CN115522522A - 复合消能工结构、侧纵支廊道段、输水系统及布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明复合消能工结构、侧纵支廊道段、输水系统及布置方法,采用复合消能工结构，形成透空式T型复合消能工，经由透空孔对冲产生的能量消耗为该结构主要耗能方式，透空孔尺寸决定了透空式T型复合消能工结构的消能效率，采用本发明提出的布置方法，可以保证透空式T型复合消能工最终达到有效消减进入明沟水流能量，提高闸室内船舶停泊安全，进而达到提高船闸设计水头的目的。

Description

复合消能工结构、侧纵支廊道段、输水系统及布置方法

技术领域

本发明涉及船闸设计技术领域，尤其是复合消能工结构、侧纵支廊道段、输水系统及布置方法。

背景技术

为保证船闸输水过程中船舶安全及船闸自身安全，针对高水头大型船闸，国内外多采用等惯性多区段多支廊道分散输水系统布置型式，如设计水头36.46m的银盘船闸、设计水头42.5m的五强溪船闸、设计水头32.5m的万安二线船闸、设计水头29.1m的乐滩船闸及设计水头57.5m等均采用了等惯性纵支廊道2区段多纵支廊道分散输水系统。高水头大型船闸一次输水过程输水体积与水流能量巨大，大面积闸室水流均匀性和消能问题突出，输水系统布置过程中，要求做到（1）提高闸室内水流的均匀程度，减少由于纵、横向水面比降引起的船舶受力增加；（2）增强闸室内局部水流能量耗散，减少由于局部水流紊动作用力引起的船舶受力增加。美国陆军工程兵团船闸设计手册中明确规定“由闸室内出水支孔进入闸室的大部分能量需由沿闸室内出水廊道通长布置的明沟内进行耗散”，消能效果更佳的“侧支孔+明沟”消能设施被认为是解决单级高水头巨形船闸闸室水流条件的有效消能措施。

然而，在有限的闸室宽度内，纵支廊道越多，供消能工布置的平面尺度越有限。以等惯性二区段四纵支廊道输水系统为例，出水支孔分布在纵支廊道两侧，出水支孔外侧布置消力池，如附图1，在闸室中部存在同一区段两纵支廊道上相对布置的出水支孔。灌水运行时，当消力池无法满足支孔射流能量消杀时，剩余能量将进入闸室，尤其闸室中部出水支孔对称布置，将出现2倍能量累积，而产生局部水面雍高，造成水面横比降骤增，船舶泊稳条件无法满足现行规范要求。亟需针对该问题，提出一种适用于支孔相对布置集中出水的透空式T型复合消能工结构，能够在有限的明沟尺度内有效消除出水支孔相对布置而诱发的集中能量。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出复合消能工结构、侧纵支廊道段、输水系统及布置方法，从而解决现有技术的不足，解决通过水流对冲、消力槛挑流及挡槛碰撞摩擦，提高明沟消能效率，减小射入闸室内剩余能量的问题。

为实现上述目的，本发明提出的其中一个技术方案是：

复合消能工结构，该结构应用于侧纵支廊道段的中明沟处，该结构包括有：

直立隔墙，其设置于中明沟的中间位置，将中明沟分为两部分；

挡槛，其设置于直立隔墙的两侧，与直立隔墙共同形成“T”型形状；

对冲消能孔，等间距设置开设于直立隔墙上，且位于挡槛的下方，用以中明沟相对布置的出水支孔的出流形成水流对冲，有效消耗射能量；

消力槛，分别设置于中明沟的底部，通过改变消力槛位置，减小剪切层流速及出水支孔出流射流核心区动能。

本发明提出的其中另一个技术方案是：侧纵支廊道段，该侧纵支廊道段位于典型等惯性二区段四纵支廊道输水系统内，该侧纵支廊道段包括上述的复合消能工结构，所述复合消能工结构布置在侧纵支廊道段的中明沟处。

进一步的，所述纵支廊道段还包括有位于中明沟两侧的纵支廊道和侧明沟。

进一步的，所述纵支廊道的侧壁上设有明沟挡槛。

进一步的，所述中明沟、纵支廊道及侧明沟均通过相对布置的出水支孔贯通。

本发明提出的其中另一个技术方案是：输水系统，该输水系统为典型等惯性二区段四纵支廊道输水系统，该输水系统还包括有输水系统进水口、灌水上游检修阀门、灌水阀门、灌水下游检修门、闸墙长廊道、立体分流口、泄水上游检修阀门、泄水阀门、泄水下游检修阀门、引航道侧输水系统出水口和旁侧输水系统出水口，该输水系统包括上述的侧纵支廊道段。

本发明提出的其中另一个技术方案是：一种复合消能工结构的布置方法，该方法包括：

S1、通过获取与输水系统出水支孔设计参数相适应的消能中明沟尺寸，即中明沟宽度B、中明沟高度H；

S2、确定上述的复合消能工结构的特征尺度；

S201、考虑中明沟宽度B≥10b时，b为出水支孔的平均宽度，在中明沟内断面中心位置设置“T”字形的挡槛；

S202、为保证出水支孔对冲消能，在挡槛的中直立隔墙设置对冲消能孔；

S203、为减少出水支孔出流射流核心区功能，在中明沟内的底部设置消力槛；

S3、判断是否满足消能需求，如是，根据复合消能工结构的特征尺度，得到复合消能工结构；如否，则回到S2，通过试验确定设计参数，满足后再完成。

进一步的，步骤S201中，还包括有：

S2011、确定直立隔墙高度d _T0，直立隔墙高度d _T0与中明沟高度H相同，d _T0 =H；

S2012、确定挡槛高度d _T1，应根据出水支孔最大高度d _max及直立隔墙至出水支孔出水口距离0.5B综合确定，其公式为：

d _T1=d _max+0.24×0.5B。

进一步的，步骤S202中，还包括有：

S2021、确定对冲消能孔总面积A _hole，对冲消能孔总面积A _hole根据对称出水支孔面积A ₀确定，其公式为：

A _hole=(2~3)A ₀；

S2022、确定对冲消能孔高度d _hole，对冲消能孔高度d _hole与出水支孔最大高度d _max相同，其公式为：

d _hole=d _max；

S2023、对冲消能孔采用等间距布置。

进一步的，步骤S203中，还包括有：

S2031、确定消力槛高度d _k，消力槛高度d _k取值范围为0.25m~0.5m；

S2032、消力槛距离出水支孔l _k根据试验确定，消力槛距离出水支孔l _k取值范围为小于1m。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提出的复合消能工结构，通过在明沟边墙上设置透空孔，可使经由相对布置出水支孔的出流形成水流对冲，有效消耗射能量；

（2）通过设置沿中明沟通长布置的复合消能工结构，一方面能够有效阻挡水流对冲后形成局部紊乱水流，另一方面能够使得射入明沟中的水流与T型消力槛形成碰撞摩擦，形成有效能量耗散；

（3）本发明提出的在出水支孔外侧设置沿明沟通长布置的消力槛，通过改变槛后射流位置，减小剪切层流速及支孔出流射流核心区动能；

（4）综合以上复合消能方式，形成透空式T型复合消能工，经由透空孔对冲产生的能量消耗为该结构主要耗能方式，透空孔尺寸决定了透空式T型复合消能工结构的消能效率，采用本发明提出的布置方法，可以保证透空式T型复合消能工最终达到有效消减进入明沟水流能量，提高闸室内船舶停泊安全，进而达到提高船闸设计水头的目的。

附图说明

图1是采用本发明的实施例3的一种输水系统平面布置图；

图2是采用本发明的实施例2的侧纵支廊道段A部分的平面布置图；

图3是采用本发明的实施例2的上游侧出水区段A部分中1-1断面图；

图4是本发明实施例1的复合消能工结构的B部分立体图；

图5是本发明实施例1的复合消能工结构的B部分俯视图；

图6是本发明实施例1的复合消能工结构B部分中2-2断面图；

图7是本发明实施例4的复合消能工结构中的布置流程图；

图8是本发明的实验例的采用实施例1的复合消能工结构的上游侧出水区段平面布置；

图9是本发明的实验例的采用实施例1的复合消能工结构的上游侧出水区段1-1断面图；

图10是本发明的实验例的比降提取区段划分示意图；

图11是本发明的实验例的未采用实施例1的复合消能工结构的横向比降历时波动图；

图12是本发明的实验例的未采用实施例1的复合消能工结构的纵向比降历时波动图；

图13是本发明实验例的已采用实施例1的复合消能工结构但对冲消能孔面积不足（对冲消能孔总面积A _hole/A ₀=1.5＜2）时的横向比降历时波动图；

图14是本发明实验例的已采用实施例1的复合消能工结构但对冲消能孔面积不足（对冲消能孔总面积A _hole/A ₀=1.5＜2）时的纵向比降历时波动图；

图15是本发明实验例的已采用实施例1的复合消能工结构的横向比降历时波动图；

图16是本发明实验例的已采用实施例1的复合消能工结构的纵向比降历时波动图；

图17是本发明实验例的未采用实施例1的复合消能工结构的流速分布效果图；

图18是本发明实验例的采用实施例1的复合消能工结构的流速分布效果图；

其中，1、输水系统进水口；2、灌水上游检修阀门；3、灌水阀门；4、灌水下游检修门；5、闸墙长廊道；6、立体分流口；7、泄水上游检修阀门；8、泄水阀门；9、泄水下游检修阀门；10、引航道侧输水系统出水口；11、旁侧输水系统出水口；12、纵支廊道；13、出水支孔；14、侧明沟；15、明沟挡槛；16、中明沟； 17、直立隔墙； 18、挡槛； 19、对冲消能孔；20、消力槛；21、支孔底高程；22、闸室底板高程。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。

实施例1

如图4-图6所示，复合消能工结构，该结构应用于侧纵支廊道段的中明沟16处，该结构包括有：

直立隔墙17，其设置于中明沟16的中间位置，将中明沟16分为两部分；

挡槛18，其设置于直立隔墙17的两侧，与直立隔墙17共同形成“T”型形状；

对冲消能孔19，等间距设置开设于直立隔墙17上，且位于挡槛18的下方，用以中明沟16相对布置的出水支孔13的出流形成水流对冲，有效消耗射能量；

消力槛20，分别设置于中明沟16的底部，通过改变消力槛20位置，减小剪切层流速及出水支孔13出流射流核心区动能。

本发明提出的复合消能工结构，通过在明沟边墙上设置透空孔，可使经由相对布置出水支孔的出流形成水流对冲，有效消耗射能量；

通过设置沿中明沟通长布置的复合消能工结构，一方面能够有效阻挡水流对冲后形成局部紊乱水流，另一方面能够使得射入明沟中的水流与T型消力槛形成碰撞摩擦，形成有效能量耗散；

本发明提出的在出水支孔外侧设置沿明沟通长布置的消力槛，通过改变槛后射流位置，减小剪切层流速及支孔出流射流核心区动能；

综合以上复核消能方式，形成透空式T型复合消能工，经由透空孔对冲产生的能量消耗为该结构主要耗能方式，透空孔尺寸决定了透空式T型复合消能工结构的消能效率，采用本发明提出的布置方法，可以保证透空式T型复合消能工最终达到有效消减进入明沟水流能量，提高闸室内船舶停泊安全，进而达到提高船闸设计水头的目的。

实施例2

如图2-图3所示，侧纵支廊道段，该侧纵支廊道段位于典型等惯性二区段四纵支廊道输水系统内，该侧纵支廊道段包括实施例1所述的复合消能工结构，所述复合消能工结构布置在侧纵支廊道段的中明沟16处。

进一步的，所述纵支廊道段还包括有位于中明沟16两侧的纵支廊道12和侧明沟14。

进一步的，所述纵支廊道12的侧壁上设有明沟挡槛15。

进一步的，所述中明沟16、纵支廊道12及侧明沟14均通过相对布置的出水支孔13贯通。

实施例3

如图1所示，输水系统，该输水系统为典型等惯性二区段四纵支廊道输水系统，该输水系统还包括有输水系统进水口1、灌水上游检修阀门2、灌水阀门3、灌水下游检修门4、闸墙长廊道5、立体分流口6、泄水上游检修阀门7、泄水阀门8、泄水下游检修阀门9、引航道侧输水系统出水口10和旁侧输水系统出水口11，该输水系统包括实施例2所述的侧纵支廊道段。

实施例4

一种复合消能工结构的布置方法，该方法包括：

S1、通过获取与输水系统出水支孔设计参数相适应的消能中明沟尺寸，即中明沟16宽度B、中明沟16高度H；

S2、确定实施例1所述的复合消能工结构的特征尺度；

S201、考虑中明沟宽度B≥10b时，b为出水支孔的平均宽度，在中明沟16内断面中心位置设置“T”字形的挡槛18；

S202、为保证出水支孔对冲消能，在挡槛18的中直立隔墙17设置对冲消能孔19；

S203、为减少出水支孔出流射流核心区功能，在中明沟16内的底部设置消力槛20；

S3、判断是否满足消能需求，如是，根据复合消能工结构的特征尺度，得到复合消能工结构；如否，则回到S2，通过试验确定设计参数，满足后再完成。

进一步的，步骤S201中，还包括有：

S2011、确定直立隔墙17高度d _T0，直立隔墙17高度d _T0与中明沟16高度H相同，d _T0 =H；

S2012、确定挡槛18高度d _T1，应根据出水支孔最大高度d _max及直立隔墙17至出水支孔13出水口距离0.5B综合确定，其公式为：

d _T1=d _max+0.24×0.5B。

进一步的，步骤S202中，还包括有：

S2021、确定对冲消能孔19总面积A _hole，对冲消能孔19总面积A _hole根据对称出水支孔13面积A ₀确定，其公式为：

A _hole=(2~3)A ₀；

S2022、确定对冲消能孔19高度d _hole，对冲消能孔19高度d _hole与出水支孔13最大高度d _max相同，其公式为：

d _hole=d _max；

S2023、对冲消能孔19采用等间距布置。

进一步的，步骤S203中，还包括有：

S2031、确定消力槛高度d _k，消力槛高度d _k取值范围为0.25m~0.5m；

S2032、消力槛距离出水支孔l _k根据试验确定，消力槛距离出水支孔l _k取值范围为小于1m。

如果，当上述特征尺度无法满足输水系统消能需求时，闸室水面出现较大波动，特征尺度需根据物理模型试验或三维数值模拟加以进一步调整，直至闸室水面波动得到有效减小，保证船舶在闸室内泊稳安全。

实验例

如图7-图9所示，选取某省水电站船闸改扩建工程为例，该船闸为典型高水头船闸，设计水头H=30m，设计输水完成时间为12~15min，设计代表船型为1000t级船队及1000t级单船，输水系统采用垂直分流2区段4纵支廊道输水系统布置型式。

输水系统纵支廊道两侧设置出水支孔，支孔采用等高度变宽度阶梯式变断面布置型式，支孔沿纵支廊道分为三组，每组7孔，每组支孔宽度沿水流方向分别为0.4m、0.44m、0.48m，支孔高度保持1m不变，单纵支廊道出水段长度79.6m。出水支孔外侧均采用明沟消能，明沟高度4m，明沟宽度2.5m。

按照本发明提出的具体实施方案，确定一种复合消能工结构，特征尺寸如表1所示。

表1 复合消能工特征尺寸表

设置灌水阀门双边开启时间t _v =6min，对比采用本发明一种适用于对称支孔出水消能的透空式T型复合消能工结构前后，输水系统灌水运行过程中闸室内对应设计代表船型尺度范围内比降极值统计，如表2所示。

表2 设计代表船型尺度范围内闸室水面比降极值统计

注：表中“±”仅代表比降方向，极值对比采用绝对值大小进行比较。

由图10-图16及表2可知，典型垂直分流2区段4纵支廊道输水系统布置内，采用本发明涉及的布置方法，设计一种复合消能工结构后，相同典型阀门开启工况下（t _v =6min），输水系统灌水运行过程中，相对布置的支孔出流后在大尺度消能孔内得到充分对冲，闸室水面波动明显减小，设计代表船型尺度范围内水面比降明显衰减，即横比降极值由最大的16.55‰衰减至1.44‰，纵比降极值由最大的7.06‰衰减至1.38‰，有效保障了船舶在闸室内泊稳安全。

通过图17所示，未使用实施例1所记载的复合消能工结构，出水支孔出流扩散受限，出水支孔出流后以较大流速冲击中心隔板，中明沟内流速集中，消能效果不明显。

通过图18所示，使用实施例1所记载的复合消能工结构后，出水支孔出流扩散充分，中明沟中心流速明显降低。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.复合消能工结构，其特征在于，该结构应用于侧纵支廊道段的中明沟（16）处，该结构包括有：

直立隔墙（17），其设置于中明沟（16）的中间位置，将中明沟（16）分为两部分；

挡槛（18），其设置于直立隔墙（17）的两侧，与直立隔墙（17）共同形成“T”型形状；

对冲消能孔（19），等间距设置开设于直立隔墙（17）上，且位于挡槛（18）的下方，用以中明沟（16）相对布置的出水支孔（13）的出流形成水流对冲，有效消耗射能量；

消力槛（20），分别设置于中明沟（16）的底部，通过改变消力槛（20）位置，减小剪切层流速及出水支孔（13）出流射流核心区动能。

2.侧纵支廊道段，该侧纵支廊道段位于典型等惯性二区段四纵支廊道输水系统内，其特征在于，该侧纵支廊道段包括权利要求1所述的复合消能工结构，所述复合消能工结构布置在侧纵支廊道段的中明沟（16）处。

3.如权利要求2所述的侧纵支廊道段，其特征在于，所述侧纵支廊道段还包括有位于中明沟（16）两侧的纵支廊道（12）和侧明沟（14）。

4.如权利要求3所述的侧纵支廊道段，其特征在于，所述纵支廊道（12）的侧壁上设有明沟挡槛（15）。

5.如权利要求2所述的侧纵支廊道段，其特征在于，所述中明沟（16）、纵支廊道（12）及侧明沟（14）均通过相对布置的出水支孔（13）贯通。

6.输水系统，该输水系统为典型等惯性二区段四纵支廊道输水系统，该输水系统还包括有输水系统进水口（1）、灌水上游检修阀门（2）、灌水阀门（3）、灌水下游检修门（4）、闸墙长廊道（5）、立体分流口（6）、泄水上游检修阀门（7）、泄水阀门（8）、泄水下游检修阀门（9）、引航道侧输水系统出水口（10）和旁侧输水系统出水口（11），其特征在于，该输水系统包括权利要求2所述的侧纵支廊道段。

7.一种复合消能工结构的布置方法，其特征在于，该方法包括：

S1、通过获取与输水系统出水支孔设计参数相适应的消能中明沟尺寸，即中明沟（16）宽度B、中明沟（16）高度H；

S2、确定权利要求1所述的复合消能工结构的特征尺度；

S201、考虑中明沟宽度B≥10b时，b为出水支孔的平均宽度，在中明沟（16）内断面中心位置设置“T”字形的挡槛（18）；

S202、为保证出水支孔对冲消能，在挡槛（18）的中直立隔墙（17）设置对冲消能孔（19）；

S203、为减少出水支孔出流射流核心区功能，在中明沟（16）内的底部设置消力槛（20）；

S3、判断是否满足消能需求，如是，根据复合消能工结构的特征尺度，得到复合消能工结构；如否，则回到S2，通过试验确定设计参数，满足后再完成。

8.如权利要求7所述的一种复合消能工结构的布置方法，其特征在于，步骤S201中，还包括有：

S2011、确定直立隔墙（17）高度d _T0，直立隔墙（17）高度d _T0与中明沟（16）高度H相同，d _T0=H；

S2012、确定挡槛（18）高度d _T1，应根据出水支孔最大高度d _max及直立隔墙（17）至出水支孔（13）出水口距离0.5B综合确定，其公式为：

d _T1=d _max+0.24×0.5B。

9.如权利要求7所述的一种复合消能工结构的布置方法，其特征在于，步骤S202中，还包括有：

S2021、确定对冲消能孔（19）总面积A _hole，对冲消能孔（19）总面积A _hole根据对称出水支孔（13）面积A ₀确定，其公式为：

A _hole=(2~3)A ₀；

S2022、确定对冲消能孔（19）高度d _hole，对冲消能孔（19）高度d _hole与出水支孔（13）最大高度d _max相同，其公式为：

d _hole=d _max；

S2023、对冲消能孔（19）采用等间距布置。

10.如权利要求7所述的一种复合消能工结构的布置方法，其特征在于，步骤S203中，还包括有：

S2031、确定消力槛高度d _k，消力槛高度d _k取值范围为0.25m~0.5m；

S2032、消力槛距离出水支孔l _k根据试验确定，消力槛距离出水支孔l _k取值范围为小于1m。

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