CN112900381A

CN112900381A - 一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构

Info

Publication number: CN112900381A
Application number: CN202110103582.6A
Authority: CN
Inventors: 张艳艳; 胡晓张; 张康; 刘壮添; 黄春华; 王建平; 莫伟均; 张金明; 王斌; 潘文慰; 侯堋; 王其松; 雷青松; 陈汝荣; 叶智豪
Original assignee: Pearl River Hydraulic Research Institute of PRWRC
Current assignee: Pearl River Hydraulic Research Institute of PRWRC
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2021-06-04

Abstract

本发明公开了一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构，包括水流进口段、竖井、进口扩散段、消力池底板、溢流坎、通气井、底部消力池、竖井出水口；所述通气井设置在竖井中，所述竖井与通气井中间自上而下设有若干消力池底板，消力池底板设有溢流坎构成消力池，水流进口段设置在竖井顶部，竖井底部设有底部消力池，竖井底部设有出水口；该消能工能有效的减少占地面积，提高消能效率，避免水流与坡面脱离，适用于不同流量，可减少工程量，降低工程造价。

Description

一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构

技术领域

本发明涉及竖井跌水消能的研究领域，特别涉及一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构。

背景技术

竖井是一种洞壁直立的井状管道，作为深层排水隧道的进水型式已被广泛采用，其作用是将地表浅层水集中引入至深层隧道，占地面积小，但竖井泄流时水流高度集中，必须采取有效的消能方式进行消能，否则，水流直接跌入竖井会产生巨大的动能，对底板及竖井边壁造成不良影响甚至结构破坏。

目前工程中采用较多的竖井型式有旋流竖井和折板竖井。旋流竖井是在进水口处布置与竖井外壁相切的收缩段，使进口水流加速，利用高速水流在竖井内产生的离心力，将水流旋转起来，沿竖井边壁产生螺旋流，中心为空腔，起到通气的作用，达到消能减蚀的作用。旋流竖井虽然占地面积小，但由于水流难以持续旋转，容易跌入竖井底部，导致旋流竖井消能效率较低。

折板竖井是在竖井中心布置隔板，将竖井分成干区和湿区，干区为通气和检修作用，湿区交错布置隔板，在每级隔板上方布置与干区相通的通气孔，水流从进口跌入对侧二级隔板，然后被迫转向，跌入第三级隔板，依次类推，直至跌入竖井底部水垫层后，从出口溢出。折板竖井相对旋流竖井的优势是消能效率高，劣势是占地面积大，同等面积情况下，通过的流量小。因此，在工程实际应用中都受到限制。

在旋流竖井消能原理的基础上，有采用旋转斜坡的消能结构。该消能结构比旋流竖井消能效果好一些，主要是避免了水流旋转一两周之后跌入竖井底部的现象，起到延长水流路径和提高消能率的作用。但该方案是预先设定好斜坡的坡度，即该方案是针对设计流量或者小流量时设计的比降，而对于大流量有可能出现水流脱离斜面，直冲下去，从而导致消能效率降低的现象。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构，该消能工能有效的减少占地面积，提高消能效率，避免水流与坡面脱离，适用于不同流量，可减少工程量，降低工程造价。主要原理是：水流通过水平进口进入水平扩散段，通过增加断面面积，达到降低流速的目的。然后水流进入第一级消力池内，在溢流坎的作用下，水流形成一定水深，然后沿溢流坎溢出，随后跌入第二级消力池，与消力池内的水垫层发生碰撞，消能后沿溢流坎溢出。然后依次进入第三级、第四级，直至跌入竖井底部，随后从竖井出口溢出。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构，包括水流进口段、竖井、进口扩散段、消力池底板、溢流坎、通气井、底部消力池、竖井出水口；所述通气井设置在竖井中，所述竖井与通气井中间自上而下设有若干消力池底板，消力池底板设有溢流坎构成消力池，水流进口段设置在竖井顶部，竖井底部设有底部消力池，竖井底部设有出水口。

进一步地，所述水流进口段与竖井连接处设有进口扩散段，用于缓冲降速。

进一步地，所述消力池底板设置在竖井内壁和通气井外壁之间。

进一步地，所述消力池底板自上而下螺旋设置在竖井内壁和通气井外壁之间。

进一步地，所述溢流坎有若干个，与消力池底板一一对应设置，形成自上而下的消力池。

进一步地，所述自上而下的消力池，其每一级消力池旋转角度为30°-60°。

进一步地，所述通气井设置在竖井中部，通气井顶部与竖井顶部持平，通气井底部高于竖井底部。

进一步地，所述通气井设有若干通气口，所述通气口呈螺旋状不规则分布在通气井的井壁上。

进一步地，所述竖井出水口底部高于竖井底部。

进一步地，所述底部消力池设置在竖井底部，底部消力池底部与竖井底部持平，底部消力池顶部低于竖井出水口。

本发明的工作过程：

水流通过水平进口进入水平扩散段，通过增加断面面积，达到降低流速的目的。然后水流进入第一级消力池内，在溢流坎的作用下，水流形成一定水深，然后沿溢流坎溢出，随后跌入第二级消力池，与消力池内的水垫层发生碰撞，消能后沿溢流坎溢出。然后依次进入第三级、第四级，直至跌入竖井底部，随后从竖井出口溢出。

具体为：本发明根据水动力学消能原理，当水流从水平进口进入竖井后，先经过一段水平渐扩段，把一部分流速降下来，随后再第一级溢流坎的作用下，在坎前形成一定的水深，水流通过溢流跌入下一级消力池，在水流跌落的过程中，通气井边壁布置的通气孔可以对跌落水流进行充分掺气，进一步提高消能效率。水流跌入第二级消力池后，由于存在水垫层，可以更加充分的消能，随后从第二级消力池溢出，跌入第三级，以此类推，直至跌入竖井下方的水垫层。由于消力池是沿竖井内壁切线方向布置的，所以水流在逐级跌落过程中也呈旋转下降趋势，水流流态比较稳定，消能效率较高。一般溢流坎的高度跟水流厚度相当，可以做到水流能量逐级消耗掉，不产生能量累积。当水流通过最后一级消力池跌入竖井底部时，在竖井底部预先下挖一定深度，形成水垫层，可以进一步消能，并且使水流从竖井出口自然溢出，不会发生跌落水流冲出出口，流速过大的情况。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明公开的适用于竖井泄流消能的旋转消力池结构，适用于不同流量下泄需求，与以往竖井消能工相比，适用的流量范围更广，消能率更高。

2、本发明在竖井内壁布置梯级消力池，通过水流逐级溢流进行消能，与以往旋流竖井和斜坡竖井相比，水流在逐级跌落的过程中，掺气更加均匀，避免竖井内壁由于流速过大产生气蚀的可能性。

3、本发明在每级消力池的末端设置溢流坎，一方面是为了形成一定的水深，溢流流速会比射流流速降低很多，同时消能效率也大大提升。

4、本发明在竖井下方设置水垫层，可以使经过梯级消力池的水流进一步消能，改变水流方向，避免跌下来的水流直接从出口冲出去，消能更充分。

附图说明

图1是本发明所述一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构示意图；

图2是本发明所述实施例中消能结构俯视图；

图3是本发明所述实施例中消能结构切面图；

图4是本发明所述实施例中消能结构部分切面图。

附图中，1-水流进口段，2-竖井，3-进口扩散段，4-消力池底板，5-溢流坎，6-通气井，7-底部消力池，8-竖井出水口，9-通气口。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构，如图1所示，包括水流进口段1、竖井2、进口扩散段3、消力池底板4、溢流坎5、通气井6、底部消力池7、竖井出水口8、通气孔9。所述水流进口段1设置在竖井顶部，水流通过进口段1流入水平扩散段3，随后通过由消力池底板4和溢流坎5组成的消力池消能后，溢流进入下一级消力池；所述通气井6位于竖井的中心，呈圆柱形空腔；所述通气孔9呈螺旋状分布在通气井的边壁上；所述竖井底部消力池7位于竖井下方；所述竖井出口8与底部消力池7相连，水流通过消力池7溢流进入出口8。消能结构俯视图如图2所示，图3为消能结构切面图；图4是消能结构部分切面图。

竖井每级消力池末端布置的溢流坎5的作用是将通过每级消力池前的水位壅高，形成跌水消能。溢流坎的高度由进口的流量决定，流量越大，溢流坎的高度越大。实际工程应用中，溢流坎5的高度一般设为0.3～1.0m，经过试验验证，当取值0.5m时，消能效果较好。

所述的消力池呈螺旋下降型式布置，使得水流再做阶梯消能的同时，沿避免同时旋转下降，与以往旋流竖井相比，起到双重消能作用，消能效果更好。实际工程应用中，每级消力池高差一般设为0.5～1.0m，经过试验验证，当取值0.6m时，消能效果较好。每级消力池旋转角度一般取30～60°，经过试验验证，当取值45°时，消能效果较好。

所述竖井底部消力池7，布置在竖井下方，当水流从最后一级消力池溢出后，跌入消力池7，在消力池内形成一定深度的水垫层，起来很好的消能效果。实际工程应用中，底部消力池深度设为1.0～3.0m，经过试验验证，当取值2.0m时，消能效果较好。

所述竖井出口8与底部消力池7相连，水流通过消力池消能后，从出口8溢出。出口8与进口1夹角一般取0～180°，经过试验验证，当取值90°时，消能效果较好。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构，其特征在于，包括水流进口段、竖井、进口扩散段、消力池底板、溢流坎、通气井、底部消力池、竖井出水口；所述通气井设置在竖井中，所述竖井与通气井中间自上而下设有若干消力池底板，消力池底板设有溢流坎构成消力池，水流进口段设置在竖井顶部，竖井底部设有底部消力池，竖井底部设有出水口。

2.根据权利要求1所述的一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构，其特征在于，所述水流进口段与竖井连接处设有进口扩散段，所述进口扩散段为喇叭口状，横断面随着水流的导入逐渐增大，用于缓冲降速。

3.根据权利要求1所述的一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构，其特征在于，所述消力池底板设置在竖井内壁和通气井外壁之间。

4.根据权利要求3所述的一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构，其特征在于，所述消力池底板自上而下螺旋设置在竖井内壁和通气井外壁之间。

5.根据权利要求4所述的一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构，其特征在于，所述溢流坎有若干个，与消力池底板一一对应设置，形成自上而下的消力池。

6.根据权利要求5所述的一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构，其特征在于，所述自上而下的消力池，其每一级消力池旋转角度为30°-60°。

7.根据权利要求1所述的一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构，其特征在于，所述通气井设置在竖井中部，通气井顶部与竖井顶部持平，通气井底部高于竖井底部。

8.根据权利要求7所述的一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构，其特征在于，所述通气井设有若干通气口，所述通气口呈螺旋状不规则分布在通气井的井壁上。

9.根据权利要求7所述的一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构，其特征在于，所述竖井出水口底部高于竖井底部。

10.根据权利要求7所述的一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构，其特征在于，所述底部消力池设置在竖井底部，底部消力池底部与竖井底部持平，底部消力池顶部低于竖井出水口。