CN113605306A - 一种单边扩散与斜切挑坎结合的消能设施 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水利水电泄水建筑技术领域，提供一种单边扩散与斜切挑坎结合的消能设施，包括一个挑坎顶墙、两个挑坎导墙和一个挑坎基座。一方面，本发明的斜切挑坎可灵活调整长度及高度，通过其对上游水流的横向扩散导流，提高水流在空中与空气的接触面积，改善下游水流流态，将一股较大单宽流量的水流横向扩散，在一定程度上降低单宽流量；另一方面，本发明的单边扩散结构摒弃以往传统挑坎较难控制挑射水流方向的缺点，其扩散角度及偏移量处于临界量级，可让下泄水流雾化效应不易影响到周边发电建筑物。
Description
技术领域
本发明属于水利水电泄水建筑技术领域，提供一种单边扩散与斜切挑坎结合的消能设施。
背景技术
在现有消能技术中，消能形式主要分为四种：挑流消能、底流消能、面流消能和戽流消能，其中挑流消能的优势在于：
1)消能比较充分，下泄水流跌水点远离水工建筑物，可使下泄水流对河床的冲刷不危及周边建筑物的安全。
2)历史悠久，技术成熟，结构简单，造价经济，投资节约，适应性强，可运用于大流量泄洪。
3)施工方便，易于检修，挑流鼻坎的体型可根据不同环境灵活变化，能够对水舌导向实施有效控制。
4)能利用不同功能的泄洪洞，组合成为三维立体泄洪结构，形成高效泄洪消能系统。
挑流消能的体型设计主要分为以下种类：连续坎、差动坎、高低坎、斜切坎、扭曲坎、舌型坎、扩散坎、窄缝坎等几种单一的消能结构。挑流消能有许多优点的同时，也存在自身或环境局限性，而目前挑流消能在实际工程中存在的不足之处在于：
1)易对下游河床造成较大冲刷破坏，对工程环境具有较高的要求，需要建筑物下游河床基岩有较高的抗冲能力。
2)空中消能效果不明显，导致下游水流紊动幅度剧烈，水面波动大，影响范围广。
3)时常产生雾化现象，且汛期泄流时雾化程度大、传播范围广，对水电站厂房的选址及防雾等级有严格要求。
为消除下泄水流到达下游河床前的部分能量并将其与之平顺连接，其间常设置不同的挑流消能设施以增加消能率、减少对下游河床的破坏及降低雾化对周边建筑物的影响。受环境地形限制及技术水平等诸多因数影响，部分挑流消能设施结构设计不够合理，当上游水头和流量较大时，会加剧下游河床冲坑深度，导致坝基及边坡被淘刷，严重时甚至会使得大坝倾覆，造成十分严重的灾难性事故；而挑射水流距发电建筑物较近时，雾化影响亦会带来较为沉重的经济损失。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种设计新颖、受力简单、结构合理、造价经济的单边扩散与斜切挑坎结合的消能设施，以实现在相同水头和流量、不加剧发电建筑物附近雾化影响的条件下，增加消能率，减少冲坑深度，提高水利枢纽安全系数。本发明结构兼具引导水流及消能的作用，在保证下泄水流平稳进入下游河床的同时，通过布置单边扩散式与斜切挑坎结合的鼻坎，有效降低出水口一侧水电站厂房附近的雾化影响，减少鼻坎出口单宽流量，提高消能率，减少下游河床冲坑深度，提高水利枢纽安全系数，降低后期维护维修成本。
为了达到上述目的，本发明技术方案：
一种单边扩散与斜切挑坎结合的消能设施，包括一个挑坎顶墙1、两个挑坎导墙2、一个挑坎基座3；左挑坎导墙21和右挑坎导墙22竖直布置在挑坎顶墙1与挑坎基座3两侧，左挑坎导墙21的两端与顶墙左侧面11和挑坎基座左侧面31固定连接，右挑坎导墙22的两端与顶墙右侧面12和挑坎基座右侧面32固定连接，挑流鼻坎33与挑坎基座左侧面31及挑坎基座右侧面32固定连接，挑坎基座出口34与挑坎基座左侧面31及挑坎基座右侧面32不处于垂直状态。左挑坎导墙21和右挑坎导墙22与挑坎顶墙1和挑坎基座3之间连接形成入口。
所述的挑坎基座3，挑坎基座左侧面31与挑坎基座右侧面32根据三个原则设计：挑出水流落点靠近河道下游、远离周边发电建筑物、与空气接触面积大，设计挑坎基座左侧面31与挑坎基座右侧面32长度及扩散角度、偏移量与方向，具体为：延长发电建筑物所在方位一侧或河道上游一侧的挑坎基座侧面长度，缩短消能条件较好一侧的挑坎基座侧面长度，并从挑流鼻坎33圆弧底至出口向外扩散一定的扩散角度或偏移量，以提高下泄水流单宽流量，保证水流均匀横向落入下游河道，最大程度发挥下游河道宽度优势，促使水流横向扩散，达到保护下游河道、调整流速分布的作用，但扩散角不能过大，以免短距离内水体流线无法扩散至最大角度，影响挑坎工作效率。
所述的挑流鼻坎33，挑坎基座左侧面31长度L1与挑坎基座右侧面32长度L1不等，依据上游来流的导向、流量、挑距、扩散角α确定不同的长度比或挑流鼻坎33圆弧曲率半径及角度，扩散角α是指偏移的一侧挑坎导墙2与未偏移时挑坎导墙2的角度，其取值原则为：保证下泄水流平顺通过挑坎一侧，偏移圆心至少布置在鼻坎圆弧底往上游方向以上，且扩散角度不能过大，否则无法发挥最大效果。
本发明的有益效果在于：
1)斜切挑坎可灵活调整长度及高度，通过其对上游水流的横向扩散导流，提高水流在空中与空气的接触面积，改善下游水流流态，将一股较大单宽流量的水流横向扩散，在一定程度上降低单宽流量，使上游水流在空中充分扩散，消除部分机械能，既有利于水流的平稳导流，也利于水流的充分掺气消能，另一部分机械能在水舌落入下游河床后通过水流的剧烈漩滚紊动、横向扩散而消除，进而保证下泄水流顺利导入下游的同时，分散下泄水流的动能，减小冲坑深度，使水流对下游河床和岸坡的危害达到最小，由此而减轻下游的防护工作，带来较大的经济效益，同时也可避免下游水生动物的生存环境因水流紊动剧烈而遭到破坏。
2)单边扩散结构摒弃以往传统挑坎较难控制挑射水流方向的缺点，其扩散角度及偏移量处于临界量级，适用于出水口与水电站厂房较近的水利枢纽，可让下泄水流雾化效应不易影响到周边发电建筑物，由此减轻水电站厂房的防护工作，带来较大的经济效益。
3)斜切挑坎设计简便、易于工程施工、造价经济、易于检修。
4)单边扩散结构受力合理，扩散侧导墙与主流流线夹角角度较小，使得水流能够被平稳顺利地导向扩散一侧，且不易成为空化源。
附图说明
图1为本发明单边扩散与斜切挑坎结合的消能设施三维图示意；
图2、图3、图4、图5、图6和图7分别为单边扩散与斜切挑坎结合的消能设施的左视图、右视图、正视图、后视图、俯视图、仰视图。
图8为挑流鼻坎的俯视图。
图中：1挑坎顶墙；2挑坎导墙；3挑坎基座；
11顶墙左侧面；12顶墙右侧面；
21左挑坎导墙；22右挑坎导墙；
31挑坎基座左侧面；32挑坎基座右侧面；33挑流鼻坎；34挑坎基座出口；
L1挑坎基座左侧面31长度；L2挑坎基座右侧面31长度；α挑流鼻坎扩散角度；L鼻坎圆弧最低点。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明单边扩散与斜切挑坎结合的消能设施包括挑坎顶墙1、挑坎导墙2、挑坎基座3。
图2～图7所示，本实例的单边扩散与斜切挑坎结合的消能设施包括一个挑坎顶墙1(顶墙左侧面11、顶墙右侧面12)、两个挑坎导墙2(左挑坎导墙21、右挑坎导墙22)和一个挑坎基座3(挑坎基座左侧面31、挑坎基座右侧面32、挑流鼻坎33；挑坎基座出口34)，鼻坎圆弧半径为60m，上游始端至圆弧最低点L角度为3.762°，挑坎基座左侧面31长度L1为25.643m，鼻坎圆弧最低点L至挑坎基座左侧面31出口角度为23.038°，挑坎基座右侧面32长度L2为23.758m，鼻坎圆弧最低点L至挑坎基座右侧面32出口角度为17.749°，挑坎基座右侧面32以鼻坎圆弧最低点L为基点往右侧偏移，扩散角度为3.36°，偏移量为1m。
本发明结合实例的工作过程如下：
泄洪时，水流沿着泄洪洞倾泄而下，在抵达挑坎基座出口34前，经过鼻坎圆弧最低点L时通过逐渐扩宽的挑坎基座出口34横向拉伸，消除小部分机械能并降低单宽流量，同时有效控制水流的导向，使其不偏向周边需要保护的发电建筑物。其次水流通过挑流鼻坎33的导流在空中形成“Λ”字挑流形态，极大增加与空气的接触面积，消除部分势能且雾化影响能较少地波及到另一侧发电建筑物，下泄水流落入下游河道时，“Λ”字挑流形态增大了与河床的接触面积，不会发生诸如连续挑坎中水流集中在某一点，而造成此落点因连续被水流冲击，导致冲坑过深的情况，极大降低河床承受下泄水流集中应力的概率，大大增强了消能效果，降低了造价成本及后期维护成本，改善了下游生态环境，极大削弱了高速水能，确保下游河床、岸坡及建筑物等免遭冲刷破坏，有效地解决了泄水建筑物下游消能防冲的问题。
试验研究表明，在校核洪水位1903.7m、流量达1985.2m3/s时，按照本实例的设计，实测在相同水位、流量和砂石粒径及铺设高程(1783.7m)下，三组不同挑流鼻坎结构设计方式的冲坑最低点高程、坑深、冲坑与挑坎轴线垂直距离(发电建筑物位于负方向)、距挑坎出口直线距离、上游坡比和挑距列于表1。
表1三种型式挑流鼻坎结构设计方式冲坑成果表
结果对比表明，采用本发明单边扩散与斜切挑坎结合的消能设施的冲坑最低点高程高、坑深小、挑射水流距发电建筑物远、冲坑距挑坎出口平面垂直距离基本一致、上游坡比小、挑距差大；观测发现，挑射水流纵向和横向扩散效果良好，下游水垫波动较小，消能效果显著。
本发明的新型消能设施可用于泄洪洞或溢洪道与下游河床之间的导流、消能，尤其适用于泄洪流量较大、易造成较深冲坑的泄洪洞。该设施能够使水流落入距离发电建筑物及挡水建筑物较远的下游水垫中，提高水流在空中与空气的接触面积，从而实现高效消能以及与下游水流的平稳衔接，可减小下游河床冲坑深度及水面波动程度，保障周围泄水建筑物、水电站厂房等水利工程设施安全，也避免下游水流紊动幅度剧烈导致的生态和环境破坏。
Claims (1)
1.一种单边扩散与斜切挑坎结合的消能设施，其特征在于，所述的消能设施包括挑坎顶墙(1)、两个挑坎导墙(2)和一个挑坎基座(3)；左挑坎导墙(21)和右挑坎导墙(22)竖直布置在挑坎顶墙(1)与挑坎基座(3)两侧，左挑坎导墙(21)的两端与顶墙左侧面(11)和挑坎基座左侧面(31)固定连接，右挑坎导墙(22)的两端与顶墙右侧面(12)和挑坎基座右侧面(32)固定连接，挑流鼻坎(33)与挑坎基座左侧面(31)及挑坎基座右侧面(32)固定连接，挑坎基座出口(34)与挑坎基座左侧面(31)及挑坎基座右侧面(32)不处于垂直状态；左挑坎导墙(21)和右挑坎导墙(22)与挑坎顶墙(1)和挑坎基座(3)之间连接形成入口；
所述的挑坎基座(3)，挑坎基座左侧面(31)与挑坎基座右侧面(32)根据三个原则设计：挑出水流落点靠近河道下游、远离周边发电建筑物、与空气接触面积大，设计挑坎基座左侧面(31)与挑坎基座右侧面(32)长度及扩散角度、偏移量与方向，具体为：延长发电建筑物所在方位一侧或河道上游一侧的挑坎基座侧面长度，缩短消能条件较好一侧的挑坎基座侧面长度，并从挑流鼻坎(33)圆弧底至出口向外扩散形成扩散角度或偏移量；
所述的挑流鼻坎(33)，挑坎基座左侧面(31)长度L1与挑坎基座右侧面(32)长度L1不等，依据上游来流的导向、流量、挑距、扩散角α确定不同的长度比或挑流鼻坎(33)圆弧曲率半径及角度，扩散角α是指偏移的一侧挑坎导墙(2)与未偏移时挑坎导墙(2)的角度，取值原则为：保证下泄水流平顺通过挑坎一侧，偏移圆心至少布置在鼻坎圆弧底往上游方向以上。
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