CN112127331A - 一种差动反坡式消能掺气结构 - Google Patents

一种差动反坡式消能掺气结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种差动反坡式消能掺气结构。本发明差动式挑坎与阶梯溢流坝面末端台阶水平面相连,反坡式消力池位于直线过渡段之后,差动式挑坎与反坡式消力池通过直线过渡段连接,反坡式消力池布置梯形凸起圆形消能工。本发明通过将差动式挑坎与反坡式消力池相结合,将挑流消能与底流消能两种消能方式相结合,差动式挑坎在垂直方向对水流有较大的扩散,能够有效减弱水流对河床的冲刷。反坡式消力池上设置的梯形凸起圆形消能工能够降低“水翅”高度,优化水流流态,凸起圆形设置在一定程度上减弱空化空蚀危害,延长消能工使用寿命。

Description

一种差动反坡式消能掺气结构
技术领域
本发明涉及一种差动反坡式消能掺气结构,属于水利水电工程中使用的消能设施技术领域。
背景技术
在水利工程建设中,泄水建筑物主要有两大方面的作用就是消能和泄洪,宣泄多余的水流,耗散水流动能,减轻对下游河床的冲刷,增强坝体的稳定性。随着高坝建设发展的需要,以及对消能机理认识的逐步深入,许多新型的消能形式不断出现。目前常见的消能形式主要有底流消能、挑流消能、面流消能等,底流消能主要靠前半区的水跃进行耗散能量,这部分能量比较集中,消力池底板承受荷载集中,造成临底流速和脉动压强等水力学指标偏高,导致消力池底板发生失稳破坏;挑流消能由于挑射水流在空中受大气的拖曳和卷吸作用发生破碎,并在下游水体碰撞时产生激溅,雾化降雨难以避免。因此需要一种在高水头大流量条件下,既能提高消能率,又能掺气减蚀保护下游建筑物,减小下泄水流水面波动的消能结构。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:本发明提供一种差动反坡式消能掺气结构,适用于高水头大流量条件下进行消能掺气减蚀,减小水力学指标,有效提高消能率。
本发明技术方案是:一种差动反坡式消能掺气结构,包括差动式挑坎1、反坡式消力池2、直线过渡段3、梯形凸起圆形消能工4;所述差动式挑坎1与阶梯溢流坝面末端台阶水平面相连,反坡式消力池2位于直线过渡段3之后,差动式挑坎1与反坡式消力池2通过直线过渡段3连接,反坡式消力池2布置梯形凸起圆形消能工4。
进一步地,所述差动式挑坎1包括高坎1-1和低坎1-2;高坎1-1的平面图为前窄后宽,低坎1-2为前宽后窄,高坎1-1侧面为斜面。
进一步地,所述差动式挑坎1中高坎1-1的挑流仰角θ1=25°,低坎1-1的挑流仰角为水平,θ2=0°。
进一步地,所述反坡式消力池2前半部为顺坡,后半部为逆坡,反坡式消力池顺坡坡度i2=1/3~1/2,反坡式消力池逆坡坡度i3=-1/6~-1/4,相对应的逆坡池长LB与第二共轭水深h2的关系为:LB/h2=4.75、LB/h2=4.67或LB/h2=4.9。
进一步地,所述反坡式消力池2反坡段布置梯形凸起圆形消能工4,布置形式为顺梯形排列凸起圆形,即沿水流方向梯形短边在上游侧,梯形长边在下游侧,梯形凸起圆形消能工4圆形半径为r,凸起高度为h,r/h=0.5~0.7。
进一步地,所述反坡式消力池2反坡段布置梯形凸起圆形消能工4,布置形式为逆梯形排列凸起圆形,即沿水流方向梯形长边在上游侧,梯形短边在下游侧,梯形凸起圆形消能工4圆形半径为r,凸起高度为h,r/h=0.5~0.7。
进一步地,所述高坎1-1与低坎1-2的高差a等于收缩断面急流水深h3,a/h3=1;高坎1-1末端宽度为b1,b1/h3=2.5~2.7,低坎1-2末端宽度为b2,b2/b1=3/4;高坎1-1在平面图上的扩张角为25°;齿的侧坡竖横比为1∶0.5。
本发明的有益效果是:
1、水流通过差动式挑坎,差动挑坎的高坎和低坎可把水流“撕开”,在垂直方向能有较大扩散,使水舌入水面积增大,有利于减弱水流对河床的冲刷,高坎的挑角使得射出水流与空气充分接触,能够在水舌底部创造掺气条件,增大掺气浓度。水流经由挑坎下落至反坡式消力池内,与反坡产生的水跃主流相碰撞,紊动强烈,出池水流的波动性减小,尾水波动对岸坡的冲刷减轻。
2、差动式挑坎与反坡式消力池的结合,使水流掺气浓度增加,水流流态趋于平稳,减小对下游岸坡及建筑物的不利影响,消能效果显著。
3、将最易发生空化现象的齿的侧面由直立面改为斜面,同时又保持槽内的水流沿程收缩。使齿槽公用的斜壁上的压力有所增加,从而改善齿槽式挑坎的抗空化性能。
4、反坡段布置梯形凸起圆形消能工优化水流流态,降低“水翅”高度,施工方便,节约成本,水流在凸起圆形消能工之间相互碰撞消耗大量能量,减小了出泄水流的水面波动,减小水流对下游建筑物的冲刷破坏。
5、该组合消能方式对下游冲刷较小,有效保护水利工程中泄水建筑物在高水头、大流量条件下坝体的安全。
附图说明
图1是本发明所述A型消能掺气结构的平面示意图,用于中高水头水电站的底流消能;
图2是图1中差动式挑坎的平面图;
图3是图1中差动式挑坎的俯视图;
图4是图1中Ⅱ-Ⅱ的剖面图;
图5是图1中Ⅱ-Ⅱ挑角示意图;
图6是图1的Ⅰ-Ⅰ剖面图;
图7是本发明所述B型消能掺气结构的平面示意图,用于中高水头水电站的底流消能;
图8是本发明所述C型消能掺气结构的平面示意图,用于中高水头水电站的底流消能。
图9是本发明所述反坡式消力池逆坡段流态示意图。
图1中各标号:1-差动式挑坎、2-反坡式消力池、3-直线过渡段、1-1-高坎、1-2-低坎、b1-高坎末端宽度、b2-低坎末端宽度、a-高坎与低坎的高差、θ1-高坎的挑流仰角、θ2-低坎的挑流仰角、4-梯形凸起圆形消能工、i1-挑流仰角、i2-反坡式消力池顺坡坡度、i3-反坡式消力池逆坡坡度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明作进一步说明。
实施例1,如图1-图6,图9所示,本发明包括差动式挑坎1,反坡式消力池2,直线过渡段3,梯形凸起圆形消能工4;差动式挑坎1位于末级阶梯尾部,反坡式消力池2位于直线过渡段之后,差动式挑坎1与反坡式消力池2通过直线过渡段3连接,反坡式消力池2反坡段设置梯形凸起圆形消能工4;差动式挑坎1的挑流仰角高坎(齿)1-1为θ1=25°,低坎(槽)1-2成水平,θ2=0°;高坎与低坎的高差a等于收缩断面急流水深h3,a/h3=1;高坎末端宽度为b1,b1/h3=2.5,低坎末端宽度为b2,b2/b1=3/4;;高坎在平面图上的扩张角为25°;齿的侧坡竖横比为1∶0.5;反坡式消力池后半部反坡式消力池逆坡坡度为i3=-1/6,相对应的逆坡池长LB一般为LB/h2=4.75,反坡段梯形凸起圆形排列设置为顺梯形。
本实施案例中的A型差动反坡式消能掺气结构的消能率约为60%~75%,减小了消力池出泄水流水面波动,消力池内为淹没水跃,水流紊动强烈。
实施例2,如图2-图7,图9所示,本发明包括差动式挑坎1,反坡式消力池2;直线过渡段3;差动式挑坎1位于末级阶梯尾部,反坡式消力池2位于直线过渡段之后,差动式挑坎1与反坡式消力池2通过直线过渡段3连接;差动式挑坎1的挑流仰角高坎(齿)1-1为θ1=25°,低坎(槽)1-2成水平,θ2=0°;高坎与低坎的高差a等于收缩断面急流水深h3,a/h3=1;高坎末端宽度为b1,b1/h3=2.6,低坎末端宽度为b2,b2/b1=3/4;;高坎在平面图上的扩张角为25°;齿的侧坡竖横比为1∶0.5;反坡式消力池后半部反坡式消力池逆坡坡度为i3=-1/5,相对应的池长LB一般为LB/h2=4.67,反坡段梯形凸起圆形排列设置为顺梯形。
本实施案例中的B型差动反坡式消能掺气结构的消能率约为60%~75%,减小了消力池出泄水流水面波动,消力池内为淹没水跃,水流紊动强烈。
实施例3,如图2-图6,图8-图9所示,本发明包括差动式挑坎1,反坡式消力池2;直线过渡段3;差动式挑坎1位于末级阶梯尾部,反坡式消力池2位于直线过渡段之后,差动式挑坎1与反坡式消力池2通过直线过渡段3连接;差动式挑坎1的挑流仰角高坎(齿)1-1为θ1=25°,低坎(槽)1-2成水平,θ2=0°;高坎与低坎的高差a等于收缩断面急流水深h3,a/h3=1;高坎末端宽度为b1,b1/h3=2.7,低坎末端宽度为b2,b2/b1=3/4;;高坎在平面图上的扩张角为25°;齿的侧坡竖横比为1∶0.5;反坡式消力池后半部反坡式消力池逆坡坡度为i3=-1/4,相对应的池长LB一般为LB/h2=4.9,反坡段梯形凸起圆形排列设置为逆梯形。
本实施案例中的C型差动反坡式消能掺气结构的消能率约为60%~70%,减小了消力池出泄水流水面波动,消力池内为淹没水跃,水流紊动强烈。
本发明的工作原理是:
所述差动式挑坎1包括高坎1-1和低坎1-2;其高坎1-1和低坎1-2可以在垂直方向扩散水流,消耗大部分动能,高坎的平面图为前窄后宽,低坎为前宽后窄,高坎侧面为斜面,这样的体型保持槽内水流沿程收缩,使齿槽公用的斜壁上的压力有所增加,从而改善其抗空化性能;
所述反坡式消力池2前半部为顺坡,后半部为逆坡,根据流量的大小,能发生水跃与挑流;当流量小于设计流量时,前半部发生水跃;当流量过大时,水跃消失,后半部水流以急流状态挑射而出;反坡式消力池顺坡坡度i2=1/3~1/2,反坡式消力池逆坡坡度i3=-1/6~-1/4。
水流经过差动式挑坎1,消耗大部分动能,经由曲线挑射到空中,下落到反坡式消力池2,此组合消能方式可以提高消能率,减少消力池内泥沙淤积问题。
反坡式消力池2逆坡设置梯形凸起圆形消能工4,布置形式主要有以下两种情况:
a型结构:所述反坡式消力池2反坡段布置梯形凸起圆形消能工4,布置形式为顺梯形排列凸起圆形,即沿水流方向梯形短边在上游侧,梯形长边在下游侧,梯形凸起圆形消能工4圆形半径为r,凸起高度为h,r/h=0.5~0.7。
b型结构:所述反坡式消力池2反坡段布置梯形凸起圆形消能工4,布置形式为逆梯形排列凸起圆形,即沿水流方向梯形长边在上游侧,梯形短边在下游侧,梯形凸起圆形消能工4圆形半径为r,凸起高度为h,r/h=0.5~0.7。
本发明通过将差动式挑坎与反坡式消力池相结合,将挑流消能与底流消能两种消能方式相结合,泄水建筑物泄放的高速水流经过挑坎导引,将水流抛射到空中,水流在空中掺入大量空气,且与空气发生摩擦,达到消能掺气的效果;由于曲线作用,形成逐渐扩散的水舌下落到下游消力池,消散水流大部分动能;下游消力池前半部为顺坡,后半部为逆坡,当流量不超过设计流量时,反坡内出现水跃,当流量过大时,水跃消失,水流以急流状态挑射而出,有水跃与挑流双重作用;差动式挑坎在垂直方向对水流有较大的扩散,能够有效减弱水流对河床的冲刷。所述梯形凸起圆形消能工能够降低“水翅”高度,优化水流流态,凸起圆形设置在一定程度上减弱空化空蚀危害,延长消能工使用寿命。
实施例4,本实施例与实施例1、实施例2或实施例3均相同,不同之处在于:反坡式消力池顺坡坡度i2=1/3,高坎1-1的平面图为前窄后宽,低坎1-2为前宽后窄,高坎1-1侧面为斜面。
实施例5,本实施例与实施例1、实施例2或实施例3均相同,不同之处在于:反坡式消力池顺坡坡度i2=1/2,高坎1-1的平面图为前窄后宽,低坎1-2为前宽后窄,高坎1-1侧面为斜面。
实施例6,本实施例与实施例1、实施例2或实施例3均相同,不同之处在于:反坡式消力池顺坡坡度i2=2/5,高坎1-1的平面图为前窄后宽,低坎1-2为前宽后窄,高坎1-1侧面为斜面。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施例,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种差动反坡式消能掺气结构,其特征在于:包括差动式挑坎(1)、反坡式消力池(2)、直线过渡段(3)、梯形凸起圆形消能工(4);所述差动式挑坎(1)与阶梯溢流坝面末端台阶水平面相连,反坡式消力池(2)位于直线过渡段(3)之后,差动式挑坎(1)与反坡式消力池(2)通过直线过渡段(3)连接,反坡式消力池(2)布置梯形凸起圆形消能工(4)。
2.根据权利要求1所述的差动反坡式消能掺气结构,其特征在于:所述差动式挑坎(1)包括高坎(1-1)和低坎(1-2);高坎(1-1)的平面图为前窄后宽,低坎(1-2)为前宽后窄,高坎(1-1)侧面为斜面。
3.根据权利要求2所述的差动反坡式消能掺气结构,其特征在于:所述差动式挑坎(1)中高坎(1-1)的挑流仰角θ1=25°,低坎(1-1)的挑流仰角为水平,θ2=0°。
4.根据权利要求1所述的差动反坡式消能掺气结构,其特征在于:所述反坡式消力池(2)前半部为顺坡,后半部为逆坡,反坡式消力池顺坡坡度i2=1/3~1/2,反坡式消力池逆坡坡度i3=-1/6~-1/4,相对应的逆坡池长LB与第二共轭水深h2的关系为:LB/h2=4.75、LB/h2=4.67或LB/h2=4.9。
5.根据权利要求1所述的差动反坡式消能掺气结构,其特征在于:所述反坡式消力池(2)反坡段布置梯形凸起圆形消能工(4),布置形式为顺梯形排列凸起圆形,即沿水流方向梯形短边在上游侧,梯形长边在下游侧,梯形凸起圆形消能工(4)圆形半径为r,凸起高度为h,r/h=0.5~0.7。
6.根据权利要求1所述的差动反坡式消能掺气结构,其特征在于:所述反坡式消力池(2)反坡段布置梯形凸起圆形消能工(4),布置形式为逆梯形排列凸起圆形,即沿水流方向梯形长边在上游侧,梯形短边在下游侧,梯形凸起圆形消能工(4)圆形半径为r,凸起高度为h,r/h=0.5~0.7。
7.根据权利要求2所述的差动反坡式消能掺气结构,其特征在于:所述高坎(1-1)与低坎(1-2)的高差a等于收缩断面急流水深h3,a/h3=1;高坎(1-1)末端宽度为b1,b1/h3=2.5~2.7,低坎(1-2)末端宽度为b2,b2/b1=3/4;高坎(1-1)在平面图上的扩张角为25°;齿的侧坡竖横比为1∶0.5。
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