CN116289811A - 一种钢坝闸下游消能防冲设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种钢坝闸下游消能防冲设计方法，根据钢坝闸溢流水舌冲砸的最远距离，确定钢坝闸下游消能结构的最小长度。能够将实际冲击翻滚区范围包括在内，避免钢坝闸底板末端下方被掏空的情况，根据该值设置消力池或水垫塘长度，可以减少工程施工量的同时，降低了施工成本，并且可以确保闸后消能结构的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及钢坝闸技术领域，特别是涉及一种钢坝闸下游消能防冲设计方法。
背景技术
钢坝闸是一种新型可调控溢流闸门，它有土建结构、带固定轴的钢闸门门体、启闭设备等组成。由于它可以设计的比较宽，可以省去闸孔闸墩，所以不仅结构简单，可以节省不少土建投资，而且可以立门蓄水，卧门行洪排涝，适当开启调节水位，还可以利用闸门门顶过水，形成人工瀑布的景观效果。
但是钢坝闸在放水时，由于钢坝闸独特的泄流形态及其门后水舌抛射范围和其水流振荡特性，水流直接冲刷钢坝闸底板，会将钢坝闸底板末端下方掏空，形成安全隐患。因此现有的常规做法是通过在闸门下游设置消力池或水垫塘或防冲底板，来解决钢坝闸底板末端下方掏空的问题。但是现阶段没有相应的规范要求及计算方法，明确需要设置的消力池或水垫塘或防冲底板的长度，因此现阶段只能按照常规的消能公式来计算，但是常规的消能公式所对应的水流形态与钢坝闸所对应的水流形态不同，因此导致此种计算方法虽然能够解决钢坝闸底板末端下方掏空的问题，但是使用此种方法计算出的消力池或水垫塘或防冲底板的长度会非常长，直接导致工程施工量的增加，提高了施工成本。为此，提出一种钢坝闸下游消能防冲设计方法，以解决上述现有技术存在的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种钢坝闸下游消能防冲设计方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种钢坝闸下游消能防冲设计方法，具体包括以下步骤：
S1、确定钢坝闸溢流水舌冲砸的最远距离L抛：
L抛＝Ls+Lp (1)
其中，
Ls为闸门开启过程中闸门水平投影长度，(单位：m)；
Lp为水流平抛冲砸底板最远距离，(单位：m)；
S2、确定钢坝闸下游消能结构的长度L池：
L池＝ζ1×L抛 (2)
其中，
L池为钢坝闸下游消能结构的尾部距闸门转轴中心距离，(单位：m)；
ζ1为消能防冲范围计算系数。
优选的，还包括：
S0、在钢坝闸上游设置挡水坎，确定挡水坎顶部至闸门顶部距离H，(单位：m)；
S01、确定钢坝闸转轴中心与上游挡水坎顶部的高差Δ1，(单位：m)；
S02、确定闸门的旋转半径R：
R＝H+Δ1 (3)
S03、确定钢坝闸转轴中心与下游河底高差Δ2，(单位：m)；
S04、确定钢坝闸溢流水头高度Δh，(单位：m)。
优选的，根据式(3)，闸门开启过程中闸门水平投影长度Ls：
Ls＝R×SINθ (4)
其中，θ为闸门开启竖直角度；
根据式(3)，水流平抛冲砸底板最远距离Lp：
根据式(1)、式(4)和式(5)，钢坝闸溢流水舌冲砸的最远距离L抛：
根据式(2)和式(6)确定钢坝闸下游消能结构的最小长度。
优选的，消能防冲范围计算系数计算公式为：
根据式(2)、式(6)和式(7)，得出：
L池为钢坝闸下游消能结构的最小长度。
本发明公开了以下技术效果：
通过本发明提供的钢坝闸下游消能防冲设计方法确定的钢坝闸下游消能结构的最小长度，能够将实际冲击翻滚区范围包括在内，避免钢坝闸底板末端下方被掏空的情况，根据该值设置消力池或水垫塘长度，可以减少工程施工量的同时，降低了施工成本，并且可以确保闸后消能结构的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为钢坝闸立门挡水时溢流水舌抛射示意图；
图2为钢坝闸开启后闸门向下游倾斜时溢流水舌抛射示意图；
图3为溢流水舌平抛运动示意图；
图4为钢坝闸与泵站组合布置门高3.35m、溢流0.5m抛射水舌及消能防冲范围关系图；
图5为钢坝闸与泵站组合布置门高3.9m、溢流0.5m抛射水舌及消能防冲范围关系图；
图6为钢坝闸与泵站组合布置门高4.5m、溢流0.4m抛射水舌及消能防冲范围关系图；
图7为钢坝闸与泵站组合布置门高4.5m、溢流0.5m抛射水舌及消能防冲范围关系图；
图8为钢坝闸单孔布置门高5.5m、溢流0.5m抛射水舌及消能防冲范围关系图；
图9为钢坝闸单孔布置门高6.5m、溢流0.5m抛射水舌及消能防冲范围关系图；
图10为钢坝闸单孔布置门高7.5m、溢流0.5m抛射水舌及消能防冲范围关系图；
图11为钢坝闸门高6.5m、开启角度30°、溢流0.5m抛射水舌及消能防冲范围关系图；
图12为钢坝闸门高6.5m、开启角度30°、不同溢流水头高度抛射水舌及消能防冲范围关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种钢坝闸下游消能防冲设计方法，具体包括以下步骤：
S1、确定钢坝闸溢流水舌冲砸的最远距离L抛：
L抛＝Ls+Lp (1)
其中，
Ls为闸门开启过程中闸门水平投影长度，(单位：m)；
Lp为水流平抛冲砸底板最远距离，(单位：m)；
S2、确定钢坝闸下游消能结构的长度L池：
L池＝ζ1×L抛 (2)
其中，
L池为钢坝闸下游消能结构的尾部距闸门转轴中心距离，(单位：m)；
ζ1为消能防冲范围计算系数。
进一步的，还包括：
S0、在钢坝闸上游设置挡水坎，确定挡水坎顶部至闸门顶部距离H，(单位：m)；
S01、确定钢坝闸转轴中心与上游挡水坎顶部的高差Δ1，(单位：m)；
S02、确定闸门的旋转半径R：
R＝H+Δ1 (3)
S03、确定钢坝闸转轴中心与下游河底高差Δ2，(单位：m)；
S04、确定钢坝闸溢流水头高度Δh，(单位：m)。
进一步的，根据式(3)，闸门开启过程中闸门水平投影长度Ls：
Ls＝R×SINθ (4)
其中，θ为闸门开启竖直角度；
钢坝闸立门挡水(开启0°)时，溢流水体抛向下游可按类平抛运行模拟计算，即水流平抛运动，相当于水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合成，平抛运动水平方向只有初速度v0，没有加速度，所以水平方向位移x＝v0t，水平方向分速度vx＝v0，平抛运动初始速度vx由闸门顶部溢流水头产生，平抛运动竖直方向相当于初速度为0的自由落体运动，
vy＝gt，/>
平抛运动竖直方向距离y为钢坝闸闸门顶点至下游消能面距离，在此忽略水流抛射进入下游水体内的水流阻力。
钢坝闸开启后闸门向下游倾斜，闸门顶点后移，其后移距离为闸门开启过程中闸门水平投影长度。因此，钢坝闸溢流水舌抛射距离按闸门开启角度产生的闸门水平投影长度和由溢流水头产生的流动水体平抛水平距离之和确定。
根据式(3)，水流平抛冲砸底板最远距离Lp：
根据式(1)、式(4)和式(5)，钢坝闸溢流水舌冲砸的最远距离L抛：
根据式(2)和式(6)确定钢坝闸下游消能结构的最小长度。
进一步的，消能防冲范围计算系数计算公式为：
根据式(2)、式(6)和式(7)，得出：
L池为钢坝闸下游消能结构的最小长度。
消力池区间模拟推导旨在将钢坝闸溢流水舌引发的冲击跳跃翻滚区间，包括在消力池以内，避免因消能不够充分而导致水体在消力池外跳跃翻滚，引发下游护坦失稳破坏，若下游水深较大，同时水位变幅较小，具有足够的水垫层，亦可不设消力池，典型运行工况钢坝闸消力池设置区间与水舌冲砸底板后跳跃翻滚区间试验及模拟结果如表1～表9所示。
实施例
钢坝闸(门宽6.0m)泵闸结合布置方案门高3.35m、3.9m、4.5m，及钢坝闸(门宽12.0m)单孔布置方案门高5.5m、6.5m、7.5m，不同溢流水头、不同闸门开度、不同上下游水深，各运行工况建议消力池尾坎距闸门转轴中心水平距离L池以及水舌冲砸底板区位试验数据如表1～表9所示。
L3min为抛射水舌冲砸底板中线点距钢坝闸转轴中心水平距离最小值，(单位：m)；
L3max为抛射水舌冲砸底板中线点距钢坝闸转轴中心水平距离最大值，(单位：m)；
LBmin为抛射水舌冲砸底板翻滚范围距钢坝闸转轴中心水平距离最小值，(单位：m)；
LBmax为抛射水舌冲砸底板翻滚范围距钢坝闸转轴中心水平距离最大值，(单位：m)。
表1钢坝闸+泵站组合布置门高3.35m、益流0.5m抛射水舌及消能防冲范围
表2钢坝闸+泵站组合布置门高3.9m、益流0.5m抛射水舌及消能防冲范围
表3钢坝闸+泵站组合布置门高4.5m、益流0.4m抛射水舌及消能防冲范围
表4钢坝闸+泵站组合布置门高4.5m、益流0.5m抛射水舌及消能防冲范围
表5钢坝闸单孔布置门高5.5m、溢流0.5m抛射水舌及消能防冲范围
表6钢坝闸单孔布置门高6.5m、溢流0.5m抛射水舌及消能防冲范围
表7钢坝闸单孔布置门高7.5m、溢流0.5m抛射水舌及消能防冲范围
表8钢坝闸门高6.5m、开度30°、溢流0.5m抛射水舌及消能防冲范围
表9钢坝闸开启角度30°不同溢流水头抛射水舌及消能防冲范围
根据试验测试结果可知，通过拟合公式计算得出的消力池尾坎位置和溢流水舌冲砸翻滚区基本一致，且将实际冲击翻滚区范围包括在内，根据该值设置消力池或水垫塘长度，设计的消力池节约工程量为7％～58％之间，并且可以保证闸后消能结构的安全性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种钢坝闸下游消能防冲设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、确定钢坝闸溢流水舌冲砸的最远距离L抛：
L抛＝Ls+Lp (1)
其中，
Ls为闸门开启过程中闸门水平投影长度，(单位：m)；
Lp为水流平抛冲砸底板最远距离，(单位：m)；
S2、确定钢坝闸下游消能结构的长度L池：
L池＝ζ1×L抛 (2)
其中，
L池为钢坝闸下游消能结构的尾部距闸门转轴中心距离，(单位：m)；
ζ1为消能防冲范围计算系数。
2.根据权利要求1所述的钢坝闸下游消能防冲设计方法，其特征在于，还包括：
S0、在钢坝闸上游设置挡水坎，确定挡水坎顶部至闸门顶部距离H，(单位：m)；
S01、确定钢坝闸转轴中心与上游挡水坎顶部的高差Δ1，(单位：m)；
S02、确定闸门的旋转半径R：
R＝H+Δ1 (3)
S03、确定钢坝闸转轴中心与下游河底高差Δ2，(单位：m)；
S04、确定钢坝闸溢流水头高度Δh，(单位：m)。
3.根据权利要求2所述的钢坝闸下游消能防冲设计方法，其特征在于，根据式(3)，闸门开启过程中闸门水平投影长度Ls：
Ls＝R×SINθ (4)
其中，θ为闸门开启竖直角度；
根据式(3)，水流平抛冲砸底板最远距离Lp：
根据式(1)、式(4)和式(5)，钢坝闸溢流水舌冲砸的最远距离L抛：
根据式(2)和式(6)确定钢坝闸下游消能结构的最小长度。
4.根据权利要求3所述的钢坝闸下游消能底板安全稳定设计方法，其特征在于，消能防冲范围计算系数计算公式为：
根据式(2)、式(6)和式(7)，得出：
L池为钢坝闸下游消能结构的最小长度。
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