CN203188185U - 一种超低佛氏数下的联合消能结构 - Google Patents

Abstract

一种超低佛氏数下的联合消能结构——非完全式宽尾墩，包括闸门⑴、闸墩⑵和闸孔⑶，至少一个闸孔⑶两侧的闸墩⑵尾部设置宽尾墩⑷，所述设有宽尾墩⑷的闸孔⑶呈不连续布置。其优点在于：可以在较大变幅的尾水位条件下运行；对泄水建筑物的泄流能力影响小；超低佛氏数条件下的消能率稳定，能较好地控制出池水流的流速及流态，减小下游河道的冲刷；改善了消力池中辅助消能工的工作条件，降低了消能工发生破坏的可能性；有效将水流消能任务控制在消力池首部，降低了消力池尾部的消能压力，根据实际情况可考虑尾部不设置任何辅助消能工。

Description

一种超低佛氏数下的联合消能结构

技术领域

本实用新型涉及水利水电技术领域，具体的说是一种超低佛氏数下的联合消能结构。

背景技术

目前在国内外低佛氏数底流消能仍是一个难题。在大单宽流量(200m³/s·m)、超低佛氏数(Fr=1～2)，上下游水位落差小的消力池内消能率极低，尾坎处水面严重雍高，出池水流形成二次水跃，下游很远范围内水面波动较大，河床和两岸边坡冲刷严重。在消力池内布设梯形墩和T型墩等辅助消能工后，由于下游水深较大，辅助消能工作用不明显。在溢流堰尾部增设趾墩后，能迫使入池主流下潜，增大水流水深方向的流速梯度，增强水流水深方向的剪切掺混作用，提高消力池的消能率，但一方面趾墩处存在流速大，趾墩两侧面压力小，水流易出现空化空蚀的问题，同时另一方面梯形墩两侧流速高达15m/s，超过设计规范允许值，两侧及顶部动水压力小，容易发生空化空蚀破坏。

专利号为200920198594.6的实用新型专利“宽尾墩跌坎底流消能结构”中提出在闸墩中部或尾部布置宽尾墩，溢流坝面反弧段末端与斜坡段平滑连接，斜坡段末端与消力池底板之间形成具有高度差的跌坎，这种消能工结构可以避免或减小宽尾墩收缩水流及坝面告诉水流对底板的冲击，降低坝面水流进入消力池的临底流速，提高消力池底板的安全性。对于一些上下游水位差较小，单宽流量较大的工程，底板冲击压力不大，设置跌坎后，跌坎下的水流不易紊动，不能充分利用消力池竖向的空间，另一方面由于跌坎的存在，入池水流的主流一般达到不到池底，限制了池底辅助消能工的布置。因此这类工程的消能问题不能得到很好的解决。

专利号为00251460.5的实用新型专利“宽尾墩—阶梯式坝面—戽池联合消能结构”中提到采用宽尾墩、阶梯式坝面和戽池三者联合的泄洪消能结构，即在溢流坝体上部闸墩的下游侧设置有宽尾墩，宽尾墩的下方连接有阶梯坝面，阶梯坝面的末端连接有戽池。此种结构泄洪水利用阶梯坝面消能的同时，又利用了宽尾墩坝面无水区对阶梯底部进行自然通气以避免空化和空蚀。部分工程受地形地质条件的影响，宽尾墩后溢流坝面很短，阶梯式溢流坝面消能作用不明显，且对入池水流流态有一定的影响。对于下游水位变幅大，单宽泄流量大的径流式电站戽池消能不太适用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种将非完全宽尾墩、消力池和梯形墩相结合的超低佛氏数下的联合消能结构。

本实用新型超低佛氏数下的联合消能结构，包括闸门、闸墩和闸孔，至少一个闸孔两侧的闸墩尾部设置宽尾墩，所述设有宽尾墩的闸孔呈不连续布置。

所述闸门下设消力池，所述消力池的底板上设有梯形墩。

所述宽尾墩的横截面近似直角梯形，直角梯形的斜腰位于闸孔内侧，直角腰位于闸孔外侧。

所述宽尾墩的收缩比取值范围为0.25～0.533，扩散角的取值范围为12.68°～21.8°。

所述梯形墩的高度为消力池的尾坎高度的1/4～2/5。

所述梯形墩的顶面与两侧面、顶面与上游斜面边缘分别倒角呈45°。

所述消力池尾部为直角或者斜坡尾坎。

部分闸室布设宽尾墩相对于全部闸室布置宽尾墩而言，一方面减小了宽尾墩对泄水建筑物泄流能力得到影响，另一方面增大了水流横向扩散的空间，增强了消力池首部水流的立轴旋滚，同时由于宽尾墩的横向束窄作用，水流竖向被拉伸，主流与梯形墩充分接触，加强了水流的横轴旋滚，同时由于水流的三维不规则紊动，消除了梯形墩处流速大、压力小、易空蚀的问题。

本实用新型超低佛氏数下的联合消能结构的优点是：

1、可以在较大变幅的尾水位条件下运行；

在低水头水利枢纽运行过程中，下游水位会根据下泄流量和下游梯级调水量产生较大幅度的变化，采用“非完全式宽尾墩”，一方面，在尾水位较低时，着重强化出闸水流的平面扩散作用，间隔地布置宽尾墩使得进入消力池的流束在平面上有一定的扩散空间，不会产生集中水流；另一方面，当尾水位较高时，出闸水流经过宽尾墩束窄作用后，沿水深方向明显扩散，一部分跃出水面掺入大量气体，一部分潜入池底与辅助消能工充分作用，从而提高消能效果。

2、对泄水建筑物的泄流能力影响小；

泄水建筑物的泄流能力是通过全部闸门全部开启来作为控制因素的，非完全宽尾墩联合消能工，一方面只在部分闸孔布置宽尾墩，相对于全部闸孔布置宽尾墩，对泄水建筑物的影响要小；另一方面低佛氏数、大单宽流量的电站，通常在校核洪水、设计洪水工况下，上下游水位差较小，宽尾墩的阻水作用不明显，单孔对泄流能力影响较小。

3、消能率稳定，能稳定的控制出池水流的流速及流态，减小下游河道的冲刷；

消力池内采用非完全宽尾墩联合消能工，消力池内水流紊动强烈，消力池内基本呈现出消力池前部紊动强烈，后部紊动较弱的特点，尾坎基本不存在水面雍高现象，尾坎后无二次水跃出现，出池水流断面流速均匀，流速较小，减小了下游河道的冲刷；

4、提高了梯形墩的工作条件，降低了梯形墩发生破坏的可能性；

在未设置非完全宽尾墩的条件下，低佛氏数、大单宽流量的水流入池流速均较大，可能会超过设计规范梯形墩允许的最大流速15m/s，且梯形墩处容易产生脉动负压，发生空蚀破坏，布置非完全宽尾墩后，增加了水流的横轴和立轴旋滚，使水流运动及其不规则，提高了梯形墩的动水压力以及脉动的最小值，同时降低梯形墩附近水流的流速，降低了梯形墩发生空蚀破坏的可能性；

5、有效将水流消能任务控制在消力池首部，降低了尾坎处的消能任务，甚至可以取消T型墩；

由于非完全宽尾墩可以将水流的大部分能量耗散在消力池首部，水流经过梯形墩后消能任务基本完成，因此T型墩的消能作用显得微不足道，仅仅起到对出池水流的流速调整的作用，如果消力池尾部采用直角或者斜坡尾坎，T型墩就基本可以取消。

附图说明

图1为本实用新型超低佛氏数下的联合消能结构的结构示意图。

图2为本实用新型超低佛氏数下的联合消能结构的侧视图。

其中：1为闸门，2为闸墩，3为闸孔，4为宽尾墩，5为消力池，6为梯形墩。

具体实施方式

实施例一

下面结合附图，对本实用新型进行进一步说明：根据图1、图2所示，一种超低佛氏数下的联合消能结构，包括闸门1、闸墩2和闸孔3，两个闸孔3两侧的闸墩2尾部设置宽尾墩4，所述设有宽尾墩4的闸孔3呈不连续布置。即并非所有闸孔3均设置宽尾墩，如附图中采用的是仅有中间2个闸孔设置宽尾墩的布置型式，并且该宽尾墩的运行条件并不完全满足规范(Q/CHECC002-2007)中的设计要求。

所述闸门1下设消力池5，所述消力池5的底板上设有梯形墩6。

所述宽尾墩4的横截面近似直角梯形，直角梯形的斜腰位于闸孔3内侧，直角腰位于闸孔3外侧。

所述宽尾墩4的收缩比为0.25，扩散角为21.8°。

所述梯形墩6的高度为消力池5的尾坎高度的1/3。

所述梯形墩6的顶面与两侧面、顶面与上游斜面边缘分别倒角呈45°。

所述消力池5尾部为直角尾坎。

实施例二

一种超低佛氏数下的联合消能结构，包括闸门1、闸墩2和闸孔3，一个闸孔3两侧的闸墩2尾部设置宽尾墩4，所述设有宽尾墩4的闸孔3呈不连续布置。

所述闸门1下设消力池5，所述消力池5的底板上设有梯形墩6。

所述宽尾墩4的横截面近似直角梯形，直角梯形的斜腰位于闸孔3内侧，直角腰位于闸孔3外侧。

所述宽尾墩4的收缩比为0.533，扩散角为12.68°。

所述梯形墩6的高度为消力池5的尾坎高度的1/4。

所述梯形墩6的顶面与两侧面、顶面与上游斜面边缘分别倒角呈45°。

所述消力池5尾部为斜坡尾坎。

实施例三

一种超低佛氏数下的联合消能结构，包括闸门1、闸墩2和闸孔3，三个闸孔3两侧的闸墩2尾部设置宽尾墩4，所述设有宽尾墩4的闸孔3呈不连续布置。

所述闸门1下设消力池5，所述消力池5的底板上设有梯形墩6。

所述宽尾墩4的横截面近似直角梯形，直角梯形的斜腰位于闸孔3内侧，直角腰位于闸孔3外侧。

所述宽尾墩4的收缩比为0.39，扩散角为17°。

所述梯形墩6的高度为消力池5的尾坎高度的2/5。

所述梯形墩6的顶面与两侧面、顶面与上游斜面边缘分别倒角呈45°。

所述消力池5尾部为直角尾坎。

贵州省角木塘水电站位于芙蓉江干流下游河段，地处贵州省道真县忠信镇联江村放牛坪，为芙蓉江水电梯级开发中的第10级，上衔官庄水电站，下接浩口水电站，距道真县城33km。工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，工程主要任务是发电。水库正常蓄水位为383m，总库容为3259万m³。电站装机容量为70MW,电站装机2台，多年平均发电量为2.436亿KWh。工程主要由挡水建筑物、泄水建筑物、发电引水建筑物、发电厂房和户内升压站等建筑物组成。挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，坝顶高程388.0m，最大坝高66.4m，坝顶宽度为6.0m。坝轴线总长178.0m，其中左岸非溢流坝段长23.5m，右岸厂房坝段长70.0m，溢流坝段长84.5m。溢流坝段布置于河床偏左岸，溢流净宽为62.5m，堰顶高程为364.5m。

贵州省芙蓉江角木塘水电站由于工程坝址洪水量大，50年一遇设计洪水为9600 m3/s，500年一遇校核洪水13200 m3/s。在5孔溢流表孔坝段内，受闸室束窄影响，行洪断面设计最大单宽流量达近211m3/s·m，在下游消力池内该值也接近170m3/s·m左右，而在各级洪水条件下，上下游水位差基本在20m以内，具有低水头、大单宽流量、低佛氏数、底流消能率较低的特点，选定满足要求的消能防冲布置方案设计和试验难度均较大。

实验小组在武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室水工模型大厅内进行了角木塘水电站水工模型动床试验。试验中通过对各种联合消能工结构形式的试验研究，最终提出非完全式宽尾墩联合消能工，该体型很好地解决了角木塘水电站消能困难的问题。本实用新型在角木塘水电站中的体型布置说明如下图所示：

表1  各工况下参数hd/Pd情况表

中国水电顾问集团公司企业标准Q/CHECC 002-2007《重力坝宽尾墩台阶溢流面联合消能工设计导则》中规定，宽尾墩联合消能工的适宜应用范围：H_d /P_d=0.28～0.85。结合上表可以看出，宽尾墩联合消能工仅在P=50%工况接近应用要求。P=50%工况5孔闸门采用2#、4#闸孔均匀开启方式最优，2#、4#孔布置宽尾墩能让水流在水平方向最大程度的对称扩散。结合不同的工程，对宽尾墩扩散角及收缩比进行一定的优化，即可达到提升消力池效能率，控制出池水流流速，减小下游河床及岸坡冲刷的效果。

Claims (7)

1.一种超低佛氏数下的联合消能结构，包括闸门⑴、闸墩⑵和闸孔⑶，其特征在于：至少一个闸孔⑶两侧的闸墩⑵尾部设置宽尾墩⑷，所述设有宽尾墩⑷的闸孔⑶呈不连续布置。

2.如权利要求1所述的超低佛氏数下的联合消能结构，其特征在于：所述闸门⑴下设消力池⑸，所述消力池⑸的底板上设有梯形墩⑹。

3.如权利要求1所述的超低佛氏数下的联合消能结构，其特征在于：所述宽尾墩⑷的横截面近似直角梯形，直角梯形的斜腰位于闸孔⑶内侧，直角腰位于闸孔⑶外侧。

4.如权利要求1-3任一项所述的超低佛氏数下的联合消能结构，其特征在于：所述宽尾墩⑷的收缩比取值范围为0.25～0.533，扩散角的取值范围为12.68°～21.8°。

5.如权利要求2所述的超低佛氏数下的联合消能结构，其特征在于：所述梯形墩⑹的高度为消力池⑸的尾坎高度的1/4～2/5。

6.如权利要求2或5所述的超低佛氏数下的联合消能结构，其特征在于：所述梯形墩⑹的顶面与两侧面、顶面与上游斜面边缘分别倒角呈45°。

7.如权利要求2或5所述的超低佛氏数下的联合消能结构，其特征在于：所述消力池⑸尾部为直角或者斜坡尾坎。

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