CN114482194B - 一种优化梯形河道断面明渠横向取水流态的整流结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化梯形河道断面明渠横向取水流态的整流结构，包括主河道和分河道，在分河道两侧设有边坡，在主河道与分河道之间设有圆弧型衔接段，在取水口口门两侧河底与边坡交界处分别设有导流墩。采用圆弧型衔接段以改变分离点的位置从而减小边界层分离现象，使得水流可以更平顺的过渡到分河道中，同时在取水口口门两侧河底与边坡交界处设置一组导流墩，改善回流路径，使水流顺畅的进入取水口口门，从而进一步对横向取水造成的复杂流态进行优化。本发明可以有效改善取水过程中出现的漩涡和回流这两大主要的复杂流态，减小漩涡和回流对取水口附近流态和河床泥沙的影响，使得水流平顺地流向进水口，提高取水口的工作效率和运行的稳定性。

Description

一种优化梯形河道断面明渠横向取水流态的整流结构

技术领域

本发明涉及一种优化梯形河道断面明渠横向取水流态的整流结构，属于水利工程技术领域。

背景技术

明渠横向取水是被广泛应用的取水方式之一，经常被用于火电站、核电站和长距离引水工程中。然而，在主河道与横向取水口交界处，由于水流受到横向取水的影响，出现指向分槽的横向流动，水流发生弯曲，纵向流速也有所衰减。而且，由于离心力及垂向流速梯度导致产生螺旋流动，使水流脱离主河道，产生漩涡和回流等复杂流态，形成相当复杂的三维流动，使得取水口附近的水力特性较为复杂，其中取水过程和泵站的运行造成危害的复杂流态主要有两个：一是衔接段附近产生的表面漩涡，二是在分河道内产生的回流。两者会在一定程度上对取水口以及分河道内的流速分布造成影响，对流态产生不利影响，降低取水效率降低，甚至影响工程安全。

已有研究表明，在横向取水过程中产生的复杂流态会带来不利影响，其影响因素和相关水力学机理有待完善，根据目前两种复杂流态产生机理的分析可以发现，两种复杂流态均主要与河道断面尺寸、流速、取水口体型等有关。其中河道断面尺寸和流速受自然条件影响较大，人为控制的可能性较小。因此，主要通过调整取水口体型等一系列整流措施来优化横向取水时的流态，为得到最佳的水力优化效果，采用何种整流措施及其相关参数设计亟待解决。

发明内容

本发明针对横向取水时流态较为复杂的问题，提出了一种优化梯形河道断面明渠横向取水流态的整流结构，一定程度上解决了横向取水过程中的流态问题，有效的改善了漩涡和回流这两大主要的复杂流态，减小漩涡和回流对取水口附近流态和河床泥沙的影响，使得流态更为平顺，提高取水口的工作效率。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种优化梯形河道断面明渠横向取水流态的整流结构，包括主河道和分河道，在所述分河道两侧设有边坡，在所述主河道与分河道之间设有圆弧型衔接段，在取水口口门两侧河底与边坡交界处分别设有导流墩。

进一步地，所述分河道的边坡比为1:2.5。

进一步地，所述圆弧型衔接段的底部和顶部边线均为圆弧，其所对应的圆心角为90°。

进一步地，所述底部圆弧的半径为分河道底部宽度的0.66~0.86倍，所述顶部圆弧的半径为分河道底部宽度的0.33~0.53倍。

进一步地，所述导流墩前端为半圆形结构。

进一步地，所述导流墩长和厚分别为分河道底部宽度的1.67~1.74倍和0.06~0.09倍。

进一步地，所述导流墩的高度与分河道内的水深相同。

本发明所达到的有益效果：

（1）本发明的圆弧型衔接段作为主河道与分河道之间的过渡方式，使得水流扩散趋势有所缓解，使分离点靠近衔接处末端，减缓边界层分离，有效的改善了衔接处漩涡现象，使得流态更为平顺。

（2）本发明的位于口门两侧河底与边坡交界处的导流墩则对取水口口门附近的水流起到进一步的导流作用，同时改善了回流路径，大大减小了回流发生的可能性，对横向取水造成的复杂流态有了明显优化。

（3）本发明所提出的整流结构简单，便于安装建设，造价较低，又在一定程度上保证了取水宽度，同时也使横向取水所出现的漩涡、回流等不良流态的影响范围得到明显减小，大大的提高了取水口的工作效率。

附图说明

图1是传统河道明渠河道横向进水结构示意图；

图2是本发明一种优化梯形河道断面明渠横向取水流态的整流结构的三维示意图；

图3是本发明一种优化梯形河道断面明渠横向取水流态的整流结构的平面结构示意图；

图4是传统河道明渠河道横向进水结构（a）和本发明结构（b）的速度云图；

图5是传统河道明渠河道横向进水结构（a）和本发明结构（b）的涡量云图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

对比例1

主河道水流运动较为规律，分别在位于横向取水口上、下游的主河道上布置1组垂直于水流运动方向的监测断面，每个监测断面上设有6个监测点，并沿水深方向设置1个监测点。取水口衔接段和分河道这两个区域中在分河道中垂直于水流运动方向共布置5组监测断面，每个监测断面上设有5个监测点，并沿水深方向设置2个监测点，并依据地形对监测点作出细微调整。

如图1所示，为传统河道明渠河道横向进水结构，试验工况设置为落潮即上游来水，取水口按设计工况运行，对近表层水面的流速和涡量进行监测，如图4（a）和图5（a）所示，直观的观察到传统进水结构中在主河道与横向取水口衔接处的上游侧存在高流速区域，取水口内的分河道存在局部低流速区，使得分河道内流速分布复杂，水流流态较差，影响取水效率。同时衔接处附近存在一条明显的涡带，涡带长度约占分河道宽度的54.6%，影响范围较大。

实施例1

如图2和图3所示，本发明一种优化梯形河道断面明渠横向取水流态的整流结构，包括主河道1和分河道2，在所述分河道2两侧设有边坡3，所述分河道2的边坡比为1:2.5。

在所述主河道1与分河道2之间设有圆弧型衔接段4，以减小边界层分离现象。采用圆弧过渡，使水流扩散趋势有所缓解，减缓流速降低的速率，使分离点更靠近衔接处末端。改善衔接处漩涡现象。所述圆弧型衔接段4的底部和顶部边线均为圆弧，其所对应的圆心角为90°。所述底部圆弧的半径为分河道底部宽度的0.66倍，所述顶部圆弧的半径为分河道底部宽度的0.33倍，圆弧半径的大小根据高度的增加而均匀缩小。

在取水口口门两侧河底与边坡交界处分别设有导流墩5，以改善回流路径，对横向取水造成的复杂流态进行优化。所述导流墩5前端为半圆形结构。所述导流墩长和厚分别为分河道底部宽度的1.67倍和0.06倍，所述导流墩5的高度与分河道内的水深相同。

主河道水流运动较为规律，分别在位于横向取水口上、下游的主河道上布置1组垂直于水流运动方向的监测断面，每个监测断面上设有6个监测点，并沿水深方向设置1个监测点。取水口衔接段和分河道这两个区域中在分河道中垂直于水流运动方向共布置5组监测断面，每个监测断面上设有5个监测点，并沿水深方向设置2个监测点，并依据地形对监测点作出细微调整。

如图4（b）和图5（b）所示，采取本发明结构的河道明渠中衔接处的高流速区域在不断减小，分河道中局部低流速区也不断减小，流速分布愈加均匀。水流到达衔接处时，扩散趋势有所减缓，漩涡会部分削弱，与传统结构相比涡带长度分别减小了21.7%，影响范围只占到分河道宽度的42%，涡带的影响范围得到明显减小。试验结果表明这种新型结构能够较好削弱衔接处漩涡的产生，改善衔接处的流态。

上述结构表明：本发明提供的一种用于缓解河道明渠横向取水漩涡的进水结构，特别为河道明渠横向取水中使用，可以较好地削弱衔接处的漩涡现象，改善衔接处的水流流态，提高取水口的工作效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种优化梯形河道断面明渠横向取水流态的整流结构，其特征在于，包括主河道和分河道，在所述分河道两侧设有边坡，在所述主河道与分河道之间设有圆弧型衔接段，所述圆弧型衔接段的底部和顶部边线均为圆弧，其所对应的圆心角为90°；在取水口口门两侧河底与边坡交界处分别设有导流墩，所述导流墩前端为半圆形结构；所述导流墩长和厚分别为分河道底部宽度的1.67~1.74倍和0.06~0.09倍；所述导流墩的高度与分河道内的水深相同。

2.根据权利要求1所述的一种优化梯形河道断面明渠横向取水流态的整流结构，其特征在于，所述分河道的边坡比为1:2.5。

3.根据权利要求1所述的一种优化梯形河道断面明渠横向取水流态的整流结构，其特征在于，所述底部圆弧的半径为分河道底部宽度的0.66~0.86倍，所述顶部圆弧的半径为分河道底部宽度的0.33~0.53倍。

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