CN111979989B - 镊子形水舌横向碰撞消能工 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种镊子形水舌横向(水流左右方向)碰撞消能工，在采用挑流消能方式的泄水建筑物末端底板上，如溢流坝面、溢洪道泄槽或者泄洪洞末端，沿水流方向设置一上游段(前端，即迎流端)尖角设计的、类似于梭形的分流墩，将原泄槽水流分为左右两股水流。分流墩尾部渐渐缩窄，同时挑坎宽度也渐渐缩窄使两股水流的内外两侧边界都进行收缩，挑坎底板设计成反弧型，左右两股水流从挑坎挑出后，水舌在空中相遇从而产生横向(左右方向)碰撞。由于水流流速高，碰撞后水舌在横向产生散裂，达到横向分散水舌的目的，从而达到降低下游冲刷的效果，解决工程的泄洪消能难题，特别针对高水头、大流量、窄河谷工程，能够进一步提高消能效率，进一步减轻水流对下游河床冲刷破坏。

Description

镊子形水舌横向碰撞消能工

技术领域

本发明属于水利水电工程中的泄洪消能领域，特别设计一种应用于泄洪建筑物出口挑坎水舌横向碰撞的消能结构。

背景技术

我国水能资源的70％集中于西南地区，该地区很多水利水电工程的特点是水头高、流量大、河道狭窄，泄洪消能是工程建设的关键性技术难题。为了满足高水头、大流量、窄河谷工程的消能防冲要求，将下泄高速水流尽量沿纵向(上下游方向)拉伸分散，使水舌落水区域远离枢纽大坝等工程建筑物，同时避免对下游河道左右岸岸坡、坡脚的冲刷成为重要的研究内容，如窄缝消能工。但由于窄缝消能工是在出口前对泄流宽度突然进行收缩，加大泄流出口高度，高速水流离开挑坎后，在惯性的作用下，横向很难明显分散，水舌横向仍然很集中，窄缝挑流水舌只是沿纵向拉伸了，水舌落水形状呈“I”形状，落水区水垫塘或河床仍然面临较大的水舌入水冲击力。

水舌空中碰撞是分散挑流水舌的有效措施，传统的挑流水舌空中碰撞消能仅仅是在垂直方向碰撞，即两层挑流水舌在下落过程中，在空中交汇产生碰撞，从而使水舌散裂，增大落水区域面积，从而减小下游落水区水面单位面积的入流量，使原水舌的能量通过碰撞散裂达到分散，可大幅度降低对下游的冲击压力，达到保护下游消能设施(如水垫塘)和河床的目的。下泄水舌在下游消能区入水后，通过与消能区水体的摩阻、强烈紊动掺混、剪切等消能过程，流速进一步降低，达到与下游河道的平顺衔接的效果。

实际上，不少狭窄工程，尽管下游河道狭窄，对窄缝一条线似挑流水舌形状而言，对水舌适当进行横向扩散的空间还是有的，而窄缝挑流消能的缺点就是水舌横向太集中，横向基本没有扩散或者扩散很小，给下游河道水面横向留出的“空档”太宽。这就意味着，从横向分散水流角度来说，下游河道还有泄洪消能潜力可以挖掘，如何挖掘利用好下游河道的泄洪消能潜力，对解决工程泄洪消能问题以及节约投资具有重要意义。目前泄洪挑流水舌在垂直(上下)方向进行碰撞消能的消能工已经有一些研究成果，也有已竣工的相关工程，有代表性的是二滩水电站和溪洛渡水电站等，都采用的是表中孔水舌空中碰撞消能，对水舌横向空中碰撞消能的研究较少。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种镊子形水舌横向(水流左右方向)碰撞消能工，通过使水舌横向(水流左右方向)进行分散和碰撞，达到分散水舌的作用，降低下游冲刷，解决工程的泄洪消能难题，特别针对高水头、大流量、窄河谷工程，能够进一步提高消能效率，进一步减轻水流对下游河床冲刷破坏。

本申请的发明人通过研究发现，针对高水头、大流量、窄河谷工程采用挑流泄洪消能方式，如果在将挑流水舌进行纵向拉伸的同时，能够采取工程措施，在确保水流不冲刷左右岸坡、坡脚的情况下，对水舌横向适当地进行分散，挖掘河道横向泄洪消能的潜力，是减轻水流对下游河床冲刷程度的有力措施。水舌在空中横向碰撞本身也有消能的作用，碰撞散裂达到分散水流能量的目的。

本发明技术方案主要思路是：在采用挑流消能方式的泄水建筑物末端底板上，如溢流坝面、溢洪道泄槽或者泄洪洞末端，沿水流方向设置一上游段(前端，即迎流端)尖角设计的、类似于梭形的分流墩，将原泄槽水流分为左右两股水流。分流墩尾部渐渐缩窄，同时挑坎宽度也渐渐缩窄使两股水流的内外两侧边界都进行收缩，挑坎底板设计成反弧型，左右两股水流从挑坎挑出后，水舌在空中相遇从而产生横向(左右方向)碰撞。由于水流流速高，碰撞后水舌在横向产生散裂，达到横向分散水舌的目的。由于出坎流速较高，挑坎出口宽度收缩，水体高度加大，水舌出坎后沿纵向进行拉伸，碰撞后横向也进行了适度的扩散。左右两股水舌交汇碰撞的夹角可以根据工程条件而定，可以通过调整左右两股水流边界曲率半径大小来增加或者减小碰撞角度，从而控制碰撞后水舌沿横向的散裂程度。挑坎底板根据挑坎出口高程需要选择对应合适的反弧半径进行控制。由于出口左右两侧挑坎流道结构向中间合拢，从平面整体上看起来像一种两边向中间合拢的镊子，故取名为镊子形水舌横向碰撞消能工。

本发明提供的用于挑流水舌横向碰撞的消能工，包括直线段、反弧段(挑坎段)和分流墩，所述直线段位于溢流坝面、溢洪道泄槽或泄洪洞下游，所述反弧段与直线段下游末端相切衔接，所述分流墩由三角段和弧面段一体构成，三角段位于直线段底板上，弧面段位于反弧段底板上，且均沿过流通道水流方向轴线沿程设置；所述三角段为三棱柱形，其水平方向的截面为三角形，截面三角形的顶点所在的棱边与直线段沿水流方向的中轴线垂直相交，三角形的底边与直线段宽度方向平行且与直线段末端平齐；所述弧面段由两个与三角段截面三角形的两条腰所在的棱柱面相切衔接的弧面，和分流墩末端出口端面围成；所述反弧段的底板为弧面，反弧段的两侧边墙为与直线段的垂面边墙相切衔接的弧面，反弧段的两侧边墙分别与分流墩弧面段的两弧面之间形成两个分别独立的收缩过流通道，整体形成镊子形的过流通道。

本发明的上述技术方案，进一步地，所述弧面度段的侧面上设置有侧向掺气坎，以避免边壁出现负压，避免空蚀空化；所述侧向掺气坎优选为在弧面段两侧面对称设置。

本发明的上述技术方案，进一步地，所述侧向掺气坎是通过将弧面段的侧面从某一位置开始至弧面段末端整体向弧面段的中轴线平行，形成沿水流方向的竖向跌坎，作为掺气坎；优选地，平移距离为1.5m～2.0m；优选地，侧向掺气坎设置在弧面段横向宽度最大处两侧，沿侧壁面竖向设置。

本发明的上述技术方案，进一步地，所述分流墩关于过流底板中轴线左右对称，所述两个收缩过流通道关于分流墩左右对称；或，所述分流墩关于过流底板中轴线非对称，所述两个收缩过流通道关于分流墩非对称。在实际工程运用中，可根据实际情况，因势利导，也可将消能工设计成非对称体型，以满足不同的河道地形地势泄洪消能需要；对某些下游河道特别狭窄的工程，还可以将左右两个出口宽度都收缩得很窄，从而增大出口的高度，达到主要对水舌纵向拉伸扩散，碰撞后横向适度扩散的目的。

本发明的上述技术方案，进一步地，两个收缩过流通道的出口为与水流方向垂直的横切线出口，并且与分流墩末端面相接。

本发明的上述技术方案，进一步地，所述分流墩关于过流底板中轴线左右对称，所述两个收缩过流通道关于分流墩左右对称；所述分流墩直线段宽度为B，三角段的截面三角形为等腰三角形，三角形的高为(即三角段沿水流方向的长度)底的3～6倍，三角形的底为(1/3～1/2)B，，三角形的高与底边长度的比的大小应考虑分流墩尖端不会造成水流过大的流态改变，使水流循序渐渐地平稳变化过渡到两个收缩过流通道中；弧面段的侧面为圆弧面，当设置有侧向掺气坎后，侧向掺气坎上下游的圆弧面的圆弧半径相等或不相等，具体根据对左右两侧出口控制宽度和水舌碰撞夹角来确定；所述反弧段两侧边墙弧面为圆弧面。

本发明的上述技术方案，进一步地，在实际工程运用中，可根据实际情况，因势利导，通过控制分流墩圆弧段的弧面的圆弧半径，以及反弧段弧面边墙的圆弧半径控制两个收缩过流通道出口宽度和出口时水体高度，以及两股水舌的碰撞角度，挑坎底板根据挑坎出口高程需要选择对应合适的反弧半径进行控制，以达到更好的横向碰撞消能效果。

本发明的上述技术方案，进一步地，所述分流墩的高度根据实际工程流量大小以及收缩通道的缩窄程度决定，以满足将水流在出口前均完全分为两股为准。

本发明可用于溢流坝下游、溢洪道以及泄洪洞出口的挑流消能，也可以扩展到相邻泄洪建筑物，即利用两个或两个以上的挑坎，通过改变挑坎的出口角度，使水流挑出后在空中横向碰撞，如两条溢洪道或者泄洪洞出口的挑流水舌横向碰撞消能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.由于本发明所述消能工分流墩前端采用尖角设计，横向非常薄，阻水不明显，尾端边界逐步收缩，到反弧段(挑坎)出口收缩到最小，这样过流边壁不会出现负压，挑坎泄流边界压力特性能够满足要求，不会有空化空蚀的危险。

2.通过采用计算机数学模型仿真计算，对传统挑坎和本发明所述挑坎消能效果的比较可以看出，本发明横向碰撞消能工在纵横向分散水流效果均显著，特别是增加了横向分散和碰撞，达到分散水舌，降低下游冲刷的作用，解决工程的泄洪消能难题，特别针对高水头、大流量、窄河谷工程，能够进一步提高消能效率，进一步减轻水流对下游河床冲刷。

附图说明

图1为本发明所述消能工俯视图(垂直于泄洪底板)；

图2为本发明所述消能工侧视图；

图3为现有传统挑坎水舌挑流消能效果图；

图4为本发明所述消能工挑坎水舌横向碰撞效果(右视)；

图5为本发明所述消能工挑坎水舌横向碰撞效果(左视)；

图6为本发明所述消能工挑坎水舌横向碰撞效果(从上游往下游俯视)。

具体实施方式

有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。

实施例1

本发明提供的用于挑流水舌横向碰撞的消能工，结构如图1-2所示，包括直线段、反弧段(挑坎段)和分流墩，所述直线段位于溢流坝面、溢洪道泄槽或泄洪洞下游，所述反弧段与直线段下游末端相切衔接，所述分流墩由三角段和弧面段一体构成，三角段位于直线段底板上，弧面段位于反弧段底板上，且均沿过流通道水流方向轴线沿程设置；所述三角段为三棱柱形，其水平方向的截面为三角形，截面三角形的顶点所在的棱边与直线段沿水流方向的中轴线垂直相交(三角形的顶点为迎流端)，三角形的底边与直线段宽度方向平行且与直线段末端平齐；所述弧面段由两个与三角段截面三角形的两条腰所在的棱柱面相切衔接的圆弧面，和分流墩末端出口端面围成；所述反弧段的底板为圆弧面，反弧段的两侧边墙为与直线段的垂面边墙相切衔接的圆弧面，反弧段的两侧边墙分别与分流墩弧面段的两圆弧面之间形成两个分别独立的收缩过流通道，两个收缩过流通道的出口为与水流方向垂直的横切线出口，并且与分流墩末端面相接。所述分流墩关于过流底板中轴线左右对称，所述两个收缩过流通道关于分流墩左右对称，整体形成镊子形的过流通道。

所述弧面度段的侧面上设置有侧向掺气坎，以避免边壁出现负压，避免空蚀空化；所述侧向掺气坎优选为在弧面段两侧面对称设置。所述侧向掺气坎是通过将弧面段的侧面从某一位置开始至弧面段末端整体向弧面段的中轴线平行，形成沿水流方向的竖向跌坎，作为掺气坎，平移距离为1.5m，侧向掺气坎设置在弧面段横向宽度最大处两侧，沿侧壁竖向设置。

所述分流墩直线段宽度为B，三角段的截面三角形为等腰三角形，三角形的高为(即三角段沿水流方向的长度)底的3倍，三角形的底为0.32B，三角形的高与底边长度的比的大小应考虑分流墩尖端不会造成水流过大的流态改变，使水流循序渐渐地平稳变化过渡到两个收缩过流通道中；弧面段的侧面为圆弧面，侧向掺气坎上下游的圆弧面的圆弧半径相等，圆弧半径R＝0.9732B，弧面段长度为0.6616B，分流墩末端面宽度为0.1568B。如图1所示，BC圆弧的圆心在直线BM上，BC圆弧与直线AB相切，BM垂直于AB，EF圆弧和直线DE相切，EN垂直于DE，EF圆弧和GH圆弧的圆弧半径相等，圆心为N点。通过调整EF圆弧和GH圆弧的圆弧半径，可调整圆弧BC、EF和GH的半径大小，从而达到控制出口宽度和水舌的碰撞角的目的。所述反弧段两侧边墙弧面为圆弧面，圆弧半径R＝B，反弧段的底板圆弧半径R＝B。两个收缩过流通道出口宽度为0.1906B，出口高度为0.27B。

图3为数学模型计算得到的传统的挑坎方式泄洪消能的水舌挑流成果图，从图中可以看出，水舌是集中下泄的，分散程度不好，对高水头、大流量、窄河谷工程而言，水舌在不分散情况下集中下泄将对下游河道产生严重冲刷，甚至危及工程枢纽建筑物安全，两岸岸坡极容易出现垮塌滑坡等灾害，下游两岸护岸护坡工程的投资也会因此而明显增加。

图4-图6是按本实施例体型建模进行计算机数学模型仿真计算的水舌横向空中碰撞消能工的挑流水舌碰撞成果图。从不同的角度都可以看出，碰撞促使水舌横向大幅扩散，分散水流的效果显著，达到了水舌在纵向和横向都进行扩散的目的。计算成果表明，通过控制挑坎体型参数，可以达到使水舌横向碰撞后适当扩散，同时又不冲刷两岸岸坡或者坡脚，对高速水流的能量进行分散，减小下游河道水面单位面积上的入流量，减轻了入流水舌对下游河道的冲刷，挖掘了下游河道的泄洪消能潜力，对保护工程枢纽建筑物、下游河道以及岸坡坡脚都是有利的，大幅度减少下游冲刷防护工程的投资，对工程具有重要意义。

Claims (7)

1.镊子形水舌横向碰撞消能工，其特征在于，包括直线段、反弧段和分流墩，所述直线段位于溢流坝面、溢洪道泄槽或泄洪洞下游，所述反弧段与直线段下游末端相切衔接，所述分流墩由三角段和弧面段一体构成，三角段位于直线段底板上，弧面段位于反弧段底板上，且均沿过流通道水流方向轴线沿程设置；所述三角段为三棱柱形，其水平方向的截面为三角形，截面三角形的顶点所在的棱边与直线段沿水流方向的中轴线垂直相交，三角形的底边与直线段宽度方向平行且与直线段末端平齐；所述弧面段由两个与三角段截面三角形的两条腰所在的棱柱面相切衔接的弧面，和分流墩末端出口端面围成；所述反弧段的底板为弧面，反弧段的两侧边墙为与直线段的垂面边墙相切衔接的弧面，反弧段的两侧边墙分别与分流墩弧面段的两弧面之间形成两个分别独立的收缩过流通道，整体形成镊子形的过流通道；通过控制分流墩弧面段的弧面的曲率半径，以及反弧段弧面边墙的曲率半径控制两个收缩过流通道出口宽度和出口时水体高度，同时控制两股水舌的碰撞角度。

2.根据权利要求1所述消能工，其特征在于，所述弧面段的侧面上设置有侧向掺气坎，所述侧向掺气坎在弧面段两侧壁面对称设置。

3.根据权利要求2所述消能工，其特征在于，所述侧向掺气坎设置在弧面段横向宽度最大处两侧，沿侧壁面竖向设置。

4.根据权利要求1所述消能工，其特征在于，所述分流墩关于过流底板中轴线左右对称，所述两个收缩过流通道关于分流墩左右对称；或，所述分流墩关于过流底板中轴线非对称，所述两个收缩过流通道关于分流墩非对称。

5.根据权利要求1-3中任一权利要求所述消能工，其特征在于，所述分流墩关于过流底板中轴线左右对称，所述两个收缩过流通道关于分流墩左右对称；所述直线段宽度为B，三角段的截面三角形为等腰三角形，三角形的高为底的3~6倍，三角形的底为(1/3~1/2)B；所述弧面段的侧面为圆弧面；所述反弧段两侧边墙弧面为圆弧面。

6.根据权利要求1所述消能工，其特征在于，两个收缩过流通道的出口为与水流方向垂直的横切线出口，并且与分流墩末端面相接。

7.根据权利要求1所述消能工，其特征在于，所述分流墩的高度根据实际工程流量大小以及收缩过流通道的缩窄程度决定，以满足将水流在出口前均完全分为两股为准。

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