CN112195879A

CN112195879A - 一种水平分层的窄缝消能工

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Publication number: CN112195879A
Application number: CN202011110551.5A
Authority: CN
Inventors: 刁明军; 黄桂兵; 王磊; 王瑶; 贾旺; 孙浩淼; 蒋雷
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2021-01-08
Anticipated expiration: 2040-10-16
Also published as: CN112195879B

Abstract

本发明公开了一种水平分层的窄缝消能工，包括底板和底板两侧对称的边墙，沿水流方向为依次相接的等宽段和窄缝段，所述等宽段的底板各处等宽，所述窄缝段的底板自窄缝起始端到窄缝出口端逐渐收缩；窄缝段的两边墙侧壁横向设置有若干横向贯通侧壁的通槽，从而在侧壁上形成若干齿墩，左右两侧壁上的通槽和齿墩分别对称设置，以左右两个对称齿墩为一层，形成多层齿墩，实现在将过流水体挑射的同时进行水平分层。解决现有窄缝消能工因出口水深较高，导致边墙过高，侧壁动水压强过大威胁边墙稳定，以及水舌不稳定性，挑距过大增加水垫塘的工程投资等问题。

Description

一种水平分层的窄缝消能工

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水库泄洪时的挑流消能工。

背景技术

我国西南地区的水利水电工程具有水头高、河谷狭窄的特点，泄流消能时常采用窄缝式消能工。但通过窄缝式消能工下泄的水流往往挑距较远，厚度较大，具有极高的流速，因此其携带的能量对下游河床甚至主体建筑物具有很强的破坏能力。为了保证建筑物及下游河道的安全，实际工程中通过分散出流来增大有效掺气和入水面积，从而实现能量的耗散和分散。

高拱坝坝身泄流时，一般布置为表孔和中孔，但中孔由于水深和压力较大，出口流速也大，这就导致水流挑距较远，为了达到消能效果好，实现挑距较短，需要慎重选择挑坎类型。

通常情况下，窄缝式消能工是通过收缩出口边墙，使水流横向束窄、纵向拉伸，窄缝消能工体型简单，布置灵活，适应性强。但由于出口边墙收缩，挑离挑坎的射流水舌厚度很大而宽度很小，水舌上部“水冠”容易发生左右摇摆，增加水舌的不稳定；出口水深增大，边墙高度增加，工程耗资加大；水深过高会造成边墙的动水压强过大，边墙的不稳定性增加；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，由于水体束窄后流速变大，挑距增加，不得不增大水垫塘工程规模，投资增加。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种水平分层的窄缝消能工，解决现有窄缝消能工因出口水深较高，导致边墙过高，侧壁动水压强过大威胁边墙稳定，以及水舌不稳定性，挑距过大增加水垫塘的工程投资等问题。

现有窄缝消能工存在的一系列问题的根本是其仅能实现水舌纵向拉伸。基于此，本发明主要构思是在现有窄缝消能工的两侧壁上对称地从窄缝末端向窄缝起始端开设若干通槽，从而在侧壁上形成左右对称的齿墩，齿墩之间为开口。左右对称的齿墩之间过流面相对较窄，使水体纵向拉伸；左右对称的开口之间过流面相对较宽，实现水体水平分层，有效降低水深，减小侧壁动水压强，降低水舌的不稳定性，一定程度上减小挑距。同时，水平分层水体的相互碰撞能够增加流动的紊动和摩擦，从而提高消能效果。

本发明提供的水平分层的窄缝消能工，包括底板和底板两侧对称的边墙，沿水流方向为依次相接的等宽段和窄缝段，所述等宽段的底板各处等宽，所述窄缝段的底板自窄缝起始端到窄缝出口端逐渐收缩；窄缝段的两边墙侧壁横向设置有若干横向贯通侧壁的通槽，从而在侧壁上形成若干齿墩，左右两侧壁上的通槽和齿墩分别对称设置，以左右两个对称齿墩为一层，形成多层齿墩，实现在将过流水体挑射的同时进行水平分层。

上述水平分层的窄缝消能工，进一步地，所述通槽为梯形，梯形的上底位于窄缝段出口边缘线上，梯形的下底位于窄缝段起始端边缘线上。

上述水平分层的窄缝消能工，进一步地，梯形槽体的开设深度相同。

上述水平分层的窄缝消能工，进一步地，所述齿墩为棱锥或/和楔形体。

上述水平分层的窄缝消能工，进一步地，窄缝段起始断面宽度为B，末端断面宽度为b，为了保证水平分层效果较好，优选b＝(0.4～0.5)B，窄缝段的水平长度L＝(1.5～3.0)B。

基于前述构思，上述水平分层的窄缝消能工进一步分为以下两种结构形式。

第一种结构：第一层齿墩为楔形体，且与底板相接成一体，楔形体的顶端边缘线与窄缝起始端边缘线在同一直线上，楔形体的底面位于窄缝段的出口端面上；第二层及以上的齿墩为棱锥，凌锥的底面位于窄缝段的出口端面上，棱锥的顶点位于窄缝起始端边缘线上，且棱锥邻水流侧面为等腰三角形。

优选地，第一层齿墩尾部(水流行进方向的尾部)宽度h₁＝(0.3～0.6)B，顶部宽度h₄＝0.5h₁＝(0.15～0.3)B；第一层与第二层齿墩尾端间距h₂＝(0.25～0.5)B，顶端间距h₅＝(1.5～3.0)h₂＝(0.37～1.5)B；每层齿墩尾部宽度相等(即h₃＝h₁)。

第二种结构：所述齿墩为棱锥，棱锥的底面位于窄缝段的出口端面上，棱锥的顶点位于窄缝起始端边缘线上，且棱锥邻水流的侧面为等腰三角形。

优选地，第一层齿墩尾端(水流行进方向的尾端)最低点距离底板的高度H₁＝(0.25～0.5)B，齿墩尾端宽度H₂＝(0.3～0.6)B；相邻两层齿墩尾端的间距H₃＝H₁＝(0.25～0.5)B，每层齿墩的尾部宽度相等；为了使流体分层流态良好，水舌掺气充分，第一层齿墩顶点距离底板的高度H₅＝(1.5～2.0)H₁＝(0.375～1)B；相邻两个齿墩顶点的间距H₆＝(2.5～3.0)H₃＝(0.625～1.5)B。

本发明中，所述楔形体是底面为矩形，顶部为与底面平行的线段的五面棱柱体。所述楔形体与所述棱锥的区别在于，棱锥的顶部为一个点，楔形体的顶部为与底面平行的线段。

上述水平分层的窄缝消能工，进一步地，以左右对称为一层，齿墩沿窄缝高程设置至少两层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述窄缝消能工将水体分为多层，底部侧壁上所开通槽能够有效降低水深，缓解底部动水压强对侧壁的安全造成威胁，同时解决了现有窄缝消能工中，水舌的顶部由于三面掺气并受空气阻力影响较大，厚度和流速低于主体部分而产生的不稳定性问题，并一定程度上减小挑距，减小水垫塘的工程投资。

2、本发明所述窄缝消能工将水体分层，层与层之间存在空隙，可以增加水体与空气的接触面积，不仅增加了掺气，耗散水体能量，还使得挑流水体的能量可以分散入水，消能效果显著，减轻了对水垫塘底板的冲击和对河床的淘刷。

3、本发明所述窄缝消能工能够使水体水平分层，水平分层水体的相互碰撞能够增加流动的紊动和摩擦，从而提高消能效果。

4、本发明所述通过使水体水平分层，可以降低边墙高度。

附图说明

图1是水平分层为两层时消能工三维结构图；

图2是水平分层为两层时消能工示意图(a俯视图，b正视图，c剖面图)；

图3是水平分层为三层时消能工三维结构图；

图4是水平分层为三层时消能工示意图(a俯视图，b正视图，c剖面图)；；

图1-图4中，1—底板、2—边墙、3—通槽、4—齿墩

图5是实施例1的水平分层的窄缝消能工运行三维效果图(a水舌三维效果图，b水舌横断面形态，c整体效果图)；

图6是实施案例2的水平分层的窄缝消能工运行三维效果图(a水舌三维效果图，b水舌横断面形态，c整体效果图)；

图7是用于高拱坝坝身泄流消能的中孔水平分层为两层的窄缝消能工的效果(a俯视图，b侧视图)；

图8是用于高拱坝坝身泄流消能的中孔水平分层为三层的窄缝消能工的效果(a俯视图，b侧视图)；

图7和图8中，1—泄洪表孔、2—左泄洪中孔、3—右泄洪中孔、4—下游河道边岸、5—表孔挑流水舌的入水区域、6—左中孔挑流水舌的入水区域、7—右中孔挑流水舌的入水区域、8—河道中泓线、9—拱坝坝身；

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明所述水平分层的窄缝消能工作进一步说明。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

本实施例所述的水平分两层的窄缝消能工，形状和构造如图1、图2所示，包括底板和底板两侧对称的边墙，沿水流方向为依次相接的等宽段和窄缝段，所述等宽段的底板各处等宽，所述窄缝段的底板自窄缝起始端到窄缝出口端逐渐收缩；窄缝段的两边墙侧壁横向设置有若干横向贯通侧壁的通槽，从而在侧壁上形成若干齿墩，左右两侧壁上的通槽和齿墩分别对称设置，以左右两个对称齿墩为一层，共设置两层，实现在将过流水体挑射的同时进行水平分层，分为两层。所述通槽为梯形，梯形的上底位于窄缝段出口边缘线上，梯形的下底位于窄缝段起始端边缘线上。梯形槽体的开设深度相同。第一层齿墩为楔形体，且与底板相接成一体，楔形体的顶端边缘线与窄缝起始端边缘线在同一直线上，楔形体的底面位于窄缝段的出口端面上；第二层齿墩为棱锥，凌锥的底面位于窄缝段的出口端面上，棱锥的顶点位于窄缝起始端边缘线上，且棱锥邻水流侧面为等腰三角形。

为减小挑流入水后对河岸的冲刷，窄缝收缩段中心线与河道中泓线的夹角为5°。水平分层从底板以上开始，溢洪道宽度B＝1m，窄缝收缩长度L＝1.67m，出口挑角为0°。第一层齿墩尾部(水流行进方向的尾部)宽度h1＝0.4m，顶部宽度h4＝0.3m；第一层与第二层齿墩尾端间距h2＝0.3m，顶端间距h5＝0.5m；每层齿墩尾部宽度相等(即h₃＝h₁)。

所述齿墩将水舌分为两层，每层水舌对应每层通槽位置，首层水舌末端从距离底板h1＝0.4m，前端从距离底板h4＝0.3m开始，通槽末端宽度h2＝0.3m，通槽前端高度h5＝0.5m，第二层齿墩以上为第二层水舌。

在本实施例中，由于溢洪道出流速度较大，通过水平分层的窄缝消能工后，实现水平分层，增大水舌与空气的接触面积，提高掺气效果；同时增大水舌的入水面积，减少单位面积的入水量，消能明显，降低对河床的冲刷；缩小了水舌的入水长度，降低水垫塘工程规模，减小工程投资；较窄缝水深减小，使得边墙高度变小，压力减小，边墙稳定性增强。

在本实施例中，水体被楔形齿墩水平分为两层，水舌呈倒“土”型，见图5。

实施例2

本实施例所述的水平分三层的窄缝消能工的形状和构造如图3、图4所示，包括底板和底板两侧对称的边墙，沿水流方向为依次相接的等宽段和窄缝段，所述等宽段的底板各处等宽，所述窄缝段的底板自窄缝起始端到窄缝出口端逐渐收缩；窄缝段的两边墙侧壁横向设置有若干横向贯通侧壁的通槽，从而在侧壁上形成若干齿墩，左右两侧壁上的通槽和齿墩分别对称设置，以左右两个对称齿墩为一层，共设置两层，实现在将过流水体挑射的同时进行水平分层，分为三层。所述通槽为梯形，梯形的上底位于窄缝段出口边缘线上，梯形的下底位于窄缝段起始端边缘线上。梯形槽体的开设深度相同。所述齿墩为五面体棱锥，棱锥的底面位于窄缝段的出口端面上，棱锥的顶点位于窄缝起始端边缘线上，且棱锥邻水流的侧面为等腰三角形，两侧面与边墙垂直的直角三角形。

为减小挑流入水后对河岸的冲刷，窄缝收缩段中心线与河道中泓线的夹角为5°。水平分层从底板以上开始，溢洪道宽度B＝1m，窄缝收缩长度L＝1.67m，出口挑角为0°，第一层齿墩尾端(水流行进方向的尾端)最低点距离底板的高度H₁＝0.3m，齿墩尾端宽度H₂＝0.4m；相邻两层齿墩尾端的间距H₃＝H₁，每层齿墩的尾部宽度相等；为了使流体分层流态良好，水舌掺气充分，第一层齿墩顶点距离底板的高度H₅＝0.5m；相邻两个齿墩顶点的间距H₆＝0.7m。

所述齿墩将水舌分为三层，每层水舌对应每层通槽位置。水平分层从底板开始，首层通槽高度H1＝0.3m，楔形齿墩尾部高度为H2＝0.4m，二层通槽尾部高度H3＝0.3m，第二层楔形齿墩尾部高度为H4＝0.4m。

在本实案例中，由于溢洪道出流速度较大，通过水平分层的窄缝消能工后，实现水平分层，增大水舌与空气的接触面积，提高掺气效果；同时增大水舌的入水面积，减少单位面积的入水量，消能明显，降低对河床的冲刷；缩小了水舌的入水长度，降低水垫塘工程规模，减小工程投资；较窄缝水深减小，使得边墙高度变小，压力减小，边墙稳定性增强；缩小了水舌的入水长度，降低水垫塘工程规模，减小工程投资。

在本实案例中，水体被楔形齿墩水平分为三层，水舌呈倒“王”型，见图6。

实施例3

本实施例中，所述水平分层窄缝消能工结构同实施例1，将其用于高拱坝坝身中孔泄洪消能，布置方式如图7所示。布置方案中表孔中心线与拱坝中心线平行且在同一竖直平面上，两中孔关于拱坝中心线对称布置，中孔中心线与拱坝中心线夹角约6°。

表孔尺寸为12.5X16m，出口挑角-10°，中孔尺寸宽度为B＝5m，挑角为0°。用于中孔的水平分层窄缝消能工水平分层从底板以上开始，收缩长度L＝7.5m，首层分层水层末端从距离底板h₁＝1.5m，前端从距离底板h₄＝0.75m开始，通槽末端高度h₂＝1.25m，通槽前端高度h₅＝1.88m，棱锥齿墩尾部高度为h₃＝1.5m。

在本实施例中，通过窄缝消能工的水舌形态与实施例1类似。表孔和中孔挑流水舌上下错开，由于中孔出流速度较大，通过水平分层的窄缝消能工后，实现水平分层，增大水舌与空气的接触面积，提高掺气效果；同时增大水舌的入水面积，减少单位面积的入水量，消能明显，降低对河床的冲刷；缩小了水舌的入水长度，降低水垫塘工程规模，减小工程投资；较窄缝水深减小，使得边墙高度变小，压力减小，边墙稳定性增强。

实施例4

本实施例所述窄缝消能工结构同实施例2，将其水用于高拱坝坝身中孔泄洪消能，布置方式如图8所示。表孔中心线与拱坝中心线平行且在同一竖直平面上，两中孔关于拱坝中心线对称布置，中孔中心线与拱坝中心线夹角约4°。

表孔尺寸为12.5mX16m，出口挑角-10°，中孔尺寸宽度为B＝5m，挑角为0°。用于中孔的窄缝消能工从底板开始水舌水水平分层，收缩长度L＝7.5m。首层通槽开口高度H₁＝1.25m，齿墩尾部高度为H₂＝1.5m，二层通槽高度H₃＝1.25m，齿墩尾部高度为H₄＝1.5m。为了使流体分层流态良好，水舌掺气充分，首层楔形齿墩顶点距底板高度H₅＝7.5m,两个楔形齿墩顶点的距离H₆＝12.5。

在本实施例中，窄缝消能工水舌形态与实施例2类似。表孔和中孔挑流水舌上下错开，由于中孔出流速度较大，通过水平分层的窄缝消能工后，实现水平分层，增大水舌与空气的接触面积，提高掺气效果；同时增大水舌的入水面积，减少单位面积的入水量，消能明显，降低对河床的冲刷；缩小了水舌的入水长度，降低水垫塘工程规模，减小工程投资。

Claims

1.一种水平分层的窄缝消能工，包括底板和底板两侧对称的边墙，沿水流方向为依次相接的等宽段和窄缝段，所述等宽段的底板各处等宽，所述窄缝段的底板自窄缝起始端到窄缝出口端逐渐收缩，其特征在于，窄缝段的两边墙侧壁横向设置有若干左右对称且横向贯通侧壁的通槽，从而在侧壁上形成若干齿墩，左右两侧壁上的通槽和齿墩分别对称设置，以左右两个对称齿墩为一层，形成多层齿墩，实现在将过流水体挑射的同时进行水平分层。

2.根据权利要求1所述窄缝消能工，其特征在于，所述通槽为梯形，梯形的上底位于窄缝段出口边缘线上，梯形的下底位于窄缝段起始端边缘线上。

3.根据权利要求2所述窄缝消能工，其特征在于，梯形槽体的开设深度相同。

4.根据权利要求2所述窄缝消能工，其特征在于，所述齿墩为棱锥或/和楔形体。

5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述窄缝消能工，其特征在于，窄缝段起始断面宽度为B，末端断面宽度为b，且b＝(0.4～0.5)B，窄缝段的水平长度L＝(1.5～3.0)B。

6.根据权利要求5所述窄缝消能工，其特征在于，所述齿墩为棱锥，凌锥的底面位于窄缝段的出口端面上，棱锥的顶点位于窄缝起始端边缘线上，且棱锥邻水流的侧面为等腰三角形。

7.根据权利要求6所述窄缝消能工，其特征在于，第一层齿墩尾端最低点距离底板的高度H₁＝(0.25～0.5)B，齿墩尾端宽度H₂＝(0.3～0.6)B；相邻两层齿墩尾端的间距H₃＝H₁＝(0.25～0.5)B，每层齿墩的尾部宽度相等；第一层齿墩顶点距离底板的高度H₅＝(1.5～2.0)H₁＝(0.375～1.0)B；相邻两个齿墩顶点的间距H₆＝(2.5～3.0)H₃＝(0.625～1.5)B。

8.根据权利要求5所述窄缝消能工，其特征在于，第一层齿墩为楔形体，且与底板相接成一体，楔形体的顶端边缘线与窄缝起始端边缘线在同一直线上，楔形体的底面位于窄缝段的出口端面上；第二层及以上的齿墩为棱锥，棱锥的底面位于窄缝段的出口端面上，棱锥的顶点位于窄缝起始端边缘线上，且棱锥邻水流侧面为等腰三角形。

9.根据权利要求8所述窄缝消能工，其特征在于，第一层齿墩尾部宽度h₁＝(0.3～0.6)B，顶部宽度h₄＝0.5h₁＝(0.15～0.3)B；第一层与第二层齿墩尾端间距h₂＝(0.25～0.5)B，顶端间距h₅＝(1.5～3.0)h₂＝(0.37～1.5)B；每层齿墩尾部宽度相等(即h₃＝h₁)。

10.根据权利要求1所述窄缝消能工，其特征在于，以左右对称为一层，齿墩沿窄缝高程设置至少两层。