CN110629735B - 边墙底部开口的窄缝出口挑坎 - Google Patents

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    • E02B8/06—Spillways; Devices for dissipation of energy, e.g. for reducing eddies also for lock or dry-dock gates

Abstract

本发明提供一种边墙底部开口的窄缝出口挑坎，挑坎两侧边墙之间的底板宽度沿水流方向逐渐减小，形成渐收的窄缝出口，接近挑坎出口处的边墙底部开口悬空，并沿水流方向延伸至挑坎出口。本发明解决了现有窄缝式消能工中，边墙高度增高，侧壁动水压强过大，高速水流收缩等因素带来的边墙安全隐患，以及水舌的不稳定性问题。

Description

边墙底部开口的窄缝出口挑坎
技术领域
本发明属于水利水电工程中泄洪消能领域，具体涉及一种新型的边墙底部开口的窄缝出口挑坎。
背景技术
水利水电工程中，通过泄洪建筑物下泄的水流往往具有极高的流速，其携带的能量也极大，对下游河床甚至主体建筑物具有很强的破坏潜力。为了保证建筑物及下游河道的安全。工程上遵循通过分散入水来尽可能地增大有效入水面积，从而实现分散能量的原则。
常规窄缝式消能工是通过边墙束窄，使水流横向收缩、纵向拉伸，收缩式消能工体型简单，布置合理、灵活，适应性强，节省投资。但是由于过水通道束窄的原因，水深在出口位置急剧增大，这就需要将边墙高度设计得足够高，这无疑会增大工程耗资，同时过高的水深也造成了侧壁过大的动水压强；同时由于高速水流收缩而产生的冲击波也会对边墙的稳定造成不利影响；另外，由于边墙收缩造成的“水翅”会加剧挑射水舌的不稳定性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种边墙底部开口的窄缝出口挑坎，解决现有窄缝式消能工中，边墙高度过高，侧壁动水压强过大，高速水流收缩等因素带来的边墙安全隐患，以及水舌的不稳定性问题。
本发明主要构思是将常规窄缝挑坎从某一特定位置，在其两侧的边墙下部开口，使来流一部分经由上部横向窄缝的束窄作用形成竖向拉伸的水流形态，而由于上层水体的纵向拉伸，其势能增大，进而对下层水体形成较强的压重作用；下层水体由于两侧边墙开口，其压强在侧面得到释放，从而形成横向扩散的水流形态；同时由于边墙下部开口使得压力得到释放的缘故，上部窄缝内水深也可以实现大幅减小，从而减小边墙动水压力，改善结构受力。上部窄缝结构起的作用不仅限于常规的窄缝使水舌纵向拉伸的作用，还藉由上层水体的纵向拉伸增加的势能对下层水体施加较大的压重作用，从而使得下层水体从两侧开口能够实现更好的横向扩散。
本发明提供的边墙底部开口的窄缝出口挑坎，其结构为，挑坎两侧边墙之间的底板宽度沿水流方向逐渐减小，形成渐收的窄缝出口，接近挑坎出口处的边墙底部开口悬空，并沿水流方向延伸至挑坎出口。
所述“开口悬空”,是指边墙底部与底板分离形成缝隙。
本发明所述挑坎，使得一部分水体沿纵向拉伸，一部分水体沿横向扩散，因此，存在纵向拉伸与横向扩散的流量分配比的问题，而流量的分配决定了出坎水舌能量的分配，进而影响下游河床冲刷的程度，不同收缩比和下部开口高度会引起上部窄缝以及下部开口的水量分配比率发生改变，从而影响消能效果。
影响水量比率的主要参数是边墙末端开口悬空壁面距离底板的悬空高度h2，h2的大小直接关系到上下两层水体的流量分配比例，h2越大则通过下层实现横向扩散的水流量越大，反之亦然。为了使水流尽可能分散，并且保证上部窄缝水舌能够对下部水体形成足够的压重以实现其良好的横向扩散，一般h2≤0.6h，h为泄槽内最大水深。但地形条件也会对h2有影响，当河道较宽时，可使下部扩散水量适度增大，可取h2＝0.6h；反之，当位于狭窄河谷时，由于下部水体的横向扩散作用对岸坡稳定有不利影响，此时可将h2取相对较小值，从而使下部开口产生的横向扩散的水量适量减少，具体数值需根据河道宽度才能确定。
进一步地，由于边墙下部开口的缘故，使得上部窄缝部分(水体)处于悬空状态(即悬臂结构)，故而不宜将挑坎两侧边墙未开口部分形成的窄缝出口于挑坎出口处的宽度(上部窄缝出口宽度)b设置得过小，但是b太大又无法形成有效的纵向拉伸水舌，一般地b可取为(0.4～0.7)B。
进一步地，当出口宽度b确定后，挑坎长度L1的大小还会影响挑坎内部水体流态，收缩坡度α＝(B-b)/2L1越小，那么挑坎水流过渡越平顺，但使水流纵向分散的效果也相应越差。一般地，α＝(B-b)/2L1，可取为1/3～1/5。对于挑坎底板为弧形底板，挑坎底板L1指水平长度。
进一步地，下部开口位置的起点可设置在边墙收缩的起点处，在河道较窄的情况下，可以适当向下游移动，边墙悬空段的长度L2可取为(0.4～1.0)L1。
进一步地，为保证边墙开口上部悬臂结构的稳定性，可以采取一定的工程措施将两侧边墙连接起来，从而增加其结构稳定性。优选地，所述挑坎顶部设置有横跨两边墙将两侧边墙连接在一起的顶盖。优选地，顶盖末端设置有竖向的盖沿，盖沿与边墙末端嵌合成整体。如此通过钢筋混凝土结构将两侧边墙连接，使之成为一体；或者，挑坎边墙在高于水面部分沿水流方向设置有连接两侧边墙的拉筋或加强边墙的锚具。
进一步地，所述挑坎的底板可以是水平平面底板，也可以是弧面底板或者呈一定坡度的非水平结构底板。事实上，当泄槽底板采用弧形结构时，由于反弧底板还施加给下部扩散水体一个反向作用力，这更加有利于下层水体的横向扩散。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明所述挑坎使水体在泄洪建筑物末端挑射出去后实现了多元化的分散，既能降低常规窄缝挑坎边墙高度、减小边墙承受的压力，又可较大程度地在有限的空间内实现水体的高度分散，从而增大水舌落水区域面积，减小入水单宽流量，提高消能效果，减弱对于下游河道的冲刷。
2.本发明所述挑坎结构简单，方便高效地解决了现有窄缝式消能工中，边墙高度增高，侧壁动水压强过大，高速水流收缩等因素带来的边墙安全隐患，以及水舌的不稳定性问题。
附图说明
图1为边墙底部开口的窄缝出口挑坎示意图(a立体图，b平面图，c侧视图)；
图2为边墙底部开口的窄缝出口挑坎典型流态(a俯视图，b侧视图，c水舌横截面形态)；
图3为挑坎边墙悬臂结构衔接形式(a顶盖衔接，b锚具连接)。
图中，1—底板，2—边墙，3—顶盖，4—锚具。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明所述边墙底部开口的窄缝出口挑坎做进一步说明。
实施例1
本实施例所述边墙底部开口的窄缝出口挑坎，如图1-3，包括底板1和边墙2，挑坎两侧边墙之间的底板宽度沿水流方向逐渐减小，形成渐收的窄缝出口，接近挑坎出口处的边墙底部开口悬空，并沿水流方向延伸至挑坎出口。挑坎底板为水平平面底板。所述挑坎顶部设置有横跨两边墙将两侧边墙连接在一起的顶盖。所述顶盖在其末端设置有竖向的盖沿，盖沿与两侧的边墙末端嵌合成整体。如此通过钢筋混凝土结构将两侧边墙连接，使之成为一体。
边墙末端开口悬空壁面距离底板的悬空高度h2，h2＝0.6h，h为泄槽内最大水深，取3m，则h2为1.8m。
挑坎两侧边墙未开口部分形成的窄缝出口于挑坎出口处的宽度，即上部窄缝出口宽度b为0.4B，B为上游泄槽宽度，取6m，则b＝2.4m。
收缩坡度α＝(B-b)/2L1为1/5，L1为挑坎长度，B为上游泄槽宽度，b上部窄缝出口宽度，则L1＝1.5B＝9m。
边墙悬空段的长度L2为L2＝1.0L1＝1.5B＝9m。
通过数值计算得到典型流态，见图3。可以看到，由于上部水体的压重作用，下侧水流在横向上实现了大幅的扩散，而上部水流也由于受到边墙收缩作用而呈竖向拉伸状态，因而降低对边墙高度需求，减小侧壁动水压强过大，消除高速水流收缩等因素带来的边墙安全隐患。
实施例2
本实施所述边墙底部开口的窄缝出口挑坎，如图1-3，包括底板1和边墙2，挑坎两侧边墙之间的底板宽度沿水流方向逐渐减小，形成渐收的窄缝出口，接近挑坎出口处的边墙底部开口悬空，并沿水流方向延伸至挑坎出口。挑坎底板为水平平面底板。挑坎边墙在高于水面部分沿水流方向设置有连接两侧边墙的拉筋，保证边墙开口上部悬臂结构的稳定性。
边墙末端开口悬空壁面距离底板的悬空高度h2，h2＝0.4h，h为泄槽内最大水深，取3m，则h2为1.2m。
挑坎两侧边墙未开口部分形成的窄缝出口于挑坎出口处的宽度，即上部窄缝出口宽度b为0.5B，B为上游泄槽宽度，取6m，则b＝3m。
收缩坡度α＝(B-b)/2L1为1/4，L1为挑坎长度，B为上游泄槽宽度，b上部窄缝出口宽度，则L1＝B＝6m。
边墙悬空段的长度L2为L2＝0.7L1＝0.7B＝4.2m。
通过数值计算得到典型流态，结果与实施例1类似。
实施例3
本实施所述边墙底部开口的窄缝出口挑坎，如图1-3，包括底板1和边墙2，挑坎两侧边墙之间的底板宽度沿水流方向逐渐减小，形成渐收的窄缝出口，接近挑坎出口处的边墙底部开口悬空，并沿水流方向延伸至挑坎出口。挑坎底板为水平平面底板。挑坎边墙在高于水面部分沿水流方向设置有连接两侧边墙的锚具，保证边墙开口上部悬臂结构的稳定性。
边墙末端开口悬空壁面距离底板的悬空高度h2，h2＝0.5h，h为泄槽内最大水深，取3m，则h2为1.5m。
挑坎两侧边墙未开口部分形成的窄缝出口于挑坎出口处的宽度，即上部窄缝出口宽度b为0.7B，B为上游泄槽宽度，取6m，则b＝4.2m。
收缩坡度α＝(B-b)/2L1为1/3，L1为挑坎长度，B为上游泄槽宽度，b为上部窄缝出口宽度，则L1＝0.45B＝2.7m。
边墙悬空段的长度L2为L2＝0.4L1＝0.18B＝1.08m。
通过数值计算得到典型流态，结果与实施例1类似。

Claims (10)

1.一种边墙底部开口的窄缝出口挑坎，挑坎两侧边墙之间的底板宽度沿水流方向逐渐减小，形成渐收的窄缝出口，其特征在于，接近挑坎出口处的边墙底部开口悬空，并沿水流方向延伸至挑坎出口。
2.根据权利要求1所述边墙底部开口的窄缝出口挑坎，其特征在于，边墙末端开口悬空壁面距离底板的悬空高度h2≤0.6h，h为泄槽内最大水深。
3.根据权利要求1所述边墙底部开口的窄缝出口挑坎，其特征在于，挑坎两侧边墙未开口部分形成的窄缝出口于挑坎出口处的宽度b＝(0.4～0.7)B，B为上游泄洪槽宽度。
4.根据权利要求1所述边墙底部开口的窄缝出口挑坎，其特征在于，边墙的收缩坡度α＝(B-b)/2L1，L1为挑坎长度。
5.根据权利要求4所述边墙底部开口的窄缝出口挑坎，其特征在于，边墙的收缩坡度α＝1/3～1/5。
6.根据权利要求1所述边墙底部开口的窄缝出口挑坎，其特征在于，边墙悬空段的长度L2＝(0.4～1.0)L1，L1为挑坎长度。
7.根据权利要求1至6之一所述边墙底部开口的窄缝出口挑坎，其特征在于，所述挑坎顶部设置有横跨两边墙将两侧边墙连接在一起的顶盖。
8.根据权利要求7所述边墙底部开口的窄缝出口挑坎，其特征在于，所述顶盖在其末端设置有竖向的盖沿，盖沿与两侧的边墙末端嵌合成整体。
9.根据权利要求1至6之一所述边墙底部开口的窄缝出口挑坎，其特征在于，挑坎边墙在高于水面部分沿水流方向设置有连接两侧边墙的拉筋或加强边墙的锚具。
10.根据权利要求1至6之一所述边墙底部开口的窄缝出口挑坎，其特征在于，挑坎底板为水平平面底板、弧面底板或者呈一定坡度的非平面底板。
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