CN202830898U - 一种改善气体过饱和的生态友好型二道坝 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种可改善大型水利水电工程泄洪消能产生的气体过饱和问题的生态友好型二道坝，改善气体过饱和的生态友好型二道坝，包括坝体，坝体的下游面为溢流面，并在坝项设置闸门控制溢流面上出流流量，使溢流面出流的最大水深不超过5m；坝体的的跌坎采用连续式，同时过坝水流与下游水流平顺衔接，使气体过饱和水体位于下游河道上层，加快气体过饱和水体逸出速度；坝体内部设置引水道，将水垫塘内的水体通过坝体引入下游。本实用新型可使水体饱和度在通过低水头水轮机时降低，减小下游河道水体的过饱和度，有效调控大坝泄洪造成的气体过饱和对大坝下游水生生物的影响。

Description

一种改善气体过饱和的生态友好型二道坝

技术领域

本实用新型涉及一种新型水工建筑物，具体的说是一种可改善大型水利水电工程泄洪消能产生的气体过饱和问题的生态友好型二道坝。

背景技术

当今，水利水电工程的建设逐步由技术资金制约转变为环境制约，如何在保障水利水电工程效益的同时减弱其对生态环境的影响，已成为工程单位、流域管理部门、能源机构都急需解决的重要问题。在水利水电工程对生态环境造成的影响中，大坝泄洪消能产生的下游气体过饱和现象是一个突出的水环境问题。大坝泄洪消能时产生的高速水流伴随大量掺气，这种大流量、强掺气过程会导致大坝下游河道的气体过饱和，影响范围可波及到下游数十千米甚至数百千米。河道气体过饱和会造成鱼类等水生生物大量死亡，对河流水生生态系统造成严重危害。因此，在进行生态友好型水利水电工程的建设时，需要找出解决上述问题的有效技术方案。

目前，虽然已知消能方式、泄洪流量与泄水建筑物的布置等是影响气体过饱和产生过程的主要因素，但对于大型水利水电工程还缺少较为系统的解决方法，而在采用对应的生态水工建筑物来改善下游气体过饱和方面也尚未见相关研究成果。曲璐等在高坝工程总溶解气体过饱和影响的原型观测一文中，通过紫坪铺、三峡、二滩等多个工程的观测,探讨了影响高坝工程气体过饱和TDG（总溶解气体）生成与释放过程的主要因素，认为发电尾水的掺混作用可降低坝下TDG过饱和度，水深越小，过饱和气体越易逸出，因此可通过减小水垫塘内水深来降低泄洪后的气体过饱和度。然而，受消能效果及工程安全限制，水垫塘内设计水深必须大于规范要求值，在具体工程应用时该方法往往并不适用。

申请号201220007036.9的专利提出了一种坝下河道气体过饱和无动力改善装置，其装置包括排架、底部固定锚、浮力体和导流板，底部固定锚固定于排架下部，浮力体固定于排架上部，导流板通过固定铰链连接在排架上，在水流作用下导流板在垂直排架平面上自由转动。该装置可将河道底部水体通过导流装置输移到河道上层，同时增加水体的垂向紊动，利用水体中过饱和气体在水深较浅时及水流垂向紊动较强时恢复较快的特点，可大幅降低气体过饱和现象影响的程度和范围，有效改善坝下河道气体过饱和现象。但由于其结构简单，自重较轻，体积较小，对河道水体的影响范围和影响程度有限，因此主要适宜于中小型河道，但该装置本身的设计思路限制了其在大型水利水电工程中的应用。因此，需要采用合理的技术手段，在充分利用已有的建筑布置的基础上，提出可有效减弱挑流消能方式下气体过饱和对下游河道鱼类造成的影响的方案。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种改善气体过饱和的生态友好型二道坝，可有效降低下泄水体的过饱和度，减少由于大坝泄洪消能产生的气体过饱和现象对下游河道中鱼类的影响。

本实用新型解决以上技术问题的技术方案是：

一种改善气体过饱和的生态友好型二道坝，包括坝体，坝体的下游面为溢流面，并在坝项设置闸门控制溢流面上出流流量，使溢流面出流的最大水深不超过5m；坝体的溢流面未端设置跌坎，把过坝水流导至下游表面；坝体内部设置引水道，将水垫塘内的水体通过坝体引入下游。

本实用新型技术方案在不改变传统二道坝主体功能（形成水垫塘消能）的情况下，通过建立水深与气体逸出速率的定量关系，即将水深越小、过饱和气体越易逸出的关系具体函数化，将二道坝下游面改为溢流面以保证过流平顺，并在坝项设置闸门控制溢流面上出流流量，使溢流面出流的最大水深不超过5m，通过减小水体深度增强水体中过饱和气体的扩散。为防止水流过坝后经反弧段被挑起，发生掺气，影响气体过饱和恢复效果，坝体的溢流面未端设置跌坎，同时过坝水流应与下游水流平顺衔接，使气体过饱和水体位于下游河道上层，加快其逸出速度。

受溢流面上水深的限制，二道坝坝顶过流能力可能无法满足大坝最大下泄能力的要求，可在坝体内部设置引水道，将水垫塘内的水体通过坝体引入下游，提高坝体过流能力。不仅如此，可在引水道内设置贯流式水轮机，在利用水体势能发电的同时，也可利用水轮机的搅拌能力，增强水体紊动，提高过饱和气体的逸出速度，进一步减弱气体过饱和对下游河道的影响。

这样，为使泄洪消能水体在经过水垫塘后过饱和气体能快速逸出，本实用新型一方面可在不减小水垫塘水深，保证消能效果及结构安全的条件下，减少过坝水流的流量，使溢流面出流的最大水深不超过5m，以加快过饱和气体的逸出速度；另一方面，可对消能后水体进行适当搅拌，增加其紊动能力，提高过饱和气体的逸出速度。

本实用新型进一步限定的技术方案是：

前述的改善气体过饱和的生态友好型二道坝，溢流面的顶部溢流段为WES曲线，溢流面的直线段坡度为1:1.5～1:2。溢流面的直线段及下游反弧段共同组成，根据常规溢流面的设计，混凝土坝的溢流面通常与挡水坝断相同，多在1：0.7～1:0.8之间，但对二道坝而言，由于其承受动水作用较大，坝体剖面设计通常较厚，下游坝坡多在1:1～1:1.2左右。根据生态型二道坝设计的目的，水流在下游坝面上的运行时间越长，过饱和气体逸出的越多，对气体过饱和的改善也越明显；但受地形及经济条件制约，下游坝面不可能过缓，因此考虑地形、经济条件及过饱和气体逸出度的共同影响，将生态型二道坝下游坝坡确定在1:1.5～1:2之间。即可达到增加过饱和气体逸出度的目的，也可兼顾地形及投资的影响。

前述的改善气体过饱和的生态友好型二道坝，跌坎挑角的角度为1°～4°。跌坎高程选择根据面流消能中的水力计算方法确定，为使跌坎后的水流流态为自由面流，跌坎挑角应小于10°，根据模型实验，角度以为1°～4°为最佳，其适用范围广，可使下游河道内水流在下泄流量大幅变化时多数时段都处于自由面流状态下，以提高下泄水体内气泡的逸出能力，减弱气体过饱和的影响。

前述的改善气体过饱和的生态友好型二道坝，引水道内设置有贯流式水轮机，在引水道进水段设置引水道检修闸门和引水道工作闸门，在引水道出水段设置尾水检修闸门。为保障水轮机的正常工作，需要在引水道上设置引水道检修闸门，引水道工作闸门，及尾水检修闸门。

本实用新型的有益效果是：本实用新型在保留现有建筑物基本功能的情况下，改变二道坝结构，可有效降低下泄水体的过饱和度，减少由于大坝泄洪消能产生的气体过饱和现象对下游河道中鱼类的影响；不仅如此，在原二道坝的设计方案中，受经济、环境条件双重限制，二道坝坝高不应过高，以使水垫塘的水深恰好满足泄洪消能要求即可，同时考虑气体过饱和问题，水垫塘的水深也不易过大，但采用本实用新型生态友好型二道坝的设计后，二道坝坝高即使不变的情况下，通过溢流闸门抬高水垫塘内水深，即可保障消能安全，也可提高二道坝内水轮机的发电量，经济、社会效益显著；不仅可增加经济效益，也可使水体饱和度在通过低水头水轮机时降低，减小下游河道水体的过饱和度，有效调控大坝泄洪造成的气体过饱和对大坝下游水生生物的影响。

附图说明

图1是本实用新型二道坝的结构组成示意图。

其中 1—坝体；2—溢流面；3—溢流控制闸门；4—贯流式水轮机；5—引水道；6—引水道工作闸门；7—引水道检修闸门；8—尾水检修闸门。

具体实施方式

    实施例1

本实施例提供一种改善气体过饱和的生态友好型二道坝，结构如图1所示，包括坝体1，坝体1的下游面为溢流面2，并在坝项设置溢流控制闸门3控制溢流面上出流流量，使溢流面出流的最大水深不超过5m；溢流面2的顶部溢流段为WES曲线，溢流面2的直线段坡度为1:1.5～1:2。

坝体1的溢流面未端设置跌坎，坝体1的的跌坎采用连续式，把过坝水流导至下游表面，过坝水流与下游水流平顺衔接，使气体过饱和水体位于下游河道上层，加快气体过饱和水体逸出速度跌坎挑角的角度为1°～4°，跌坎高程选择根据面流消能中的水力计算方法确定。

坝体1内部设置引水道5，将水垫塘内的水体通过坝体引入下游，引水道5内设置有贯流式水轮机4，在引水道5进水段设置引水道检修闸门7和引水道工作闸门6，在引水道出水段设置尾水检修闸门8。

本实施例在不改变传统二道坝主体功能（形成水垫塘消能）的情况下，通过建立水深与气体逸出速率的定量关系，即将水深越小、过饱和气体越易逸出的关系具体函数化，将二道坝下游面改为溢流面以保证过流平顺，并在坝项设置闸门控制溢流面上出流流量，使溢流面出流的最大水深不超过5m，通过减小水体深度增强水体中过饱和气体的扩散。为防止水流过坝后经反弧段被挑起，发生掺气，影响气体过饱和恢复效果，挑流跌坎采用连续式，跌坎高程选择根据面流消能中的水力计算方法确定；使过坝水流应与下游水流平顺衔接，使气体过饱和水体位于下游河道上层，加快其逸出速度。

受溢流面上水深的限制，二道坝坝顶过流能力可能无法满足大坝最大下泄能力的要求，可在坝体内部设置引水道，将水垫塘内的水体通过坝体引入下游，提高坝体过流能力。不仅如此，可在引水道内设置贯流式水轮机，在利用水体势能发电的同时，也可利用水轮机的搅拌能力，增强水体紊动，提高过饱和气体的逸出速度，进一步减弱气体过饱和对下游河道的影响。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种改善气体过饱和的生态友好型二道坝，包括坝体，其特征在于：所述坝体的下游面为溢流面，并在坝项设置闸门控制溢流面上出流流量，使溢流面出流的最大水深不超过5m；所述坝体的溢流面未端设置跌坎，把过坝水流导至下游表面；所述坝体内部设置引水道，将水垫塘内的水体通过坝体引入下游。

2.如权利要求1所述的改善气体过饱和的生态友好型二道坝，其特征在于：所述溢流面的顶部溢流段为WES曲线，溢流面的直线段坡度为1:1.5～1:2。

3.如权利要求1所述的改善气体过饱和的生态友好型二道坝，其特征在于：所述跌坎挑角的角度为1°～4°。

4.如权利要求1或2或3所述的改善气体过饱和的生态友好型二道坝，其特征在于：所述引水道内设置有贯流式水轮机，在引水道进水段设置引水道检修闸门和引水道工作闸门，在引水道出水段设置尾水检修闸门。

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