CN113718727B - 一种适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池 - Google Patents

一种适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池，所述的突扩跌坎消力池包括挑坎、底部跌坎、突扩、边墙、底板、尾坎；所述的突扩跌坎消力池设置在溢洪道泄槽下游；在挑坎下部设置有底部跌坎；底部跌坎两侧与边墙的下部连接；在底部跌坎两侧上部，边墙的中部及上部连接设置有突扩；边墙呈对称设置；在对称设置的边墙末端设置有尾坎，尾坎两侧与边墙末端侧边连接；所述的挑坎设置有一定俯角。本发明可显著降低消力池临底水力指标、增大消能率，能够提高高水头、大单宽泄量、对雾化有严格要求的泄水消能建筑物的安全性能。

Description

一种适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池
技术领域
本发明属于水利水电工程技术领域，尤其是涉及一种适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池结构参数及设计方法技术领域。
背景技术
水利水电工程中，消力池是一种常用消能工，与面流及挑流消能相比，具有形态稳定、消能效果好、雾化小等特点。但由于其底部主流流速较高，常需对下游一定长度范围内的河床进行衬护，并形成消力池对泄流水体加以控制，防止发生破坏性冲刷，工程量较大。一般地，常见消力池有下挖式消力池、尾坎式消力池、综合式消力池等型式。大泄量高水头底流消能因入池流速高，泄洪功率大，一来可能对消力池过流面产生严重冲刷，二者水跃发生区泄流的强烈紊动与结构相互作用形成剧烈的流激振动，可导致结构失稳、基础冲蚀。一般而言可通过延长消力池长度，增加消力池宽度和水垫深度，增加混凝土衬砌厚度来防止消力池破坏，但采用上述方法加大了工程投资。如果将消力池体型进行优化，通过消力池两侧边墙突扩、消力池上游侧突跌两种急剧变化体型，产生可控制的急剧紊乱水流，保证形成的横轴漩涡及立轴漩涡在距离结构面一定安全距离处强烈翻滚消杀大量能量，可进一步提高消能率，缩小消力池尺寸，并减小消力池结构尺寸，具有重要的理论价值与工程意义。
发明内容
本发明正是为了解决上述问题缺陷，提供一种适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池。本发明可显著降低消力池临底水力指标、增大消能率，能够提高高水头、大单宽泄量、对雾化有严格要求的泄水消能建筑物的安全性能。
本发明采用如下技术方案实现。
一种适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池，本发明所述的突扩跌坎消力池包括挑坎1、底部跌坎2、突扩3、边墙4、底板5、尾坎6；所述的突扩跌坎消力池设置在溢洪道泄槽下游；在挑坎1下部设置有底部跌坎2；底部跌坎2两侧与边墙4的下部连接；在底部跌坎2两侧上部，边墙4的中部及上部连接设置有突扩3；边墙4呈对称设置；在对称设置的边墙4末端设置有尾坎6，尾坎6两侧与边墙4末端侧边连接；所述的挑坎1设置有一定俯角。
进一步为，本发明所述的挑坎1上游侧与泄槽相切，下游侧通过一挑角α与消力池突扩跌坎相连接，α设置为圆弧末端切线与水平线夹角；所述的α根据下游水位及跌坎高度确定，为保证形成横轴旋涡稳定具有良好消能效果，水流流态中横轴旋涡既不贴近池底对底板造成剪切破坏，又不过于贴近表面，形成面流流态，设置为0-8°。
进一步为，本发明所述的底部跌坎2坡度设置为1：a，其中a为跌坎面的坡度值，为保证水流横轴旋涡距离坡面一定距离，坡度a设置为0～0.4。
进一步为，本发明所述的底部跌坎2高度设置为H1，H1不低于8m。跌坎高度与挑角α有关，不宜过小，但过大又宜造成投资增加，具体横轴旋涡中心以下不宜小于5m。
进一步为，本发明所述的突扩3与边墙4之间的坡度设置为1：b，为保证水流数轴旋涡稳定并方便施工开挖，b设置为0～0.4。
进一步为，本发明所述的突扩3宽度设置为B，B为挑坎1末端与边墙4同一水平高程距离，所述的B不小于10m。
进一步为，本发明所述的突扩3与边墙4的高度设置为H2，所述的H2满足工程运行水面深度要求。
进一步为，本发明所述的尾坎6高度设置为H3，H3满足下游控制水深为跃首发生在挑坎1末端时所对应消力池首部水深的1.1～1.3倍。
进一步为，本发明所述的尾坎6其反坡坡度设置为1：c，方便与建筑物及地形衔接平顺即可，其中c为尾坎面坡度值，c设置为0～3。
本发明所述突扩跌坎消力池的设计方法，包括以下步骤：首先确定设计运行最大临底流速Umax，根据确定的最大临底流速，按照拟合公式
Figure BDA0003251070120000031
求得跌坎高度，其中q为消力池内单宽流量，H为上游水位距离消力池底板高程差，消力池首部水深通过公式
Figure BDA0003251070120000032
其中q'为泄槽内单宽流量，H0为库水位与泄槽末端高差，
Figure BDA0003251070120000033
为流速系数，取0.95，h0为泄槽末端水深；
尾坎高度通过公式H3＝1.4～1.6h计算；
水跃长度L1可通过公式L1＝9.4(Fr1-1)h0估算得到，Fr1为挑坎末端弗汝德数，突扩跌坎消力池大大提高了消能率，池长估算公式按L'＝(0.6～0.7)L1，跌坎两侧突扩宽度取10m。
本发明与一般消力池相比最大的特点及优势是，通过对构造体型的创新设计和巧妙布置，改变了常规消力池主要依靠横轴旋涡消除能量的机理，突扩两侧形成的竖轴旋涡改变了常规消力池的水流流态，形成横轴、竖轴混合旋涡，形成旋涡距离固体边界具有一定安全距离，保证了水流能量消杀充分，并相对常规消力池缩短了长度。
本发明在泄槽下泄的水流通过一定俯角挑坎进入消力池后采用底部跌坎、两侧斜面突扩、尾坎反坡体型，呈现出表面水跃漩滚和下部射流横轴反向漩滚、以及主流两侧回流立轴漩滚共同作用的混合消能流态特点。显著降低临底水力指标、增大消能率、减小流激振动，带一定坡度的跌坎、突扩与地形相适应，减少开挖量，节约工程投资。实现了本发明所述的适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池的功能。
本发明具有以下有益效果：
1、设置了本发明所述高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池后，可明显降低临底水力指标、消力池内水流极其紊乱消能效果好、流激振动小、适宜高水头、大单宽泄量底流消能的消力池。
2、可较常规消力池整体尺寸小，形成满足消能需要的紊乱流态，消杀大量能量，并距离结构面一定距离，避免了过流面发生破坏。
3、泄槽下泄的水流进入消力池后采用底部跌坎、两侧斜面突扩、尾坎反坡体型，呈现出表面水跃漩滚和下部射流横轴反向漩滚、以及主流两侧回流立轴漩滚共同作用的混合消能流态特点。显著降低临底水力指标、增大消能率、减小流激振动，带一定坡度的跌坎、突扩与地形相适应，减少开挖量，节约工程投资。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步解释。
附图说明
图1为本发明新型消力池的立体结构示意图。
图2为本发明新型消力池的平剖面结构示意图。
图3为本发明新型消力池的纵剖面结构示意图。
具体实施方式
见图1，图2，图3所示。
一种适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池，本发明所述的突扩跌坎消力池包括挑坎1、底部跌坎2、突扩3、边墙4、底板5、尾坎6；所述的突扩跌坎消力池设置在溢洪道泄槽下游；在挑坎1下部设置有底部跌坎2；底部跌坎2两侧与边墙4的下部连接；在底部跌坎2两侧上部，边墙4的中部及上部连接设置有突扩3；边墙4呈对称设置；在对称设置的边墙4末端设置有尾坎6，尾坎6两侧与边墙4末端侧边连接；所述的挑坎1设置有一定俯角。
进一步为，本发明所述的挑坎1上游侧与泄槽相切，下游侧通过一挑角α与消力池突扩跌坎相连接，α设置为圆弧末端切线与水平线夹角；所述的α根据下游水位及跌坎高度确定，设置为0-8°。
进一步为，本发明所述的底部跌坎2坡度设置为1：a，其中a为跌坎面的坡度值，坡度a设置为0～0.4。
进一步为，本发明所述的底部跌坎2高度设置为H1，H1不低于8m。
进一步为，本发明所述的突扩3与边墙4之间的坡度设置为1：b，b设置为0～0.4。
进一步为，本发明所述的突扩3宽度设置为B，B为挑坎1末端与边墙4同一水平高程距离，所述的B不小于10m。
进一步为，本发明所述的突扩3与边墙4的高度设置为H2，所述的H2满足工程运行水面深度要求。
进一步为，本发明所述的尾坎6高度设置为H3，H3满足下游控制水深为跃首发生在挑坎1末端时所对应消力池首部水深的1.1～1.3倍。
进一步为，本发明所述的尾坎6其反坡坡度设置为1：c，其中c为尾坎面坡度值，c设置为0～3。
本发明所述突扩跌坎消力池的设计方法，包括以下步骤：首先确定设计运行最大临底流速Umax，根据确定的最大临底流速，按照拟合公式
Figure BDA0003251070120000061
求得跌坎高度，其中q为消力池内单宽流量，H为上游水位距离消力池底板高程差，消力池首部水深通过公式
Figure BDA0003251070120000062
其中q'为泄槽内单宽流量，H0为库水位与泄槽末端高差，
Figure BDA0003251070120000063
为流速系数，取0.95，h0为泄槽末端水深；
尾坎高度通过公式H3＝1.4～1.6h计算；
水跃长度L1可通过公式L1＝9.4(Fr1-1)h0估算得到，Fr1为挑坎末端弗汝德数，突扩跌坎消力池大大提高了消能率，池长估算公式按L'＝(0.6～0.7)L1，跌坎两侧突扩宽度取10m。
实施例：
某水电站采用该结构的突扩跌坎消力池，括与消力池相连接的挑坎1，带一定坡度的底部跌坎2，带一定坡度的两侧突扩3，带一定坡度的消力池边墙4，消力池底板5，尾坎6。
其中底部跌坎2高度不宜小于8m，
两侧突扩3宽度为距离泄槽同一水平面最近距离不宜小于10m，
底部跌坎2与突扩3的坡度为1:0～1:0.4，
尾坎6高度为跃首发生在挑坎末端时所对应消力池首部水深的1.1～1.3倍。
作为优选的是，所述跌坎2高度为15.7m，突扩3宽度B为10m，尾坎6高度为下游控制水位为跃首发生在挑坎1末端对应消力池上游水深的1.2倍。
其中，所述两侧突扩3关于泄槽对称布置，下泄水流在消力池首部，经过底部跌坎2、两侧突扩3后水流在表面水跃漩滚和下部射流横轴反向漩滚、以及主流两侧回流立轴漩滚共同作用的混合消能流态特点。显著降低临底水力指标、增大消能率、减小流激振动，带一定坡度的跌坎、突扩、尾坎与地形相适应，将传统铅直挡墙变为贴坡结构，节约工程投资。
设计洪水标准下下泄流量10400m3/s，溢洪道宽度为84m，单宽流量123.81m2/s，最大临底流速取10m/s、14m/s对应跌坎高度分别为22.26m、8.45m，综合地形地质条件，最终跌坎高度取15.7m，带入
Figure BDA0003251070120000071
此时最大临底流速为11.5m/s，满足抗磨要求，将跌坎高度带入公式
Figure BDA0003251070120000072
求得跃前水深为20.14m，带入公式H3＝1.4～1.6h，计算求得尾坎高度为28～32m，取30m。L'＝(0.6～0.7)L1，计算结果为117～136m，为保证工程安全最终取值135m。
结合地形左右侧边坡坡度1:0.3，跌坎及突扩坡度1:0.4，尾坎坡度1:2.5。
模型试验及原型观测表明梯形消力池明显降低了临底流速，提高了消能率，减小了流激振动，避免两侧边墙空化空蚀，将两侧的重力式挡墙变化为贴坡室挡墙，节省了工程投资。使下游两岸岸坡得到了很好的保护。
以上所述的仅是本发明的部分具体实施例，方案中公知的具体内容或常识在此未作过多描述。应当指出，上述实施例不以任何方式限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池，其特征在于，所述的突扩跌坎消力池包括挑坎(1)、底部跌坎(2)、突扩(3)、边墙(4)、底板(5)、尾坎(6)；所述的突扩跌坎消力池设置在溢洪道泄槽下游；在挑坎(1)下部设置有底部跌坎(2)；底部跌坎(2)两侧与边墙(4)的下部连接；在底部跌坎(2)两侧上部，边墙(4)的中部及上部连接设置有突扩(3)；边墙(4)呈对称设置；在对称设置的边墙(4)末端设置有尾坎(6)，尾坎(6)两侧与边墙(4)末端侧边连接；所述的挑坎(1)设置有一定俯角；
所述突扩跌坎消力池的设计方法包括以下步骤：首先确定设计运行最大临底流速Umax，根据确定的最大临底流速，按照拟合公式
Figure FDA0003740042170000011
求得跌坎高度，其中q为消力池内单宽流量，H为上游水位距离消力池底板高程差，
消力池首部水深通过公式
Figure FDA0003740042170000012
其中q'为泄槽内单宽流量，H0为库水位与泄槽末端高差，
Figure FDA0003740042170000013
为流速系数，取0.95，h0为泄槽末端水深；
尾坎高度通过公式H3＝1.4～1.6h，计算；
水跃长度L1通过公式L1＝9.4(Fr1-1)h0估算得到，Fr1为挑坎末端弗汝德数，突扩跌坎消力池大大提高了消能率，池长估算公式按L'＝(0.6～0.7)L1，跌坎两侧突扩宽度取10m。
2.根据权利要求1所述的适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池，其特征在于，所述的挑坎(1)上游侧与泄槽相切，下游侧通过一挑角α与消力池突扩跌坎相连接，α设置为圆弧末端切线与水平线夹角；所述的α根据下游水位及跌坎高度确定，设置为0-8°。
3.根据权利要求1所述的适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池，其特征在于，所述的底部跌坎(2)坡度设置为1：a，其中a为跌坎面的坡度值，坡度a设置为0～0.4。
4.根据权利要求1所述的适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池，其特征在于，所述的底部跌坎(2)高度设置为H1，H1不低于8m。
5.根据权利要求1所述的适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池，其特征在于，所述的突扩(3)与边墙(4)之间的坡度设置为1：b，b设置为0～0.4。
6.根据权利要求1所述的适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池，其特征在于，所述的突扩(3)宽度设置为B，B为挑坎(1)末端与边墙(4)同一水平高程距离，所述的B不小于10m。
7.根据权利要求1所述的适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池，其特征在于，所述的突扩(3)与边墙(4)的高度设置为H2，所述的H2满足工程运行水面深度要求。
8.根据权利要求1所述的适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池，其特征在于，所述的尾坎(6)高度设置为H3，H3满足下游控制水深为跃首发生在挑坎(1)末端时所对应消力池首部水深的1.1～1.3倍。
9.根据权利要求1所述的适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池，其特征在于，所述的尾坎(6)其反坡坡度设置为1：c，其中c为尾坎面坡度值，c设置为0～3。
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