空中相互碰撞、冲击，使水流携带的动能急剧下降；第四阶段，碰撞后水流进一步分散，分散后更加便于与空气混掺和摩擦，使得消能效果进一步提升。因此，本发明的消能效果极好。

2、优选设置的导流机构采用铰接在出水口的导流板与调节液压缸构成，不仅结构简单，且能通过调节液压缸灵活调整导流板的角度，从而在不同的水流压力条件下，第一泄流通道排出的水流均能适应第二泄流通道排出的水流。

3、挑流机构直接由第二泄流通道的一段构成，可将水流的势能直接转换成与第一泄流通道排出的水流相碰撞的动能，简单高效。

4、通过优选设置的消音洞，可以有效的防止水雾扩散，避免工程两侧的岩层受到侵蚀，还可以降低碰撞产生的噪声，起到消音的作用。

5、由于第一泄流通道和第二泄流通道的垂直投影呈弧形，一方面可以增强水流在第一泄流通道和第二泄流通道内部流动时摩擦消能，另一方面使得二者射出的水流对冲碰撞的效果更好，进一步提高消能效果。

6、在设置有多个泄流口时，每个泄流组内的两条第一泄流通道相互中部贯通，使得两第一泄流通道内的水流在中段附近相互冲击、剪切，也进一步提高了消能效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图2中所示结构一种优选的实施方式的结构示意图；

图4为图1中A部放大图；

图5为图4中所示结构一种使用状态结构示意图；

图6为图1中B部放大图；

图7为图6中所示结构一种优选的实施方式的结构示意图。

具体实施方式

结合图1-7所示的一种水利水电工程的消能方法，包括设置在大坝1上部的泄流口2、设置在大坝1下游一侧表面的第一泄流通道3、及设置在大坝1主体内部的第二泄流通道4。所述泄流口2既可以是设置在大坝1顶部的溢流坎，也可以是设置有闸阀的泄洪通道，当然还可以是具有相同效果的其他构筑物。如图1所示，大坝1的左侧为上游侧，右侧为下游侧，第一泄流通道3位于大坝1的右侧，第二泄流通道4位于大坝1的内部，在大坝1修筑阶段与大坝1的主体一体构筑。

所述第一泄流通道3和第二泄流通道4均由大坝1的上游侧向下游侧斜向下延伸，从泄流口2泄出的水流可沿着第一泄流通道3和第二泄流通道4排出。所述第一泄流通道3的上端与泄流口2的末端连通，所述泄流口2的底部设置分水口5，所述分水口5位于第一泄流通道3与泄流口2连接处的前方。所述第二泄流通道4的上端与分水口5连通。分水口5设置在泄流口2内且用于水流分流，从分水口5分流的水导入第二泄流通道4中，还有一部分直接越过分水口5排入第一泄流通道3中。分水口5可以是如图2中所示的沿泄流口2宽度方向延伸的条形口，当然，也可以是圆形或其他形状，只要能起到分流的作用且与第二泄流通道4连通即可。所述分水口5处设置流量调节阀门，所述流量调节阀门用于调整分水口5的流量大小，所述流量调节阀门的具体结构较多，例如：所述分水口5的侧壁设置腔体，腔体内设置一个封口板，通过电机、液压杆等部件驱动封口板在分水口5处的伸出量或回缩量，进而改变分水口5开启的大小，起到调节的作用。该结构较为简单，图中未示出。

如图1中所示，所述第二泄流通道4的出水口位于第一泄流通道3的出水口下方，第二泄流通道4的出水口处设置挑流机构，第二泄流通道4可以是沿直线延伸的泄流通道，挑流机构就是设置在第二泄流通道4出水口处的挑流鼻坎、挑流坡或其他起到相同作用的结构。由于第二泄流通道4设置在大坝1主体内部，为了进一步提高本发明的性能，更好的做法是，如图1所示，所述第二泄流通道4的后段呈向下凸出的弧形，所述挑流机构由第二泄流通道4出水口的出水方向斜向上构成。也就是说第二泄流通道4的靠近出水口的一段呈弧形，弧形的最低处低于出水口的高度，从而使第二泄流通道4的出水方向呈斜向上的态势，实现挑流。第二泄流通道4的弧形段一方面起到导向的作用，另一方面又能缓解水流对大坝1的冲刷侵蚀。

第一泄流通道3的出水口处设置导流机构，第一泄流通道3排出的水流和第二泄流通道4排出的水流在空中相互碰撞实现消能。所述的导流机构也可以是挑流鼻坎、挑流坡等。只要在导流机构的引导下可实现第一泄流通道3和第二泄流通道4排出水流的碰撞即可。但由于大坝1上游水位不同，从而造成泄流水压具有一定的差异，进而导致第一泄流通道3和第二泄流通道4中排出的水流其抛射距离、抛物线轨迹也具有一定的差异。因此，如图4和5所示，导流机构最好具有调节射出水流角度的作用，故所述导流机构包括导流板7和调节液压缸8，所述导流板7与第一泄流通道3出水口的下边沿铰接，所述调节液压缸8固定设置在导流板7下方，且调节液压缸8的缸体和伸缩杆均呈以导流板7的铰接位置为中心的弧形。通过调节液压缸8的伸缩，可以对导流板7的角度进行调整，从而实现更加灵活的导流作用，以适应不同的水流抛射距离，使第一泄流通道3和第二泄流通道4排出的水流均能在空中发生碰撞、冲击。调节液压缸8由大坝1枢纽的总控机房进行控制。由于导流板7受到的水流冲击较大，通常还配套设置有用于对导流板7进行加固的加固组件，加固组件的具体结构方式较多，设计人员可根据各工程的泄洪流量进行具体设计，此处不再一一赘述。

本发明从泄流口2处将水流分成两个部分，其中一部分沿第一泄流通道3正常排下，另一部分经分水口5和第二泄流通道4排下，第二泄流通道4排出的水流在挑流机构的作用下向上挑起射出，第一泄流通道3排出的水流通过导流机构的导向作用与第二泄流通道4排出的水流发生碰撞，从而实现消能。本发明和传统的长护坦加消力池的消能结构相比，无需设置长护坦，一方面省去了护坦修筑的空间，适应性强；另一方面节省了大量的工程成本，提高了经济效益。同时和传统的单纯采用挑流消能的方式相比，消能效果也得到显著的提升。具体来说，本发明水流的消能过程主要分为四个阶段：第一阶段，在沿泄流通道3、4下滑的过程中与泄流通道3、4本体发生摩擦进行消能；第二阶段，从出水口排出后还未发生碰撞前，在空中与空气混掺和摩擦进行消能；第三阶段，从第一、第二泄流通道3、4排出的水流在空中相互碰撞、冲击，使水流携带的动能急剧下降；第四阶段，碰撞后水流进一步分散，分散后更加便于与空气混掺和摩擦，使得消能效果进一步提升。因此，本发明的消能效果极好。第二泄流通道4可将水流的势能直接转换成与第一泄流通道3排出的水流相碰撞的动能，简单高效。

本发明由于在水流发生碰撞后，水流的雾化现象较为严重，更好的做法是如图1所示，所述大坝1下游还设置有消音洞12，所述第一泄流通道3排出的水流和第二泄流通道4排出的水流碰撞点位于消音洞12内。消音洞12的侧壁通常就是加高设计的泄洪通道下游的、位于河道两侧的护坎，两护坎上浇筑横跨两护坎的顶。消音洞12可以有效的防止水雾扩散，避免工程两侧的岩层受到侵蚀，还可以降低碰撞产生的噪声，起到消音的作用。

另外，如图2所示，所述第一泄流通道3在垂直方向上的投影呈向大坝1一端或另一端凸出的弧形，所述第二泄流通道4在垂直方向上的投影呈与第一泄流通道3凸出方向相反的弧形。由于第一泄流通道3和第二泄流通道4的垂直投影呈弧形，一方面可以增强水流在第一泄流通道3和第二泄流通道4内部流动时摩擦消能，另一方面使得二者射出的水流对冲碰撞的效果更好，进一步提高消能效果。

针对不同容量的大坝1和水库，所述泄流口2的数量设置不同，水库容量大则泄流口2数量多，水库容量小则泄流口2数量设置少。特别是，当泄流口2的数量增加仍不能满足泄流要求时，可在第一泄流通道3对应的坝体内设置另一条第二泄流通道4，在第二泄流通道4对应的坝体表面设置另一条第一泄流通道3，也就是说两条第一泄流通道3和两条第二泄流通道4均对称设置。更好的做法是，如图3所示，当泄流口2的数量较多时，泄流口2两两呈一组。所述大坝1上设置多个泄流组，图3中示出的泄流组一个，实际应用中根据实际需求可以是多个，泄流组的每个泄流口2对应设置分水口5、第一泄流通道3和第二泄流通道4。每个泄流组内的两条第一泄流通道3相邻且在中部相互贯通。如图3中所示，两个第一泄流通道3呈相背的两个弧形，两个第一泄流通道3的中部相互连通。使得两第一泄流通道3内的水流在中段附近相互冲击、剪切，也进一步提高了消能效果。

为了进一步提升消能效果，更好的做法还可以是，如图6和7所示，所述第一泄流通道3内设置多条沿第一泄流通道3宽度方向延伸的消力缓冲带9，所述消力缓冲带9由多根并排布置的截面呈半圆形的消力凸棱10构成。半圆形的消力凸棱10能够在应力时更好地缓冲受力，避免受力时刚性过大，减小了消力缓冲带9受到水流侵蚀的程度，提高了消力缓冲带9的使用寿命。同时，消力缓冲带9可带动水流翻腾，在水中形成紊流，在水面形成射流，提高消能效果。由于在第一泄流通道3的上端，水流在未经消能的情况下其动能夹带量大，故不宜直接在第一泄流通道3的上端设置大尺寸的消力缓冲带9，而是采用多条消力缓冲带9的尺寸沿水流方向逐渐变大。也就是说位于第一泄流通道3上段的消力缓冲带9尺寸小，下段的消力缓冲带9尺寸大。这样实现逐级消能，消能效果更佳。同理，所述每条消力缓冲带9上的多根消力凸棱10的半径也沿水流方向逐渐变大。

另外，本发明也可以配置消力池11，所述消力池11位于第一泄流通道3排出的水流和第二泄流通道4排出的水流碰撞点附近的河床上。所述消力池11的截面呈三角形，且由靠近大坝1的一端向远离大坝1的一端逐渐变浅。本发明的消力池11由于与大坝1的距离较近，可与大坝1同步施工，便于管理。水流在碰撞后，分散的落入消力池11中，消力池11由于由靠近大坝1的一端向远离大坝1的一端逐渐变浅，大部分水流在落下后首先在消力池11中形成回水，再流入下游河道，提升了下游河道流态的稳定性。

应当理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水利水电工程的消能方法，其特征在于：包括设置在大坝（1）上部的泄流口（2）、设置在大坝（1）下游一侧表面的第一泄流通道（3）、及设置在大坝（1）主体内部的第二泄流通道（4）；

所述第一泄流通道（3）和第二泄流通道（4）均由大坝（1）的上游侧向下游侧斜向下延伸，所述第一泄流通道（3）的上端与泄流口（2）的末端连通，所述泄流口（2）的底部设置分水口（5），所述分水口（5）位于第一泄流通道（3）与泄流口（2）连接处的前方；所述第二泄流通道（4）的上端与分水口（5）连通，所述分水口（5）处设置流量调节阀门；所述第二泄流通道（4）的出水口位于第一泄流通道（3）的出水口下方，第二泄流通道（4）的出水口处设置挑流机构；第一泄流通道（3）的出水口处设置导流机构；所述导流机构包括导流板（7）和调节液压缸（8），所述导流板（7）与第一泄流通道（3）出水口的下边沿铰接，所述调节液压缸（8）固定设置在导流板（7）下方，且调节液压缸（8）的缸体和伸缩杆均呈以导流板（7）的铰接位置为中心的弧形；

泄流时，从泄流口（2）处将水流分成两个部分，其中一部分沿第一泄流通道（3）正常排下，另一部分经第二泄流通道（4）排下，第二泄流通道（4）排出的水流在挑流机构的作用下向上挑起射出，第一泄流通道（3）排出的水流通过导流机构的导向作用与第二泄流通道（4）排出的水流发生碰撞，从而实现消能。

2.根据权利要求1所述的水利水电工程的消能方法，其特征在于：所述第二泄流通道（4）的后段呈向下凸出的弧形，所述挑流机构由第二泄流通道（4）出水口的出水方向斜向上构成。

3.根据权利要求1所述的水利水电工程的消能方法，其特征在于：所述第一泄流通道（3）在垂直方向上的投影呈向大坝（1）一端或另一端凸出的弧形，所述第二泄流通道（4）在垂直方向上的投影呈与第一泄流通道（3）凸出方向相反的弧形。

4.根据权利要求3所述的水利水电工程的消能方法，其特征在于：所述大坝（1）上设置多个泄流组，且每个泄流组包括两个泄流口（2）及与两个泄流口（2）对应的分水口（5）、第一泄流通道（3）和第二泄流通道（4）；每个泄流组内的两条第一泄流通道（3）相邻且在中部相互贯通。

5.根据权利要求1所述的水利水电工程的消能方法，其特征在于：所述第一泄流通道（3）内设置多条沿第一泄流通道（3）宽度方向延伸的消力缓冲带（9），所述消力缓冲带（9）由多根并排布置的截面呈半圆形的消力凸棱（10）构成。

6.根据权利要求5所述的水利水电工程的消能方法，其特征在于：多条所述消力缓冲带（9）的尺寸沿水流方向逐渐变大。

7.根据权利要求6所述的水利水电工程的消能方法，其特征在于：每条所述消力缓冲带（9）上的多根消力凸棱（10）的半径也沿水流方向逐渐变大。

8.根据权利要求1所述的水利水电工程的消能方法，其特征在于：还包括设置在大坝（1）下游的消力池（11），所述消力池（11）位于第一泄流通道（3）排出的水流和第二泄流通道（4）排出的水流碰撞点附近的河床上；所述消力池（11）的截面呈三角形，且由靠近大坝（1）的一端向远离大坝（1）的一端逐渐变浅。

9.根据权利要求1所述的水利水电工程的消能方法，其特征在于：所述大坝（1）下游还设置有消音洞（12），所述第一泄流通道（3）排出的水流和第二泄流通道（4）排出的水流碰撞点位于消音洞（12）内。

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