CN114960558A - 一种高坝下泄水流装置及下泄方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高坝下泄水流装置及下泄方法，该装置包括坝体，坝体的侧方设有溢流闸孔，溢流闸孔与泄洪段相对设置，泄洪段整体呈坡状，泄洪段包括以及依次相连的一级消能区域、二级消能区域和三级消能区域；一级消能区域包括与坝体堰面衔接的陡槽坡体；二级消能区域包括倾斜设置的孔板泄洪洞，孔板泄洪洞内部沿长度方向设置多个ASME孔板，ASME孔板的内径上部分的设置顶部削角，顶部削角设于ASME孔板上的出水端面；三级消能区域包括多个逐级降低的弧形挑坎，弧形挑坎的弧面方向设置有不同倾斜角度的导流件。本发明通过不同消能区域以不同的方式实现逐级消能，消能效果好，装置结构稳定，适于推广应用。

Description

一种高坝下泄水流装置及下泄方法
技术领域
本发明属于水利水电工程中水工建筑物泄洪消能技术领域，具体涉及一种高坝下泄水流装置及下泄方法。
背景技术
随着现代水利水电工程建设的发展，我国水电工程己从上世纪坝高240m的二滩水电站向300m级发展，如锦屏一级拱坝，坝高达到305m；双江口堆石坝，坝高达到312m。高坝下泄水流具有高水头、大流量、多泥沙和泄洪功率巨大等特点。如何将高坝下泄水流的巨大能量消杀掉，己经成为高坝建设的关键技术问题之一。
早期的高坝泄洪底流消能工由重力坝和消力池组成，利用坝顶溢流、下游接消力池的方式实现消能，下泄水流在消力池内产生水跃，主流冲击消力池内水体，表面产生旋滚，池内水流产生的强烈掺混、剪切、掺气，从而把下泄水流的动能转化为热能而使水流流速降低，流态由急流变为缓流，水流出消力池后与下游水流平顺衔接。随着水利水电工程的继续发展，出现了设有跌坎的消力池及采用差动式水平射流方式与消力池设跌坎相组合的消能方案。
授权号为CN206800343U的实用新型公开了高坝溢流面射流控制结构，在坝体上的陡槽段设置溢流面挑坎，陡槽段下端连接连续式挑坎，溢流面挑坎两侧设置弧形挡水墙归束水流，溢流面挑坎侧面设弧形掺气坎，连通坝体溢流面设置的掺气槽，溢流面挑坎包括对准闸孔中间的中间溢流面挑坎和与陡槽段两侧的上边墩对应相接的边缘溢流面挑坎，下泄的水流从所述溢流面挑坎两侧扩散后在空中先交汇碰撞消能，从溢流面挑坎挑射的主流经弧形挡水墙归束后再与连续式挑坎挑射出的水流汇合碰撞消能，配合水流的充分掺气，下泄的水流耗散大量能量后再落到下游河床中，下游水流形态良好,消能效果明显。
授权号为CN103898882B的发明公开了分级入池的高坝泄洪底流消能工，包括重力坝和消力池，重力坝坝体内至少两个不同高程处分别设置有向下游延伸的泄流通道，泄流通道出口下方带有跌坎，跌坎内设置通气廊道和通气孔，消力池内从上游至下游依次设置有至少三级台阶；当坝顶和坝内同时过流时，各泄流通道的出口按其高程从高至低依次位于消力池内从上游至下游相应级数台阶的竖面；当仅坝内过流时，各泄流通道的出口按其高程从高至低依次位于消力池内第一级台阶起始处的竖面、消力池内从上游至下游相应级数台阶的竖面。使用上述消能工，使库区内的水从不同高程的泄流通道或从重力坝顶部及不同高程的泄流通道进入消力池并分别分散在消力池内从上游至下游相应级数的阶面上进行消能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现多级消能的、结构稳定的、噪音小的高坝下泄水流装置及下泄方法，消能效果好，并且能够更大程度上降低对环境的影响。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：
高坝下泄水流装置，包括坝体，坝体的侧方设有溢流闸孔，溢流闸孔与泄洪段相对设置，泄洪段整体呈坡状，泄洪段包括以及依次相连的一级消能区域、二级消能区域和三级消能区域；
一级消能区域包括与坝体堰面衔接的陡槽坡体；
二级消能区域包括多个并排倾斜设置的孔板泄洪洞，孔板泄洪洞内部沿长度方向设置多个ASME孔板，ASME孔板的内径上部分的设置顶部削角，顶部削角设于ASME孔板上的出水端面；
三级消能区域包括多个逐级降低的弧形挑坎，弧形挑坎的弧面方向设置有不同倾斜角度的导流件。
采用上述技术方案，高坝内的水体通过溢流闸孔进入泄洪段进行泄洪，泄流而出的水流依次通过一级消能区域、二级消能区域和三级消能区域，通过不同的泄洪结构消杀水流的巨大能量。具体的，一级消能区域中的陡槽坡体与溢流闸孔下方的白体堰面衔接，水流沿倾斜设置的陡槽坡体的坡面流动，在转向流动的过程中实现初步消能。水流进入二级消能区域内的孔板泄洪洞，在经过孔板泄洪洞内部的多个ASME孔板时实现突缩和突扩，水流流经孔板时，水流突缩后的射流主体直接扩充到整个泄洪洞断面，并在水流内部强剪切的作用下形成紊动和漩涡，从而来消杀水流的巨大能量。进入三级消能区域的水流，通过逐级降低的弧形挑坎来进行三级消能，水体在流经逐级的弧形挑坎后，不断挑射到空中并下落，且下落过程中与弧形挑坎上的水体交汇来实现消能。
通过设置三个不同的消能区域对下泄水流进行逐级消能，降低水流在下泄过程中对装置结构的冲击，从而提高整体稳定性。其中，二级消能区域中的孔板泄洪洞只需将导流洞适当改建而成，这样可避免工程建成后导流洞不加利用而造成的大量资金浪费；孔板消能是洞内消能，能有效避免挑流消能带来的雾化问题，对环境保护有利；孔板泄洪洞施工简单，消能率高，便于泄水建筑物的布置。此外，ASME孔板的设置使得水流在孔板前与孔板后均可形成扰动，水流通过ASME孔板时突然缩小和突然扩大，流线变化剧烈，同时在射流核心区外侧有回流区，回流区中还包括很多大小不一的次漩涡，有助于水流消能。相邻两个ASME孔板之间间隔适宜的距离，流线变化剧烈的水流在这一距离内流动，流线逐渐接近平行并恢复正常，然后经由下一个ASME孔板进行进一步消能处理，从而实现多级消能，达到对水体能量的杀消目的。进入三级消能区域的水流通过导流件来引导不同弧形挑坎中的水体挑射角度，避免下落水体集中冲刷某弧形挑坎，使下落冲刷力分散，也有助于挑射到空中的水体交汇碰撞消能。多级弧形挑坎的连续设置，能够大幅提高挑射水流在空中碰撞的几率，保证消能效果；并且水流在沿多级弧形挑坎流动的过程中实现多次调整水流流向，加之部分水流挑射到空中，有助于降低水流对弧形挑坎表面的冲击力度，降低对弧形挑坎的腐蚀程度，有利于三级消能区域的结构稳定性。
根据本发明的一种实施方式，ASME孔板上的顶部削角角度为25°~ 45°；ASME孔板的孔径比≤0.5；ASME孔板的厚径比≤0.6；相邻两个ASME孔板之间的间距为孔板泄洪洞直径的3~6倍。
一般情况下，孔板的内缘削角可以从0°到90°变化，但孔板内缘削角越大，能量损失系数越大，但这种趋势也只是在一定范围内突出，结合工程实际为确保结构安全，内缘削角的范围为25°~ 45°。孔板的孔径比越大、厚径比越大，其能量损失系数越小；孔板顶部形状越尖，孔板的能量损失越大，初生空化数也越大；孔板的孔径比越大，其初生空化数越小。因此，调整ASME孔板的孔径比≤0.5、厚径比≤0.6，可在保证结构稳定的前提下提高能量损失系数，提高消能效果、降低空化现象的概率。
孔板后缘距离水流恢复点的距离称之为水流恢复长度，水流恢复长度是多级孔板间距设计的重要参考，水流恢复长度不但与孔板后回流区长度密切相关，而且水流恢复长度还应大于回流区长度。设置相邻两个ASME孔板之间的间距为孔板泄洪洞直径的3~6倍，即可降低相邻ASME孔板之间的干扰，保证二级消能区域内的消能效果，又可保证孔板泄洪洞的结构稳定，还能最大程度上节省材料。提供足够距离的水流恢复长度，使得水流经过突缩和突扩后恢复平静流动，降低水流噪声，减弱泄流对外部环境测影响。
进一步的，ASME孔板上的顶部削角角度为30°。
根据本发明的一种实施方式，导流件包括导流基体，导流基体上包括相对设置的第一侧面和第二侧面，第一侧面与水流冲击方向相对设置，第二侧面朝向弧形挑坎的弧面设置；弧形挑坎上设有导流通道，导流通道与导流基体相对设置；第一侧面上间隔布设有多个消能凸条，消能凸条的长度方向与水流的冲击方向垂直或近似垂直；第二侧面上间隔设有若干过流孔；过流孔与导流通道相对设置。
由此，进入三级消能区域的水流在经过弧形挑坎时，部分水体冲击导流件的第一侧面，并沿第一侧面向上挑射，直至越过弧形挑坎的顶端射向空中。在流经第一侧面时，其表面的多个消能凸条能够拦截部分水体，在第一侧面的表面形成紊流，进一步促进水体消能。此外，消能凸条的设置能够促进部分水体向不同方向挑射，从而有助于提高水体在空中汇合、碰撞的几率，从而提高消能效果。
水流在经过弧形挑坎时，部分水体经由第二侧面上的过流孔进入导流通道，并进入下一级的弧形挑坎。通过过流孔与导流通道的设置，在三级消能区域内实现了对水体的分流，从而降低水流的冲击能量，保证消能效果。
根据本发明的一种实施方式，第二侧面上设有用于与弧形挑坎的表面连接的第一凸棱和第二凸棱，第一凸棱与第二凸棱均与消能凸条平行设置，过流孔设于第一凸棱与第二凸棱上。
进一步的，第二侧面上设有向外突出的压板，压板位于第二凸棱远离第一凸棱的一侧，第一凸棱与第二凸棱均与导流通道相对设置，压板与导流通道顶部的挑坎表面贴合设置。
进一步的，第一凸棱与第二凸棱之间、第二凸棱与压板之间均设有过渡凹槽；压板上远离第二凸棱的一端与导流基体之间设有回流凹槽。
第一凸棱与第二凸棱对水流起到阻拦作用，可降低水流经过流孔进入导流通道的流速，从而提高结构稳定性。第一凸棱与第二凸棱上的过流孔的孔径大小不一致，数量也不一致，并且也不对齐设置，从而弧形挑坎内沿导流件第二侧面流动的部分水体可经由不同的过流孔实现分流、转向，并在过渡凹槽内汇合，过渡凹槽的设置可使不同流向的水流汇合，有助于辅助消能。此外，不同流向的水流进入过渡凹槽后彼此混合交融，能够调整该部分水体的均衡性，使水流流线稳定，降低水流噪声。
压板与回流凹槽的设置，可对向上挑射过程中回落至弧形挑坎的部分水体进行拦截，使其降低流速汇入下方水体，并经由导流通道进入下一级弧形挑坎。
过渡凹槽与回流凹槽均横贯导流件的第二侧面，这一结构提供了一定的水流汇合空间，可降低水流流速，降低水体碰撞过程中产生的噪声。
本发明还提供了一种高坝水流下泄方法，采用上述高板下泄水流装置中的一种，使坝体内部的水体经由溢流闸孔流出进入一级消能区域，水体沿倾斜设置的陡槽坡体向下流动之后进入二级消能区域，水流经由孔板泄洪洞内的多个ASME孔板进行消能后进入三级消能区域，水流在多个弧形挑坎的作用下形成连续挑射，并在多次汇流的过程中实现碰撞消能。
根据本发明的一种实施方式，ASME孔板的确定包括以下步骤：
S1. 分析影响ASME孔板的能量损失系数ξ、最小壁面压强系数C min、水流恢复长度L、划分孔板与洞塞流态的临界厚度T c的流体特性参数、孔板泄洪洞体型参数；流体特性参数包括水流密度ρ、水流动力粘度μ、重力加速度g；孔板泄洪洞体型参数包括泄洪洞直径D、孔板直径d、孔板厚度T，平头厚度t；
S2. 根据S1的分析结果，建立能量损失系数ξ、最小壁面压强系数C min、水流恢复长度L、划分孔板与洞塞流态的临界厚度T c的概化数学模型，即实现ξ=f 1(a 1,a 2•••a n)，C min= f 2(b 1,b 2•••b n)，L/D= f 3(c1,c2•••cn)，T c/D= f 4(d 1,d 2•••d n) (a 1,a 2•••a n，b 1,b 2•••b n，c 1,c 2•••c n，d 1,d 2•••dn是关于流体特征参数和孔板泄洪洞体型参数的无量纲参数)；
S3. 根据S2建立的概化数学模型，安排模拟试验组次，进行数值模拟试验并取得试验数据；
S4. 回归分析试验数据，曲线拟合得出能量损失系数ξ、最小壁面压强系数C min、相对水流恢复长度L/D、相对临界厚度T c/D的经验表达式。
其中，孔板的能量损失系数是衡量孔板消能能力的重要指标，能量损失系数越大，则说明孔板的消能能力越强。影响孔板能量损失系数的因素包括水力参数和体型参数，其中影响较大的水力参数是雷诺数，影响较大的体型参数包括孔径比(孔板的直径d与泄洪洞直径D之比)、厚径比(孔板厚度T与泄洪洞直径D之比)及其他特征体型参数等。
孔板能量损失系数ξ的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
上式中，p 1为孔板前未扰动断面的平均压强；p 2为孔板后水流恢复断面的平均压强；△p为p 1与p 2之差值；ρ为水流密度；u为泄洪洞水流平均流速；ξ为能量损失系数。
当雷诺数较小时，孔板的能量损失系数随雷诺数的增大而稍有增大，但当雷诺数大于105时，雷诺数对能量损失系数的影响不大；孔径比是决定孔板能量损失系数的关键因素，孔径比越大，其能量损失系数越小。
孔板厚度对孔板后部回流区范围造成直接影响，而回流区是孔板消能的重要源地，因此孔板厚度对孔板的能量损失系数有不可忽视的影响，有文献认为，在相同孔径比下，孔板的厚径比越大，孔板的能量损失系数越小。
在孔板附近，最先发生空化的地方往往是压强最低处，壁面最低压强特性直接关系到孔板抵御空蚀破坏的能力，因此孔板最小壁面压强系数也能反映孔板抗空化能力。孔板最小壁面压强系数C min的计算公式如下：
Figure 863171DEST_PATH_IMAGE002
上式中：p ∞ 是指孔板前面未扰动断面的平均压强；p min是孔板泄洪洞壁面的最低压强；ρ是水流的密度；u是泄洪洞水流的平均流速。最小壁面压强系数C min越小，孔板抗空化破坏的能力越强。
选择适宜的ASME孔板体型参数，有助于提高高坝泄洪消能效果，降低孔板泄洪洞遭受空化破坏的危险，提高孔板泄洪洞的结构稳定性，并在泄洪的过程中减少雾化和水土流失。
本发明由于设置了一级消能区域、二级消能区域和三级消能区域，能够通过不同的消能结构对下泄水流的能量实现消杀，能够保证高坝下泄水流的装置的稳定性。孔板泄洪洞内部设置ASME孔板，实现水流的突缩和突扩，促进紊动和漩涡的形成，从而来消杀水流的巨大能量。弧形挑坎与导流件的配合，对水流进行分流，并实现水流挑射，在水流汇合过程中实现碰撞消能。
因此，本发明是一种能够实现多级消能的、结构稳定的、噪音小的高坝下泄水流装置及下泄方法，消能效果好，并且能够更大程度上降低对环境的影响。
附图说明
图1为根据本发明实施例1的高坝下泄水流装置的俯视结构示意图；
图2为图1所示高坝下泄水流装置的侧视结构示意图；
图3为根据本发明实施例1的高坝下泄水流装置的孔板泄洪洞的水流流向示意图；
图4为根据本发明实施例1的高坝下泄水流装置的弧形挑坎的结构示意图；
图5为根据本发明实施例1的高坝下泄水流装置的导流件的结构示意图；
图6为图5所述导流件的另一角度示意图。
附图标号：坝体10；溢流闸孔11；一级消能区域12；二级消能区域13；三级消能区域14；拦截墙体21；陡槽坡体22；孔板泄洪洞23；ASME孔板24；弧形挑坎25；导流通道26；导流件27；导流基体30；第一侧面31；第二侧面32；消能凸条41；过流孔42；第一凸棱43；第二凸棱44；压板45；过渡凹槽46；回流凹槽47。
具体实施方式
以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
图1~图6示意性的显示了根据本发明一实施方式的高坝下泄水流装置及下泄方法。如图所示，本装置包括坝体10，坝体10的侧方设有溢流闸孔11，溢流闸孔11与泄洪段相对设置，泄洪段整体呈坡状，泄洪段包括以及依次相连的一级消能区域12、二级消能区域13和三级消能区域14。
一级消能区域12包括陡槽坡体22，陡槽坡体22与溢流闸孔11下方的白体堰面衔接，陡槽坡体22的两侧设有拦截墙体21，呈底部开口大于顶部开口的近似梯形的结构，水流沿倾斜设置的陡槽坡体22的坡面流动，并在流动过程中向外侧转向流动，水流在此过程中实现初步消能。
二级消能区域13包括多个并排倾斜设置的孔板泄洪洞23，经由陡槽坡体22导流后的水体分流进入不同的孔板泄洪洞23，经由其内部的孔板消能。孔板泄洪洞23只需将导流洞适当改建而成，这样可避免工程建成后导流洞不加利用而造成的大量资金浪费；孔板消能是洞内消能，能有效避免挑流消能带来的雾化问题，对环境保护有利。
孔板泄洪洞23内部沿长度方向设置多个ASME孔板24，ASME孔板24的内径上部分的设置顶部削角β，顶部削角β设于ASME孔板24上的出水端面。ASME孔板24上的顶部削角β角度为25°~ 45°；ASME孔板24的孔径比≤0.5；ASME孔板24的厚径比≤0.6；相邻两个ASME孔板24之间的间距为孔板泄洪洞23直径的3~6倍。
如图3所示，水流在经过孔板泄洪洞23内部的多个ASME孔板24时实现突缩和突扩，水流突缩后的射流主体直接扩充到整个泄洪洞断面，并在水流内部强剪切的作用下形成扰动和漩涡，从而来消杀水流的巨大能量。
ASME孔板24的设置使得水流在孔板前与孔板后均可形成扰动，水流通过ASME孔板24时突然缩小和突然扩大，流线变化剧烈，同时在射流核心区外侧有回流区，回流区中还包括很多大小不一的次漩涡，有助于水流消能。紊乱的水流在两个相邻的ASME孔板24之间流动一定距离后，逐渐恢复平静，流线逐渐稳定，从而可降低噪声。
经过二级消能区域13后，水流进入三级消能区域14。三级消能区域14包括多个逐级降低的弧形挑坎25，弧形挑坎25的弧面方向设置有不同倾斜角度的导流件27。
导流件27包括导流基体30，导流基体30上包括相对设置的第一侧面31和第二侧面32，第一侧面31与水流冲击方向相对设置，第二侧面32朝向弧形挑坎25的弧面设置，弧形挑坎25上设有导流通道26，导流通道26与导流基体30相对设置。
第一侧面31上间隔布设有多个消能凸条41，消能凸条41的长度方向与水流的冲击方向垂直或近似垂直。进入三级消能区域14的水流在经过弧形挑坎25时，部分水体冲击导流件27的第一侧面31，并沿第一侧面31向上挑射，直至越过弧形挑坎25的顶端射向空中。在流经第一侧面31时，其表面的多个消能凸条41能够拦截部分水体，在第一侧面31的表面形成紊流，进一步促进水体消能。此外，消能凸条41的设置能够促进部分水体向不同方向挑射，从而有助于提高水体在空中汇合、碰撞的几率，从而提高消能效果。
第二侧面32上设有用于与弧形挑坎25的表面连接的第一凸棱43和第二凸棱44，第一凸棱43与第二凸棱44均与消能凸条41平行设置，第一凸棱43与第二凸棱44上均设有过流孔42。第二侧面32上设有向外突出的压板45，压板45位于第二凸棱44远离第一凸棱43的一侧，第一凸棱43与第二凸棱44均与导流通道26相对设置，压板45与导流通道26顶部的挑坎表面贴合设置。第一凸棱43与第二凸棱44之间、第二凸棱44与压板45之间均设有过渡凹槽46；压板45上远离第二凸棱44的一端与导流基体30之间设有回流凹槽47。
水流在经过弧形挑坎25时，部分水体经由第二侧面32上的过流孔42进入导流通道26，并进入下一级的弧形挑坎25。第一凸棱43与第二凸棱44上的过流孔42的孔径大小不一致，数量也不一致，并且也不对齐设置，从而弧形挑坎25内沿导流件27第二侧面32流动的部分水体可经由不同的过流孔42实现分流、转向，并在过渡凹槽46内汇合，从而实现对水体能量的消杀。压板45与回流凹槽47的设置，可对向上挑射过程中回落至弧形挑坎25的部分水体进行拦截，使其降低流速汇入下方水体，并经由导流通道26进入下一级弧形挑坎25。
过渡凹槽46与回流凹槽47均横贯导流件27的第二侧面32，这一结构提供了一定的水流汇合空间，可降低水流流速，即可辅助消能有能降低水体碰撞过程中产生的噪声。
采用本实施例的高坝下泄水流装置，在泄洪时，使坝体10内部的水体经由溢流闸孔11流出进入一级消能区域12，水体沿倾斜设置的陡槽坡体22向下流动之后进入二级消能区域13，水流经由孔板泄洪洞23内的多个ASME孔板24进行消能后进入三级消能区域14，水流在多个弧形挑坎25的作用下形成连续挑射，并在多次汇流的过程中实现碰撞消能。通过设置三个不同的消能区域对下泄水流进行逐级消能，降低水流在下泄过程中对装置结构的冲击，从而提高整体稳定性。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：
ASME孔板24上的顶部削角β角度为30°；ASME孔板24的孔径比≤0.5；ASME孔板24的厚径比在0.2~0.6范围内；相邻两个ASME孔板24之间的间距为孔板泄洪洞23直径的3倍。
ASME孔板24体型参数的确定方法如下：
S1. 分析影响ASME孔板24的能量损失系数ξ、最小壁面压强系数C min、水流恢复长度L、划分孔板与洞塞流态的临界厚度T c的流体特性参数、孔板泄洪洞23体型参数；流体特性参数包括水流密度ρ、水流动力粘度μ、重力加速度g；孔板泄洪洞23体型参数包括泄洪洞直径D、孔板直径d、孔板厚度T，平头厚度t；
S2. 根据S1的分析结果，建立能量损失系数ξ、最小壁面压强系数C min、水流恢复长度L、划分孔板与洞塞流态的临界厚度T c的概化数学模型，即实现ξ=f 1(a 1,a 2•••a n)，C min= f 2(b 1,b 2•••b n)，L/D= f 3(c1,c2•••cn)，T c/D= f 4(d 1,d 2•••d n) (a 1,a 2•••a n，b 1,b 2•••b n，c 1,c 2•••c n，d 1,d 2•••dn是关于流体特征参数和孔板泄洪洞23体型参数的无量纲参数)；
S3. 根据S2建立的概化数学模型，合理安排模拟试验组次，进行数值模拟试验并取得试验数据；
S4. 回归分析试验数据，曲线拟合得出能量损失系数ξ、最小壁面压强系数C min、相对水流恢复长度L/D、相对临界厚度T c/D的经验表达式。
其中，孔板的能量损失系数是衡量孔板消能能力的重要指标，能量损失系数越大，则说明孔板的消能能力越强。影响孔板能量损失系数的因素包括水力参数和体型参数，其中影响较大的水力参数是雷诺数，影响较大的体型参数包括孔径比(孔板的直径d与泄洪洞直径D之比)、厚径比(孔板厚度T与泄洪洞直径D之比)及其他特征体型参数等。
孔板能量损失系数ξ的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
上式中，p 1为孔板前未扰动断面的平均压强；p 2为孔板后水流恢复断面的平均压强；△p为p 1与p 2之差值；ρ为水流密度；u是泄洪洞水流的平均流速；ξ为能量损失系数。
当雷诺数较小时，孔板的能量损失系数随雷诺数的增大而稍有增大，但当雷诺数大于105时，雷诺数对能量损失系数的影响不大；孔径比是决定孔板能量损失系数的关键因素，孔径比越大，其能量损失系数越小。
孔板厚度对孔板后部回流区范围造成直接影响，而回流区是孔板消能的重要源地，因此孔板厚度对孔板的能量损失系数有不可忽视的影响，有文献认为，在相同孔径比下，孔板的厚径比越大，孔板的能量损失系数越小。
在孔板泄洪洞23的设置过程中，空化现象也是不容忽视的问题。空化现象是指水流在常温下，由于压强降低到某一临界值一般情况为水的汽化压强以下，水流内部形成空穴、空洞或空腔的现象。
目前比较一致的观点认为，孔径比是决定孔板初生空化数的关键因素，但雷诺数、其他体型参数、水流的脉动也对初生空化数产生一定的影响。有文献认为，孔板顶部形状越尖，孔板的能量损失越大，初生空化数也越大；孔板的孔径比越大，其初生空化数越小。因而，孔板初生空化数也是确定ASME孔板24体型参数的依据之一。
孔板的初生空化数σ i 的计算公式为：
Figure 311470DEST_PATH_IMAGE004
上式中：p u为水流刚刚发生空化时孔板前未扰动断面压强；p a 为大气压强；p v为水流的饱和蒸汽压；u为泄洪洞内的平均流速；ρ为水流密度。
在孔板附近，最先发生空化的地方往往是压强最低处，壁面最低压强特性直接关系到孔板抵御空蚀破坏的能力，因此孔板最小壁面压强系数也能反映孔板抗空化能力。孔板最小壁面压强系数C min的计算公式如下：
Figure 190343DEST_PATH_IMAGE005
上式中：p ∞ 是指孔板前面未扰动断面的平均压强；p min是孔板泄洪洞23壁面的最低压强；ρ是水流的密度；u是泄洪洞水流的平均流速。最小壁面压强系数C min越小，孔板抗空化破坏的能力越强。
选择适宜的ASME孔板24体型参数，有助于提高高坝泄洪消能效果，降低孔板泄洪洞23遭受空化破坏的危险，提高孔板泄洪洞23的结构稳定性，并在泄洪的过程中减少雾化和水土流失。
本发明的操作步骤中的常规操作为本领域技术人员所熟知，在此不进行赘述。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高坝下泄水流装置，包括坝体（10），所述坝体（10）的侧方设有溢流闸孔（11），所述溢流闸孔（11）与泄洪段相对设置，所述泄洪段整体呈坡状，所述泄洪段包括以及依次相连的一级消能区域（12）、二级消能区域（13）和三级消能区域（14）；
其特征在于，
所述一级消能区域（12）包括与所述坝体（10）堰面衔接的陡槽坡体（22）；
所述二级消能区域（13）包括倾斜设置的孔板泄洪洞（23），所述孔板泄洪洞（23）内部沿长度方向设置多个ASME孔板（24），所述ASME孔板（24）的内径上部分的设置顶部削角，所述顶部削角设于所述ASME孔板（24）上的出水端面；
所述三级消能区域（14）包括多个逐级降低的弧形挑坎（25），所述弧形挑坎（25）的弧面方向设置有不同倾斜角度的导流件（27）。
2. 根据权利要求1所述的高坝下泄水流装置，其特征在于，所述ASME孔板（24）上的顶部削角角度为25°~ 45°；所述ASME孔板（24）的孔径比≤0.5；所述ASME孔板（24）的厚径比≤0.6；相邻两个所述ASME孔板（24）之间的间距为所述孔板泄洪洞（23）直径的3~6倍。
3.根据权利要求2所述的高坝下泄水流装置，其特征在于，所述ASME孔板（24）上的顶部削角角度为30°。
4.根据权利要求1所述的高坝下泄水流装置，其特征在于，所述导流件（27）包括导流基体（30），所述导流基体（30）上包括相对设置的第一侧面（31）和第二侧面（32），所述第一侧面（31）与水流冲击方向相对设置，所述第二侧面（32）朝向所述弧形挑坎（25）的弧面设置；所述弧形挑坎（25）上设有导流通道（26），所述导流通道（26）与所述导流基体（30）相对设置；
所述第一侧面（31）上间隔布设有多个消能凸条（41），所述消能凸条（41）的长度方向与水流的冲击方向垂直或近似垂直；所述第二侧面（32）上间隔设有若干过流孔（42）；所述过流孔（42）与所述导流通道（26）相对设置。
5.根据权利要求4所述的高坝下泄水流装置，其特征在于，所述第二侧面（32）上设有用于与所述弧形挑坎（25）的表面连接的第一凸棱（43）和第二凸棱（44），所述第一凸棱（43）与所述第二凸棱（44）均与所述消能凸条（41）平行设置，所述过流孔（42）设于所述第一凸棱（43）与所述第二凸棱（44）上；
所述第二侧面（32）上设有向外突出的压板（45），所述压板（45）位于所述第二凸棱（44）远离所述第一凸棱（43）的一侧，所述压板（45）与所述导流通道（26）顶部的挑坎表面配合；
所述第一凸棱（43）与所述第二凸棱（44）之间、所述第二凸棱（44）与所述压板（45）之间均设有过渡凹槽（46）；所述压板（45）上远离所述第二凸棱（44）的一端与所述导流基体（30）之间设有回流凹槽（47）。
6.一种高坝水流下泄方法，其特征在于，采用如权利要求1~5中任意一项所述的高坝下泄水流装置，使坝体（10）内部的水体经由所述溢流闸孔（11）流出进入一级消能区域（12），水体沿倾斜设置的所述陡槽坡体（22）向下流动之后进入二级消能区域（13），水流经由所述孔板泄洪洞（23）内的多个所述ASME孔板（24）进行消能后进入三级消能区域（14），水流在多个所述弧形挑坎（25）的作用下形成连续挑射，并在多次汇流的过程中实现碰撞消能。
7.根据权利要求6所述的高坝水流下泄方法，其特征在于，所述ASME孔板（24）的确定包括以下步骤：
S1. 分析影响所述ASME孔板（24）的能量损失系数ξ、最小壁面压强系数Cmin、水流恢复长度L、划分孔板与洞塞流态的临界厚度Tc的流体特性参数、孔板泄洪洞（23）体型参数；所述流体特性参数包括水流密度ρ、水流动力粘度μ、重力加速度g；所述孔板泄洪洞（23）体型参数包括泄洪洞直径D、孔板直径d、孔板厚度T，平头厚度t；
S2. 根据S1的分析结果，建立能量损失系数ξ、最小壁面压强系数Cmin、水流恢复长度L、划分孔板与洞塞流态的临界厚度Tc的概化数学模型；
S3. 根据S2建立的概化数学模型，安排模拟试验组次，进行数值模拟试验并取得试验数据；
S4. 回归分析试验数据，曲线拟合得出能量损失系数ξ、最小壁面压强系数Cmin、相对水流恢复长度L/D、相对临界厚度Tc/D的经验表达式。
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