CN207582438U - 一种变角度挑坎及百叶窗式消力池尾坎联合消能结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种变角度挑坎及百叶窗式消力池尾坎联合消能结构，本实用新型宽尾墩墩尾连接挑坎首部，挑坎尾部与阶梯溢流坝的首级台阶相连，消力池尾坎的迎水面与背水面为百叶窗式，挑坎为变角度挑坎。本实用新型通过对挑坎角度以及百叶窗式消力池尾坎迎水与背水面的叶片开度这两个方面的优化，第一，各级流量的消能率都有很大程度的提升，尽管台阶后负压略大，但仍在规范内；第二，可以增大底部阶梯的掺气浓度，通过前置挑坎保护前几级阶梯，抗空蚀性能明显提高，消能效果明显；第三，改变了消力池内的水流流态，对底板脉动荷载与消力池的消能效率有较大的提高；最后，改善了泄流时产生的雾化现象，并且使得出池水流更加平稳。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种变角度挑坎及百叶窗式消力池尾坎联合消能结构，属于水利水电工程中水工建筑物泄洪消能领域。
背景技术
在坝工设计中，泄洪和消能是泄水建筑物承担的两大任务，即安全宣泄多余洪水的同时严格控制下泄水流对坝体及下游基坑的冲刷，防止坝体破坏和坝基失稳。尤其对于高水头、大流量泄洪工程，存在着底板临底流速和脉动压力较大，抗冲保护难度大，且所需消力池尺寸大，造价高等问题，因此对这种消能形式的研究和工程应用一直存在局限性。
针对传统消能工的基础上，引入了阶梯溢流坝进行消能，结合宽尾墩和消力池，形成一体化的消能设施，这种消能形式兼有宽尾墩消能和阶梯溢流坝消能的优点，它既利用阶梯式溢流面进一步增进了宽尾墩的消能率，又利用宽尾墩后的无水区从水舌底部向阶梯坝面通气来避免空化和空蚀破坏，从而使阶梯式溢流坝向高水头大单宽流量方向发展。
虽然对于宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能形式的消能机理的研究已经相对比较充分，但在高水头、大单宽流量条件下，阶梯面上水深加大，底部缺乏掺气条件，仅仅依靠阶梯的摩阻作用不能将巨大的能量消除，坝面会出现严重的空蚀破坏。为了减小或消除阶梯面负压，需要为水舌底部创造掺气条件，增大掺气空腔和掺气浓度，从而增强减免空化空蚀的力度。为此，实际工程应用中常在宽尾墩下的WES曲面与阶梯溢流坝连接处往往设置前置掺气坎，以增加掺气效果，改变水流特性和消能特性。
常见的掺气坎形式分为两种：一种是堰面与阶梯溢流面相切，然后在堰面上加设一坎形成掺气挑坎的形式，另一种是堰面末端与阶梯面之间存在一定高差，直接利用这一高差形成掺气跌坎的形式。但前置掺气坎的这种过渡衔接方式仅仅是依靠工程设计经验选定，这种连接方式对坝面的水流流态、掺气特性、压强分布、空化空蚀及消能机理等的影响和过渡连接段的合适角度并没有一个最优的结果。
从技术角度看，由于底流消力池是通过大尺度水跃进行消能，水流紊动强烈，能量耗散主要集中在消力池前半区，该区域内消力池底板所受荷载往往比较集中，临底流速高，初步估算，当上下游水位差高于60m时，消力池最大临底流速即可达到30m/s以上。在高水头大流量条件下，采用底流消力池方案，由于临底流速与脉动压强等水力学指标较高，容易造成消力池底板板块的失稳破坏。其主要破坏模式为：（1）高速水流可直接诱发底板的空化空蚀破坏；（2）高速含沙水流对消力池的磨蚀发展到一定程度后出现空化空蚀破坏；（3）脉动荷载造成板块间止水的破坏后，因高速水流动水压力的传递引起板块失稳破坏；（4）强烈的脉动荷载在瞬间直接造成板块失稳破坏。上述四种破坏模式在国内外已建工程中均出现过，实地调研与分析研究均表明，尽管上述工程的破坏原因各不相同，但都与消力池临底水力学指标过高有直接关系。可见，在高水头大流量条件下采用底流消能方式，尚存在较大的技术风险。
发明内容
针对目前水工建筑物泄流消能设计当中掺气方面的不足与坝面空化空蚀等问题，本实用新型提供了一种变角度挑坎及百叶窗式消力池尾坎联合消能结构。
本实用新型的技术方案是：一种变角度挑坎及百叶窗式消力池尾坎联合消能结构，宽尾墩1墩尾连接挑坎2首部，挑坎2尾部与阶梯溢流坝3的首级台阶相连，消力池尾坎5的迎水面6与背水面7为百叶窗式，挑坎2为变角度挑坎。
共同调整挑坎2的角度θ n 、百叶窗式消力池尾坎5的迎水面6与背水面7叶片的开度β n 适应不同流量的过堰水流。
所述挑坎2的角度θ n 为10°—15°、百叶窗式消力池尾坎5的迎水面6与背水面7叶片的开度β n 为20°—30°时，用于通过235m3/s·m—270 m3/s·m范围内的单宽流量。
所述挑坎2的角度θ n 为5°—10°、百叶窗式消力池尾坎5的迎水面6与背水面7叶片的开度β n 为10°—20°时，用于通过190m3/s·m—235 m3/s·m范围内的单宽流量。
所述挑坎2的角度θ n 为0°—5°、百叶窗式消力池尾坎5的迎水面6与背水面7叶片的开度β n 为0°—10°时，用于通过不超出190m3/s·m的单宽流量。
本实用新型的有益效果是：通过对挑坎角度以及百叶窗式消力池尾坎迎水与背水面的叶片开度这两个方面的优化，第一，各级流量的消能率都有很大程度的提升，尽管台阶后负压略大，但仍在规范内；第二，可以增大底部阶梯的掺气浓度，通过前置挑坎保护前几级阶梯，抗空蚀性能明显提高，消能效果明显；第三，改变了消力池内的水流流态，对底板脉动荷载与消力池的消能效率有较大的提高；最后，改善了泄流时产生的雾化现象，并且使得出池水流更加平稳。
附图说明
图1是本实用新型所处整体结构的立面结构示意图；
图2是本实用新型所处整体结构的侧面结构示意图；
图3是本实用新型挑坎部分所处整体结构的侧面结构放大示意图；
图4是附图3所示实施方式的侧面结构示意图；
图5是附图3所示实施方式的侧面结构示意图；
图6是附图3所示实施方式的侧面结构示意图；
图7是附图4的所处整体结构的侧面结构放大示意图；
图8是附图5的所处整体结构的侧面结构放大示意图；
图9是附图6的所处整体结构的侧面结构放大示意图；
图10是本实用新型尾坎部分所处整体结构的侧面结构放大示意图；
图11是附图10所示实施方式的侧面结构示意图；
图12是附图10所示实施方式的侧面结构示意图；
图13是附图10所示实施方式的侧面结构示意图；
图中各标号为：1—宽尾墩、2—挑坎、3—阶梯溢流坝、4—WES曲线段、5—消力池尾坎、6—迎水面、7—背水面、θ—角度可变挑坎总角度、θ n —挑坎改变的角度、θ 1—实施例1中的挑坎角度为12°、θ 2—实施例2中的挑坎角度为8°、θ 3—实施例3中的挑坎角度为3°、β n —百叶窗式尾坎迎水与背水面的开度、β 1—实施例1中的尾坎迎水和背水面开度为30°、β 2—实施例2中的尾坎迎水和背水面开度为20°、β 3—实施例3中的尾坎迎水和背水面开度为10°。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的内容并不限于所述范围。
实施例1：
本实例的变角度的挑坎部分，宽尾墩1墩尾连接变角度挑坎2首部，变角度挑坎2尾部与阶梯溢流坝3的首级台阶相连，水流通过宽尾墩1墩尾流向变角度挑坎2，再经过挑坎流向阶梯溢流坝3，当堰顶单宽流量为235m3/s·m—270 m3/s·m范围内时，通过调整挑坎的角度θ 1为12°来改变过堰水流的形态，使得从宽尾墩1墩尾射出的水流，通过调整挑坎2的角度θ 1来使得射出的水流能够与空气充分接触，并且能够在水舌底部创造掺气条件，增大掺气空腔和掺气浓度，能够提供阶梯溢流坝的消能率；
本实例的百叶窗式消力池尾坎部分，当消力池临底水流通过百叶窗式尾坎迎水面6再经过尾坎内部的旋滚之后，最后通过百叶窗式尾坎背水面7流出，当堰顶单宽流量为235m3/s·m—270 m3/s·m范围内时，通过调整消力池尾坎迎水面6的开度β 1为30°来降低消力池水流的临底流速，并且通过调整消力池尾坎背水面7的开度β 1为30°来增加水流的旋滚次数，能够提高底流消能的消能率。
通过该种方法，可以提高10％到18％。
实施例2：
本实例的变角度的挑坎部分，宽尾墩1墩尾连接变角度挑坎2首部，变角度挑坎2尾部与阶梯溢流坝3的首级台阶相连，水流通过宽尾墩1墩尾流向变角度挑坎2，再经过挑坎流向阶梯溢流坝3，当堰顶单宽流量为190m3/s·m—235 m3/s·m范围内时，通过调整挑坎的角度θ 2为8°来改变过堰水流的形态，使得从宽尾墩1墩尾射出的水流，通过调整挑坎2的角度θ 2来使得射出的水流能够与空气充分接触，并且能够在水舌底部创造掺气条件，增大掺气空腔和掺气浓度，能够提供阶梯溢流坝的消能率；
本实例的百叶窗式消力池尾坎部分，当消力池临底水流通过百叶窗式尾坎迎水面6再经过尾坎内部的旋滚之后，最后通过百叶窗式尾坎背水面7流出，当堰顶单宽流量为190m3/s·m—235 m3/s·m范围内时，通过调整消力池尾坎迎水面6的开度β 2为20°来降低消力池水流的临底流速，并且通过调整消力池尾坎背水面7的开度β 2为20°来增加水流的旋滚次数，能够提高底流消能的消能率。
通过该种方法，可以提高9％到14％。
实施例3：
本实例的变角度的挑坎部分，宽尾墩1墩尾连接变角度挑坎2首部，变角度挑坎2尾部与阶梯溢流坝3的首级台阶相连，水流通过宽尾墩1墩尾流向变角度挑坎2，再经过挑坎流向阶梯溢流坝3，当堰顶单宽流量不超出190m3/s·m时，通过调整挑坎的角度θ 3为3°来改变过堰水流的形态，使得从宽尾墩1墩尾射出的水流，通过调整挑坎2的角度θ 3来使得射出的水流能够与空气充分接触，并且能够在水舌底部创造掺气条件，增大掺气空腔和掺气浓度，能够提供阶梯溢流坝的消能率；
本实例的百叶窗式消力池尾坎部分，当消力池临底水流通过百叶窗式尾坎迎水面6再经过尾坎内部的旋滚之后，最后通过百叶窗式尾坎背水面7流出，当堰顶单宽流量不超过190m3/s·m时，通过调整消力池尾坎迎水面6的开度β 3为10°来降低消力池水流的临底流速，并且通过调整消力池尾坎背水面7的开度β 3为10°来增加水流的旋滚次数，能够提高底流消能的消能率。
通过该种方法，可以提高6％到11％。
上述实施例，仅仅给出部分，如下给出其它情况：
1、当堰顶单宽流量为235m3/s·m—270 m3/s·m，θ n 取值10°，取值20°，提高7%-11%。
2、当堰顶单宽流量为235m3/s·m—270 m3/s·m，θ n 取值10°，取值30°，提高9%-13%。
3、当堰顶单宽流量为235m3/s·m—270 m3/s·m，θ n 取值15°，取值20°，提高8%-12%。
4、当堰顶单宽流量为235m3/s·m—270 m3/s·m，θ n 取值15°，取值30°，提高11%-18%。
5、当堰顶单宽流量为190m3/s·m—235m3/s·m，θ n 取值5°，取值10°，提高5%-8%。
6、当堰顶单宽流量为190m3/s·m—235m3/s·m，θ n 取值5°，取值20°，提高6%-9%。
7、当堰顶单宽流量为190m3/s·m—235m3/s·m，θ n 取值10°，取值10°，提高7%-11%。
8、当堰顶单宽流量为190m3/s·m—235m3/s·m，θ n 取值10°，取值20°，提高9%-14%。
9、当堰顶单宽流量不超过190m3/s·m时，θ n 取值0°，取值0°，提高0%-3%。
10、当堰顶单宽流量不超过190m3/s·m时，θ n 取值0°，取值10°，提高0%-6%。
11、当堰顶单宽流量不超过190m3/s·m时，θ n 取值5°，取值0°，提高0%-5%。
12、当堰顶单宽流量不超过190m3/s·m时，θ n 取值5°，取值10°，提高0%-8%。
除了上述组合，也可以在给定范围内给出其它组合。
实施例4：一种变角度挑坎及百叶窗式消力池尾坎联合消能结构，宽尾墩1墩尾连接挑坎2首部，挑坎2尾部与阶梯溢流坝3的首级台阶相连，消力池尾坎5的迎水面6与背水面7为百叶窗式（通过百叶窗式设置，叶片转动，开度可调），挑坎2为变角度挑坎（通过轴转动，带动挑坎变角度）。
进一步地，可以共同调整挑坎2的角度θ n 、百叶窗式消力池尾坎5的迎水面6与背水面7叶片的开度β n 适应不同流量的过堰水流。
进一步地，可以设置所述挑坎2的角度θ n 为10°—15°、百叶窗式消力池尾坎5的迎水面6与背水面7叶片的开度β n 为20°—30°时，用于通过235m3/s·m—270 m3/s·m范围内的单宽流量。
进一步地，可以设置所述挑坎2的角度θ n 为5°—10°、百叶窗式消力池尾坎5的迎水面6与背水面7叶片的开度β n 为10°—20°时，用于通过190m3/s·m—235 m3/s·m范围内的单宽流量。
进一步地，可以设置所述挑坎2的角度θ n 为0°—5°、百叶窗式消力池尾坎5的迎水面6与背水面7叶片的开度β n 为0°—10°时，用于通过不超出190m3/s·m的单宽流量。
上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种变角度挑坎及百叶窗式消力池尾坎联合消能结构，其特征在于：宽尾墩（1）墩尾连接挑坎（2）首部，挑坎（2）尾部与阶梯溢流坝（3）的首级台阶相连，消力池尾坎（5）的迎水面（6）与背水面（7）为百叶窗式，挑坎（2）为变角度挑坎。
2.根据权利要求1所述的变角度挑坎及百叶窗式消力池尾坎联合消能结构，其特征在于：共同调整挑坎（2）的角度θ n 、百叶窗式消力池尾坎（5）的迎水面（6）与背水面（7）叶片的开度β n 适应不同流量的过堰水流。
3.根据权利要求2所述的变角度挑坎及百叶窗式消力池尾坎联合消能结构，其特征在于：所述挑坎（2）的角度θ n 为10°—15°、百叶窗式消力池尾坎（5）的迎水面（6）与背水面（7）叶片的开度β n 为20°—30°时，用于通过235m3/s·m—270 m3/s·m范围内的单宽流量。
4.根据权利要求2所述的变角度挑坎及百叶窗式消力池尾坎联合消能结构，其特征在于：所述挑坎（2）的角度θ n 为5°—10°、百叶窗式消力池尾坎（5）的迎水面（6）与背水面（7）叶片的开度β n 为10°—20°时，用于通过190m3/s·m—235 m3/s·m范围内的单宽流量。
5.根据权利要求2所述的变角度挑坎及百叶窗式消力池尾坎联合消能结构，其特征在于：所述挑坎（2）的角度θ n 为0°—5°、百叶窗式消力池尾坎（5）的迎水面（6）与背水面（7）叶片的开度β n 为0°—10°时，用于通过不超出190m3/s·m的单宽流量。
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