CN112095554A - 适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎 - Google Patents

Abstract

本发明所述适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎，包括泄洪洞出口段、与泄洪洞出口段顺水流方向右侧边墙衔接的导水边墙和复合式扭曲折线底板；所述复合式扭曲折线底板的起始端为泄洪洞出口段底板的上游端，末端位于泄洪洞出口段之外且为由第一线段、第二线段形成的折线形，且以泄洪洞底板的轴线为界分为左侧底板和右侧底板，左侧底板为下倾的斜面，右侧底板由两段相切的上扬弧面构成，位于泄洪洞出口段之外的左侧底板边线一端与所述第二线段的端点相接，另一端与平行于第二线段且与泄洪洞出口段顺水流方向左侧边墙相接的第三线段自由端相接，所述复合式扭曲折线底板的折线形末端和位于泄洪洞出口段之外的左侧底板外侧形成出水口。

Description

适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎

技术领域

本发明属于水利、水电工程中的挑流消能设施领域，涉及适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎。

背景技术

挑流消能是水利水电工程中常用的消能形式，特别适用于水头大于70m的中高水头水利水电工程，其主要原理是利用挑流鼻坎将水流挑向空中，并使其扩散，掺入大量空气，然后落入下游河床水垫，形成旋滚进行消能。为保证挑流消能区水流对岸坡冲刷最小，通常需要控制水舌入水位置、入水角度、入水形状、起挑流量等综合水力学参数达到一个最优指标，而控制这些参数的关键点在于挑流鼻坎的结构形式。

对于河谷狭窄、陡峻、弯曲且泄量较大、泄洪洞与河道轴线夹角较大(25°～40°)的水利水电工程，水舌入水位置、入水角度、入水形状、起挑流的控制更为重要，现有工程中的斜切挑坎、燕尾挑坎等结构形式存在以下问题：水舌入水位置更加偏向河道中泓线，对对岸边坡稳定不利；对于单宽流量较大的泄洪洞起挑流量偏大，不利于工程的灵活泄洪；水舌落点位置随流量变化较大，冲刷范围不固定，不利于工程的整体防护。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎，以解决小流量起挑问题，并使水舌落点更加靠近本岸且落点位置较为固定，水下冲击点更靠近河道深泓线本岸一侧，有效减轻对本岸和对岸的冲刷破坏程度。

本发明所述适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎，包括泄洪洞出口段、与泄洪洞出口段顺水流方向右侧边墙衔接的导水边墙和复合式扭曲折线底板；所述复合式扭曲折线底板的起始端为泄洪洞出口段底板的上游端，末端位于泄洪洞出口段之外且为由第一线段、第二线段形成的折线形，第一线段与导水边墙内侧面水平投影的夹角β为10°～40°，长度L3为泄洪洞底板宽度B的1.0～3.0倍，第二线段与第一线段的夹角α为75°～150°，长度L2为泄洪洞底板宽度B的1.5～3.0倍，复合式扭曲折线底板以泄洪洞底板的轴线为界分为左侧底板和右侧底板，左侧底板为下倾的斜面，下倾坡度i为0.1～0.5，右侧底板由两段相切的上扬弧面构成，出口处上扬挑角θ为16°～40°，位于泄洪洞出口段之外的右侧底板边线的水平长度与导水边墙的水平长度相同，位于泄洪洞出口段之外的左侧底板边线一端与所述第二线段的端点相接，另一端与平行于第二线段且与泄洪洞出口段顺水流方向左侧边墙相接的第三线段自由端相接，所述第三线段的长度b为1.8～2.0m；所述复合式扭曲折线底板的折线形末端和位于泄洪洞出口段之外的左侧底板外侧形成出水口。

为了更好的实现本发明的目的，优选了所述复合式挑跌流鼻坎的相关尺寸并且还采用了以下技术方案：

1、将右侧底板两段相切的上扬弧面分别命名为上游弧面和下游弧面，上游弧面半径R1为泄洪洞底板宽度B的15～20倍，下游弧面的半径R2为泄洪洞底板宽度B的5～10倍。

2、泄洪洞出口段的水平长度L1为泄洪洞底板宽度B的0.5～3.0倍，导水边墙的水平长度L4为泄洪洞底板宽度B的2.0～4.0倍。

3、导水边墙的内侧面下部段与右侧底板之间设置有贴角，所述贴角的高度h为贴角斜长L5的0.05～0.15倍。

4、将泄洪洞出口段顺水流方向左侧边墙设计为向外侧凹的弧面，该弧面的半径R3为泄洪洞底板宽度B的30～40倍。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、底板为大倾斜扭面，更加贴合陡峻的河谷地形，可保证水舌在不砸本岸的情况下减小泄洪洞的起挑流量，有利于泄洪洞在不同库水位下的灵活泄洪。

2、由于底板一侧为无边墙下倾式结构，另一侧为带边墙式上扬式结构，使得出口水流在无边墙束缚及大倾斜扭面的共同作用下，水舌更加分散且均匀，入水单宽流量减小，同时入水方向更加垂直于河道轴线，水舌贴着本岸边坡入水，让水舌落点更加靠近本岸，水下冲击点更靠近深泓线本岸一侧，减小水体对对岸的冲击力。

3、水舌落点位置随流量变化不大，落点位置比较固定，因此冲刷范围比较固定，可减小边坡防护范围，节约投资。

4、同桩号左右底板高差较一般扭曲挑坎更大，更加适合大泄量泄洪洞，可使出口水舌流量分配更加均匀。

5、无边墙式结构较常规挑流鼻坎工程量更小，节约造价。

附图说明

图1是本发明所述适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎的示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的A-A剖面图；

图4是图1的B-B剖面图；

图5是对比例所述斜切挑流鼻坎的示意图；

图6是图5的俯视图；

图7是实施例中的复合式挑跌流鼻坎与对比例中的斜切挑流鼻坎的入水形态平面位置对比示意图；

图8是实施例中的复合式挑跌流鼻坎与对比例中的斜切挑流鼻坎的入水形态横断面对比示意图。

图1、图2、图3和图4中，1—泄洪洞出口段，2—复合式扭曲折线底板，3—导水边墙，4—贴角，5—右侧底板边线，6—左侧底板边线，7—第一线段，8—第二线段，9—第三线段。

图5和图6中，1′—泄洪洞出口段，2′—底板，3′—右导水边墙，7′—第一线段，8′—第二线段，10—左导水边墙。

具体实施方式

下面通过实施例和对比例并结合附图对本发明所述适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎作进一步说明。

实施例和对比例的工程概况如下：

某电站的泄洪洞为城门洞型，底板宽度B＝B′＝15m，高度H＝H′＝24m，最大泄量4406.4m3/s，在窄深河谷修建。

针对上述工程，采用实施例和对比例两种不同鼻坎结构进行水工模型试验。

实施例

本实施例采用本发明所述复合式挑跌流鼻坎，其形状和构造如图1、图2、图3、图4所示，包括泄洪洞出口段1、与泄洪洞出口段顺水流方向右侧边墙衔接的导水边墙3和复合式扭曲折线底板2，泄洪洞出口段1的水平长度L1＝32.7m(2.18B)，泄洪洞出口段1顺水流方向左侧边墙为向外侧凹的弧面，该弧面的半径R3＝500m(33.3B)，导水边墙3的水平长度L4＝44.4m(2.96B)。所述复合式扭曲折线底板2的起始端为泄洪洞出口段底板的上游端，末端位于泄洪洞出口段之外且为由第一线段7、第二线段8形成的折线形，第一线段7与导水边墙内侧面水平投影的夹角β为11.3°，长度L3＝22.0m(1.47B)，第二线段8与第一线段7的夹角α为116.5°，长度L2＝26.0m(1.73B)；复合式扭曲折线底板2以泄洪洞底板的轴线为界分为左侧底板和右侧底板，左侧底板为下倾的斜面，下倾坡度i为0.11(俯角6.5°)，右侧底板由两段相切的上扬弧面构成，两段相切的上扬弧面分别命名为上游弧面和下游弧面，上游弧面的半径R1＝280.0m(18.67B)，下游弧面的半径R2＝80.0m(5.33B)，出水处上扬挑角θ＝18.1°；位于泄洪洞出口段之外的右侧底板边线的水平长度与导水边墙3的水平长度相同，位于泄洪洞出口段之外的左侧底板边线一端与所述第二线段8的端点相接，另一端与平行于第二线段且与泄洪洞出口段顺水流方向左侧边墙相接的第三线段9自由端相接，所述第三线段9的长度b为2.0m；导水边墙3的内侧面下部段与右侧底板之间设置有贴角4，所述贴角的高度h＝3.0m(0.07L5)；复合式扭曲折线底板2的折线形末端和位于泄洪洞出口段之外的左侧底板外侧形成出水口。

对比例

本对比例采用斜切挑流鼻坎，其形状和构造如图5、图6所示，括泄洪洞出口段1′、与泄洪洞出口段顺水流方向右侧边墙衔接的右导水边墙3′、与泄洪洞出口段顺水流方向左侧边墙衔接的左导水边墙10和由两段相切的上扬弧面构成的底板2′；泄洪洞出口段1′的水平长度L1′＝32.7m(2.18B′)，右导水边墙3′的水平长L4′＝44.4m(2.96B′)，左导水边墙10的水平长度L7＝24.98m(1.67B′)，泄洪洞出口段顺水流方向左侧边墙及与其衔接的左导水边墙10均为直边墙，右导水边墙3′内侧面下部段与右侧底板之间无贴角。底板2′的起始端为泄洪洞出口段底板的上游端，末端为第一线段7′、第二线段8′形成的折线形出水口，第一线段7′与右导水边墙内侧面水平投影的夹角β′为17°，长度L3′＝14.7m(0.98B′)，第二线段8′与第一线段7′的夹角α′为134°，长度L2′＝11.9m(0.79B′)；底板2′左右侧底板同桩号高程一致，构成底板2′的两段相切的上扬弧面，R1′＝280.0m(18.67B′)，R2′＝80.0m(5.33B′)，出水口上扬挑角θ′＝33.8°。

将上述实施例所述复合式挑跌流鼻坎和对比例所述斜切挑流鼻坎在百年一遇洪水工况下进行水工模型试验，泄洪洞流量Q＝3312.5m³/s。

试验结果如下：

水流经实施例所述复合式挑跌流鼻坎和对比例所述斜切挑流鼻坎的入水形态如图7、图8所示。测得起挑流量对比例为1150m3/s，实施例为574m3/s，实施例比对比例减小了一半；测得实施例远挑距为130m，入水单宽流量31.8m3/s，对比例远挑距为160m，入水单宽流量77.8m3/s，实施例水流落点更靠近本岸，入水点成直线型，基本与河岸平行，且随流量变化不大，对比例入水点更靠近河道轴线，入水形态更加集中；测得左岸岸边最大涌浪实施例为6.4m，对比例为6.0m，实施例略有增大，但是沿程波动范围较对比例更加均匀；测得水下58m左岸最大冲击压强实施例约10～15KPa，对比例约50～60KPa；测得流速分布实施例沿水深递减，对比例沿水深增加，最大流速均为8m/s左右。

从上述试验结果可以看出，在相同洪水工况下，本发明所述复合式挑跌流鼻坎与常规斜切挑流鼻坎相比，起挑流量大幅度减小，水流落点更靠近本岸，入水点成直线型，基本与河岸平行，且随流量变化不大，水流对左岸(对岸)的冲击压强明显降低。

Claims (9)

1.一种适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎，其特征在于包括泄洪洞出口段(1)、与泄洪洞出口段顺水流方向右侧边墙衔接的导水边墙(3)和复合式扭曲折线底板(2)；所述复合式扭曲折线底板(2)的起始端为泄洪洞出口段底板的上游端，末端位于泄洪洞出口段之外且为由第一线段(7)、第二线段(8)形成的折线形，第一线段(7)与导水边墙内侧面水平投影的夹角β为10°～40°，长度L3为泄洪洞底板宽度B的1.0～3.0倍，第二线段(8)与第一线段(7)的夹角α为75°～150°，长度L2为泄洪洞底板宽度B的1.5～3.0倍，复合式扭曲折线底板(2)以泄洪洞底板的轴线为界分为左侧底板和右侧底板，左侧底板为下倾的斜面，下倾坡度i为0.1～0.5，右侧底板由两段相切的上扬弧面构成，出口处上扬挑角θ为16°～40°，位于泄洪洞出口段之外的右侧底板边线的水平长度与导水边墙的水平长度相同，位于泄洪洞出口段之外的左侧底板边线一端与所述第二线段的端点相接，另一端与平行于第二线段且与泄洪洞出口段顺水流方向左侧边墙相接的第三线段(9)自由端相接，所述第三线段的长度b为1.8～2.0m；所述复合式扭曲折线底板(2)的折线形末端和位于泄洪洞出口段之外的左侧底板外侧形成出水口。

2.根据权利要求1所述适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎，其特征在于右侧底板两段相切的上扬弧面分别命名为上游弧面和下游弧面，上游弧面半径R1为泄洪洞底板宽度B的15～20倍，下游弧面的半径R2为泄洪洞底板宽度B的5～10倍。

3.根据权利要求1或2所述适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎，其特征在于泄洪洞出口段(1)的水平长度L1为泄洪洞底板宽度B的0.5～3.0倍，导水边墙(3)的水平长度L4为泄洪洞底板宽度B的2.0～4.0倍。

4.根据权利要求1或2所述适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎，其特征在于导水边墙(3)的内侧面下部段与右侧底板之间设置有贴角(4)，所述贴角的高度h为贴角斜长L5的0.05～0.15倍。

5.根据权利要求3所述适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎，其特征在于导水边墙(3)的内侧面下部段与右侧底板之间设置有贴角(4)，所述贴角的高度h为贴角斜长L5的0.05～0.15倍。

6.根据权利要求1或2所述适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎，其特征在于泄洪洞出口段(1)顺水流方向左侧边墙为向外侧凹的弧面，该弧面的半径R3为泄洪洞底板宽度B的30～40倍。

7.根据权利要求3所述适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎，其特征在于泄洪洞出口段(1)顺水流方向左侧边墙为向外侧凹的弧面，该弧面的半径R3为泄洪洞底板宽度B的30～40倍。

8.根据权利要求4所述适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎，其特征在于泄洪洞出口段(1)顺水流方向左侧边墙为向外侧凹的弧面，该弧面的半径R3为泄洪洞底板宽度B的30～40倍。

9.根据权利要求5所述适用于窄深河谷的复合式挑跌流鼻坎，其特征在于泄洪洞出口段(1)顺水流方向左侧边墙为向外侧凹的弧面，该弧面的半径R3为泄洪洞底板宽度B的30～40倍。

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