CN111705761A - 溢流坝泄洪底流防冲刷消能墙 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种溢流坝泄洪底流防冲刷消能墙，溢流坝主体泄洪通道底有跌坎消力池，远端有消能墙，消力池与远端消能墙之间的区域或消力池的前端区域或远端消能墙的前端区域，有固定于底层内的复合透水消能墙。本发明复合透水消能墙置于消力池与远端消能墙之间的区域，消能过程主要使一部分泄水通过摩擦、旋滚、扩散、撞击、变成热能耗散。将该复合消能墙修筑于消力池前时，能够极大程度上减少高速水流对原有消力池的冲刷和磨损。

Description

溢流坝泄洪底流防冲刷消能墙

技术领域

本发明属于高水头、大流量条件下底流消能技术领域，具体涉及一种溢流坝泄洪底流防冲刷消能墙。

背景技术

高水头、大流量溢流坝的传统消能工方式主要有挑流、底流、面流三大消能方式，各消能方式各具优缺点，单纯一种消能方式往往较难达到最佳消能效果，部分利用挑流消能的大型水电站通常集合多种消能方式。挑流消能方式具有工程量较小和施工简单的特点被应用于高坝洪流输出的首位，但挑流消能的挑流高度过高会造成泄洪雾化现象严重产生雾化降雨，影响坝区电厂、交通和农业，仅依靠挑流高度变低后消能效果有限。目前，在三大消能方式中仍以底流消能为主配合其他消能为辅相互配合的消能组合应用。底流消能的原理是在挡水建筑物下游设消力池、消力坎和消能墙等，促使水流在限定范围内产生水跃，通过水流的内部摩擦、掺气和撞击以消耗多余的能量，具有流态稳定、消能效果好、对地质条件和尾水水位变化适应性较强的优势。

然而底流消能需要修建造价昂贵的底流消力池，工程投资较大，底流冲刷破坏程度大导致消力池和消能墙严重磨损，进而降低消能效果。泄洪通道底消力池和远端消能墙的施工成本高，维护难度大。

由于高坝工程工作水头高，致使消力池临底流速很高，难于保证消力池自身的泄洪安全。长期水流冲刷导致的磨损无法通过常规修复方式还原，重新筑基施工量大和成本高，尤其是针对高水头、大流量条件下底流消能需求，底流消能的跌坎高度越大，消力池临底流速和脉动压强越小，水流流态越接近于面流，消能效果相对较差；跌坎高度越小，消力池内水流流态越接近于常规的水跃消能的底流流态，消能效果好，但消力池临底流速较大，容易对底板造成破坏。对于长期水流冲刷导致的对跌坎磨损无法通过常规修复方式还原，重新筑基施工量大和成本高，现实中难以实现。

发明内容

针对长期运行的溢流坝泄洪过程对于底流冲刷消力池导致磨损严重且修复难度大的问题，本发明提供一种溢流坝泄洪底流防冲刷消能墙。

本发明解决其技术问题所采用一种溢流坝泄洪底流防冲刷消能墙，溢流坝主体泄洪通道底有跌坎消力池，远端有消能墙，消力池与远端消能墙之间的区域或消力池的前端区域或远端消能墙的前端区域，有固定于底层内的复合透水消能墙。

复合透水消能墙包括在泄洪通道底层筑建砼基础且通过锚杆深植地层深处，或将砼基础与消力池基础连接，或将砼基础与远端消能墙基础连接，基础上侧通过预埋件固定主架和辅架，在主架内阵列式分布且固定多个消能单元，形成具有多层消能墙的复合结构透水墙。

每个消能单元分别包括导流基件、内穿拉杆、锁套和侧连杆，导流基件的中部含有一个梭形的圆盘体，圆盘体两侧面分别为凹锥面，圆盘体的轴心有中心孔， 所述的内穿拉杆沿纵向贯穿多个导流基件并固定，内穿拉杆的末端有螺柱段并套固有锁丝，同一内穿拉杆上的相邻导流基件之间套装有锁套，任一锁套的周边固定有侧连杆，不同穿拉杆上的相邻侧连杆依次固定在一起，使最外侧的侧连杆固定在主架的框架上，或者相邻侧连杆同时固定于公共承杆，公共承杆的最外端固定在主架的框架上。

相邻内穿拉杆贯穿多个导流基件并固定后，沿顺水流方向分别固定于主架内。水流冲击表层层消能墙后，通过阵列分布的多个消能单元被分散导流，使纵向水流被分解为多个以消能单元为中心的径向水流，且相邻消能单元处的径向水流相互冲击消能后，再依次进入后续各层消能墙，由后续各层消能墙以同样的消能方式对水流分解消能。

同一内穿拉杆上的相邻导流基件之间还套装有定距支撑管、各定距支撑管的两端分别有锁套（各定距支撑管的两端与相应锁套固定或不固定），通过距支撑管改变相邻导流基件之间的距离，以调整分散水流走向。

位于所述远端消能墙的下游还依次设置上游的导流坡段和下游的逆流坡段，导流坡段沿:坡度向下走向，逆流坡段沿:坡度向上走向，下游河床低于逆流坡段的末端高度。远端消能墙的高度与逆流坡段的末端高度接近，从远端消能墙排出的水流主要冲击回落于逆流坡段的坡中或坡底，并沿逆流坡段向上至末端最高处又泄下，在末端输出形成逆流阻力进而在远端消能墙与逆流坡段之间形成部分回流冲击波，用以抵消末端输出水流动能。

各消能单元的导流基件沿其凹锥面走向分布有导流凸棱，相邻导流凸棱之间区域形成了直导流槽，位于相邻直导流槽区域因水流冲击压力变化形成了对导流基件变化的侧向推力，进而形成使各消能单元通过振动并传递于主架以消能。

穿拉杆上各导流基件能转动。

本发明采用的溢流坝泄洪底流防冲刷消能墙，其基础本身不具有消能功能，不会被水流破坏，可长期存留于通道底层。基础上侧通过预埋件固定主架和辅架，主架用于支撑多个消能单元，辅架用于稳定或连接主架，以保持整体稳定。在主架内阵列式分布且固定多个消能单元，形成具有多层消能墙的复合结构透水墙。将该复合透水消能墙置于消力池与远端消能墙之间的区域，消能过程主要使一部分泄水通过摩擦、旋滚、扩散、撞击、变成热能耗散。将该复合消能墙修筑于消力池前时，能够极大程度上减少高速水流对原有消力池的冲刷和磨损。

本发明消能墙为标准化配件组合墙，利于组装和拆卸以及部件更换维护，建造成本和维护成本低，部件采用耐磨损工程塑料和金属框架，使用寿命长。本发明复合消能墙标准化部件组装关系容易实现局部更换，能对高速水流造成显著的减速效果，降低缓速水流对底流消力池的冲击和磨损，从而有效保护底流消力池，提高工程使用年限。

进一步在各消能单元的导流基件沿其凹锥面走向分布有导流凸棱后，能使位于相邻直导流槽区域因水流冲击压力变化形成了对导流基件变化的侧向推力，进而形成使各消能单元通过振动并传递于主架以消能。

设计使内穿拉杆的主体部分为棱柱形且使穿拉杆与各导流基件能同步一体转动后，在导流基件沿其凹锥面走向螺旋的分布有导流凸棱，相邻导流凸棱之间区域形成了螺旋导流槽，水流冲击导流基件使其转动，同一内穿拉杆上相邻导流基件反向安装使相邻导流基件的螺旋导流槽方向相反，水流冲击相邻导流基件的螺旋导流槽形成沿不同旋转方向的驱动力，分别通过导流基件作用于同一根内穿拉杆形成或正或反向转动做功以实现消能和搅乱水流以改变其方向。具有流态稳定、消能效果好的优点，对地质条件和尾水水位变化适应性较强的优势。

本发明复合消能墙能够有效降低消力池临底流速和脉动压强，保证消力池的运行安全，满足高水头、大单宽流量泄洪水流的消能要求，为底流消能方式应用于高坝建设提供了参考和借鉴。

附图说明

图1是本发明消能墙的应用诗意图。

图2是复合透水消能墙的立体结构示意图。

图3是图2的正面结构示意图。

图4是图2的俯视结构示意图。

图5是图2的侧面结构示意图。

图6是图2中单层消能墙结构示意图。

图7是图6的局部放大示意图。

图8是图7的正面示意图。

图9是图8的俯视示意图。

图10是消能组件的立体示意图。

图11是图10的俯视示意图。

图12是图10的装配示意图。

图13是高速水流通过本发明消能墙后的分流状态示意图。

图14是另一种导流基件的结构示意图。

图15是又一种导流基件的结构示意图。

图16是图15的正面结构示意图。

附图标号：溢流坝主体1，消力池2，复合透水消能墙3，远端消能墙4，导流坡段5，逆流坡段6，下游河床7，基础31，锚杆32，主架33，辅架34，消能单元35，导流基件351，内穿拉杆352，定距支撑管353，锁套354，侧连杆355，螺柱段356，锁丝357，内轴套358，端轴套359，圆盘体3511，凹锥面3512，中心孔3513，键槽3514，直导流槽3515，螺旋导流槽3516。

具体实施方式

高水头、大流量溢流坝常见以底流消能为主其他消能为辅的，例如以底流消能配合挑流和面流消能。底流消能的原理是在高水头、大流量溢流坝下游设消力池、消力坎、消能墙等，促使水流在限定范围内产生水跃，通过水流的内部摩擦、掺气和撞击以消耗多余的能量，具有流态稳定、消能效果好、对地质条件和尾水水位变化适应性较强的优势。通常，在主体泄洪通道底有宽尾墩、消力池和远端有消能墙，溢流坝泄水原动能为9.8Q1H1千瓦，通过多种消能方式降低流量Q1至Q2和减小落差H1至H2，使泄水动能变为9.8Q2H2千瓦，以达到消能目的。但底流消能仍然存在无法解决的矛盾因素，底流消能结构中跌坎高度越大，消力池临底流速和脉动压强越小，水流流态越接近于面流，消能效果相对较差。跌坎高度越小，消力池内水流流态越接近于常规的水跃消能的底流流态，消能效果好，但消力池临底流速较大，容易对底板造成破坏。

本发明采用一种如图2所示的溢流坝泄洪底流防冲刷消能墙，将该复合透水消能墙3置于消力池2与远端消能墙4之间的区域，或者置于消力池2的前端区域或远端消能墙4的前端区域，如图1所示。消能过程主要使一部分泄水通过摩擦、旋滚、扩散、撞击、变成热能耗散。将该复合消能墙修筑于消力池前时，能够极大程度上减少高速水流对原有消力池的冲刷和磨损。

如图2所示的复合透水消能墙3，在泄洪通道底层筑建砼基础31通过锚杆32深植地层深处，或将砼基础与消力池基础连接，或将砼基础与远端消能墙基础连接。基础31本身不具有消能功能，不会被水流破坏，可长期存留于通道底层。

基础31上侧通过预埋件固定主架33和辅架34，主架33用于支撑多个消能单元，辅架34用于稳定或连接主架33，以保持整体稳定。在主架33内阵列式分布且固定多个消能单元35，形成具有多层消能墙的复合结构透水墙。主架33、辅架34和多个消能单元35的分布关系分别参考图3-图5所示。图6仅显示了复合透水消能墙3中的单层消能墙结构。多个消能单元35在主架33内的布局间隙和前后位置关系可根据实际需求而设计确定。

为实现底流消能而修建的底流消力池造价昂贵，工程投资较大，高速水流长期冲刷必然造成对跌坎磨损，磨损后消能效果显著下降，通过常规修复方式无法有效还原，重新筑基施工量大和成本高。但本发明消能墙为标准化配件组合墙，利于组装和拆卸以及部件更换维护，建造成本和维护成本低，部件采用耐磨损工程塑料和金属框架，使用寿命长。如图7-图9所示，在同一单层消能墙内的各相邻消能单元35之间，分别通过侧连杆355固定连接形成整体，前后各相邻消能单元35之间，分别通过内穿拉杆352固定连接。各侧连杆355最终与主架33固定。各内穿拉杆352的末端分别与主架33固定。各侧连杆355分别通过锁套354与相应内穿拉杆352固定。

如图10-图12所示，每个消能单元35分别包括导流基件351、内穿拉杆352、锁套354和侧连杆355。导流基件351的中部含有一个梭形的圆盘体3511，圆盘体3511两侧面分别为凹锥面3512，圆盘体3511的轴心有中心孔3513。将内穿拉杆352沿纵向贯穿多个导流基件351并固定，内穿拉杆352的末端有螺柱段356并套固有锁丝357，同一内穿拉杆352上的相邻导流基件351之间套装有锁套354，任一锁套354的周边固定有侧连杆355，不同穿拉杆352上的相邻侧连杆355依次固定在一起，使最外侧的侧连杆355固定在主架33的框架上。

相邻内穿拉杆352贯穿多个导流基件351并固定后，沿顺水流方向分别固定于主架33内。如图13所示，水流冲击表层层消能墙后，通过阵列分布的多个消能单元35被分散导流，使纵向水流被分解为多个以消能单元35为中心的径向水流，且相邻消能单元35处的径向水流相互冲击消能后，再依次进入后续各层消能墙，由后续各层消能墙以同样的消能方式对水流分解消能。消能过程主要使一部分泄水通过摩擦、旋滚、扩散、撞击、变成热能耗散。高水头、大流量溢流坝还会导致消力池临底流速很高，难于保证消力池自身的泄洪安全，本发明复合消能墙标准化部件组装关系容易实现局部更换，能对高速水流造成显著的减速效果，降低缓速水流对底流消力池的冲击和磨损，从而有效保护底流消力池，提高工程使用年限。

同一内穿拉杆352上的相邻导流基件351之间还套装有定距支撑管353、各定距支撑管353的两端分别有锁套354（各定距支撑管353的两端与相应锁套354固定或不固定），通过距支撑管353改变相邻导流基件351之间的距离，以调整分散水流走向。

下游防护设施的内容、范围和形式，取决于水文、地质、地形、枢纽布置和消能工形式等条件。如图1中，在位于远端消能墙4的下游还依次设置上游的导流坡段5和下游的逆流坡段6，导流坡段5沿1:2坡度向下走向，逆流坡段6沿1:3坡度向上走向，下游河床7低于逆流坡段6的末端高度。远端消能墙4的高度与逆流坡段6的末端高度接近，从远端消能墙4排出的水流主要冲击回落于逆流坡段6的坡中或坡底，并沿逆流坡段6向上至末端最高处又泄下，在末端输出形成逆流阻力进而在远端消能墙4与逆流坡段6之间形成部分回流冲击波，用以抵消末端输出水流动能。

实施例2：在实施例1基础上，又进一步在各消能单元35的导流基件351沿其凹锥面3512走向分布有导流凸棱，如图14所示，相邻导流凸棱之间区域形成了直导流槽3515，位于相邻直导流槽3515区域因水流冲击压力变化形成了对导流基件351变化的侧向推力，进而形成使各消能单元35通过振动并传递于主架33以消能。

实施例3：在还上了2基础上，进一步设计使内穿拉杆352的主体部分为棱柱形，从而穿拉杆352与各导流基件351能同步一体转动。

如图15和图16所示，内轴套358用于支撑导流基件351的端部以提供足够压力使其稳固，内轴套358外侧套装锁套354，两者之间通过内环台阶卡装在一起且能够转动，锁套354外侧通过侧连杆355被固定。

同时，在导流基件351沿其凹锥面3512走向螺旋的分布有导流凸棱，相邻导流凸棱之间区域形成了螺旋导流槽3516，水流冲击导流基件351使其转动，同一内穿拉杆351上相邻导流基件351反向安装使相邻导流基件351的螺旋导流槽3516方向相反，水流冲击相邻导流基件351的螺旋导流槽3516形成沿不同旋转方向的驱动力，分别通过导流基件351作用于同一根内穿拉杆352形成或正或反向转动做功以实现消能和搅乱水流以改变其方向。

实施例4：与实施例3存在近似设计，使内穿拉杆352的主体部分为棱柱形，或在圆柱形主体部分的侧面设平面或沿轴向有凸出或凹陷的位或键槽，以及在内穿拉杆351外侧套装内轴套358，内轴套358中心孔内壁有键槽3514或键，如图15和图16所示，从而穿拉杆352与各导流基件351能同步一体转动。

实施例5：在实施例1基础上，将内穿拉杆352沿纵向贯穿多个导流基件351并固定，内穿拉杆352的末端有螺柱段356并套固有锁丝357，同一内穿拉杆352上的相邻导流基件351之间套装有锁套354，任一锁套354的周边固定有侧连杆355，相邻侧连杆355同时固定于公共承杆，公共承杆的最外端固定在主架33的框架内。

Claims (4)

1.一种溢流坝泄洪底流防冲刷消能墙，溢流坝主体泄洪通道底有消能池，远端有消能墙，其特征在于，消能池(2)与远端消能墙(4)之间的区域或消能池(2)的前端区域或远端消能墙(4)的前端区域，有固定于底层内的复合透水消能墙(3)，复合透水消能墙(3)包括在泄洪通道底层筑建砼基础(31)且通过锚杆(32)深植地层深处，或将砼基础与消能池基础连接，或将砼基础与远端消能墙基础连接，基础(31)上侧通过预埋件固定主架(33)和辅架(34)，在主架(33)内阵列式分布且固定多个消能单元(35)，形成具有多层消能墙的复合结构透水墙，每个消能单元(35)分别包括导流基件(351)、内穿拉杆(352)、锁套(354)和侧连杆(355)，导流基件(351)的中部含有一个梭形的圆盘体(3511)，圆盘体(3511)两侧面分别为凹锥面(3512)，圆盘体(3511)的轴心有中心孔(3513)，所述的内穿拉杆(352)沿纵向贯穿多个导流基件(351)并固定，内穿拉杆(352)的末端有螺柱段(356)并套固有锁丝(357)，同一内穿拉杆(352)上的相邻导流基件(351)之间套装有锁套(354)，任一锁套(354)的周边固定有侧连杆(355)，不同穿拉杆(352)上的相邻侧连杆(355)依次固定在一起，使最外侧的侧连杆(355)固定在主架(33)的框架上，或者相邻侧连杆(355)同时固定于公共承杆，公共承杆的最外端固定在主架(33)的框架上；相邻内穿拉杆(352)贯穿多个导流基件(351)并固定后，沿顺水流方向分别固定于主架(33)内；水流冲击表层层消能墙后，通过阵列分布的多个消能单元(35)被分散导流，使纵向水流被分解为多个以消能单元(35)为中心的径向水流，且相邻消能单元(35)处的径向水流相互冲击消能后，再依次进入后续各层消能墙，由后续各层消能墙以同样的消能方式对水流分解消能。

2.根据权利要求1所述的溢流坝泄洪底流防冲刷消能墙，其特征在于，同一内穿拉杆(352)上的相邻导流基件(351)之间还套装有定距支撑管(353)、各定距支撑管(353)的两端分别有锁套(354)，通过距支撑管(353)改变相邻导流基件(351)之间的距离，以调整分散水流走向。

3.根据权利要求1所述的溢流坝泄洪底流防冲刷消能墙，其特征在于，各消能单元(35)的导流基件(351)沿其凹锥面(3512)走向分布有导流凸棱，相邻导流凸棱之间区域形成了直导流槽(3515)，位于相邻直导流槽(3515)区域因水流冲击压力变化形成了对导流基件(351)变化的侧向推力，进而形成使各消能单元(35)通过振动并传递于主架(33)以消能。

4.根据权利要求1所述的溢流坝泄洪底流防冲刷消能墙，其特征在于，穿拉杆(352)上各导流基件(351)能转动。

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