專利名稱：一種排水系統(tǒng)入?？诙諙艤u流室復(fù)合消能方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種排水系統(tǒng)入?？诙諙艤u流室復(fù)合消能方法，是一種水利工 程方法和設(shè)施，用于將雨水排入海中時(shí)消除大量雨水涌出排水口所帶水動(dòng)能。
技術(shù)背景在沿海城市，暴雨積水一般通過排水系統(tǒng)流入大海。在雨量巨大的地方排 除的水流在排水口是十分巨大的，如果在排水管的出口不采取措施是十分危險(xiǎn) 的，會(huì)對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞性的影響。對(duì)于這樣的排水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)水力 性能優(yōu)良的入?？谒こ淘O(shè)施非常重要。入?？诘乃こ探Y(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)有足夠 的消能能力，以使海床受到的沖刷作用盡可能小，同時(shí)要求排出水流的流速對(duì) 海洋設(shè)施和周圍生態(tài)環(huán)境沒有大的不利影響。消力池方法是在水電站常采用的 消除水中動(dòng)能水利工程方法。方法是在泄水建筑物下游降低河床高程，形成水 池，增加水深，達(dá)到消能目的。由于是入海排水口，水電站消力池降低流道底 高程，開挖消力水池的方法是不允許的。一種典型的排水系統(tǒng)入?？谟膳潘诤鸵粋€(gè)在流道底平面修建的擴(kuò)散池組 成。在一般情況下，排水管道或者隧洞的流速很大，受地形限制或其他原因擴(kuò) 散池尺寸不能隨意無限擴(kuò)大。同時(shí)為了不讓各種雜物，如石塊、泥沙大量滯留 在排水系統(tǒng)流道中，在擴(kuò)散池出口設(shè)置消力墩消能。消力墩的尺寸和布置方式、 位置非常關(guān)鍵，不僅要容許各種雜物自由通過消力墩之間空隙，而且要將大部 分水流的動(dòng)能消耗。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在擴(kuò)散池的出口布置一排或者多排消力墩， 主要通過消力墩對(duì)水流的阻力進(jìn)行消能。傳統(tǒng)的想法是為增加消能效率而增加 消力墩的排數(shù)，即為消除較大的水動(dòng)能而設(shè)立許多排消力墩。然而，如果在擴(kuò) 散池過多布設(shè)消力墩，可能會(huì)增加對(duì)水流的消能效果，但擴(kuò)散池中的流動(dòng)可能
影響排水管道的出流能力，勢(shì)必要求增加排水管道的直徑，大大增加整個(gè)排水 系統(tǒng)的投資。另外，在擴(kuò)散池與排水管道不同軸的情況下，流出擴(kuò)散池的水流 分布嚴(yán)重不均勻，同樣會(huì)造成外部生態(tài)的破壞。因此，發(fā)明創(chuàng)造新型的排水系 統(tǒng)入?？谙芄な欠浅１匾?。 發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有的技術(shù)問題，本發(fā)明提出 一種排水系統(tǒng)入?？诙諙艤u流室復(fù)合 消能方法。所述方法是采用新的消能理論，巧妙布置消力墩組成的墩柵，以形 成渦流室，并且通過誘使渦流室前水流發(fā)生水躍，水躍在渦流室中產(chǎn)生旋渦， 依靠水流自身相互作用消能。旋渦消能與消力墩消能相結(jié)合達(dá)到聯(lián)合消能的目 的，提高了消能效率。根據(jù)所述方法建造的消能設(shè)施在各種條件都已確定的情 況下，產(chǎn)生了有效的消能效果，大大地降低了工程費(fèi)用。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種排水系統(tǒng)入?？诙諙艤u流室復(fù)合消能方 法，包括進(jìn)水口、對(duì)稱擴(kuò)散池的兩相對(duì)側(cè)墻、由消力墩組成的墩柵、渦流室、 出水口，其關(guān)鍵在于所述方法的步驟帶有動(dòng)能的水流經(jīng)入水口進(jìn)入擴(kuò)散池；在擴(kuò)散池的入水口附近布置第一排墩柵， 一方面利用墩柵的阻力消能，另 一方面利用墩柵誘發(fā)強(qiáng)烈的水躍消能；水躍越過第 一排墩柵進(jìn)入渦流室中產(chǎn)生強(qiáng)烈旋渦，水流的動(dòng)能在旋渦中耗 散，渦流室還具有水池的作用，能將水流大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能；在擴(kuò)散池的出水口附近布置第二排墩柵，利用墩柵的阻力對(duì)經(jīng)過旋渦消能 的水流再次消能；通過出水口排出經(jīng)消能的水流。一種排水系統(tǒng)入?？诙諙艤u流室復(fù)合消能設(shè)施，包括進(jìn)水口、對(duì)稱擴(kuò)散池 兩相對(duì)側(cè)墻，出水口 ，在擴(kuò)散池入水口兩相對(duì)側(cè)墻之間與擴(kuò)散池中心軸線垂直 的方向上、并在能夠誘發(fā)入水水流產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈水躍的位置布置由消力墩組成
的第一排墩柵，在擴(kuò)散池出水口布置由消力墩組成的第二排墩柵，兩排墩柵平 行布置，在第 一排墩柵與第二排墩柵之間形成能產(chǎn)生強(qiáng)烈旋渦的渦流室。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是本發(fā)明使用的消能理論與傳統(tǒng)的消力墩的消能 理論不同。本發(fā)明是依靠水躍、渦流室、消力墩組成的墩柵阻力三者聯(lián)合消能， 而傳統(tǒng)并列布置消力墩是僅僅依靠消力墩的阻力消能，因此本發(fā)明的消能效果 十分明顯。本發(fā)明具有很好的調(diào)節(jié)擴(kuò)散池出流分布的作用，而傳統(tǒng)消力墩布置 在這方面作用較小，這在擴(kuò)散池和排水隧洞不同軸的情況下特別重要，后者條 件下擴(kuò)散池出口水流分布會(huì)嚴(yán)重不均勻。而本發(fā)明的渦流室具有水池的穩(wěn)流和 均流作用，加上入水口的導(dǎo)向設(shè)施有效地解決了出水口水流分布不均的問題。 在達(dá)到同樣消能效果的情況下本發(fā)明的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、施工方便，建設(shè)投資大大節(jié) 約。 一般情況下，本發(fā)明只需平行布設(shè)兩排墩柵，就可以明顯地解決消能問題。 而傳統(tǒng)消力墩布設(shè)要達(dá)到同樣消能效果，必須布設(shè)很多消力墩， 一旦擴(kuò)散池中 的流動(dòng)影響排水管道的出流能力，勢(shì)必要求增加排水管道的直徑，大大增加整 個(gè)排水系統(tǒng)的投資。由于水躍在渦流室中產(chǎn)生旋渦，雜物在渦流室中無法停留， 所以無須清理。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1是實(shí)施例一中所述的墩柵渦流室復(fù)合消能設(shè)施的平面示意圖；圖2是實(shí)施例一中所述的墩柵渦流室中的水流動(dòng)示意圖；圖3是實(shí)施例一中所述的利用墩柵渦流室復(fù)合消能設(shè)施的雨水入?？谒そㄖ锟v向剖面圖；圖4是實(shí)施例一中所述的利用墩柵渦流室復(fù)合消能設(shè)施的雨水入海口水工建筑物平面圖；圖5是實(shí)施例一中所述的流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖； 圖6是實(shí)施例一中所述的扇形導(dǎo)流墩柵的布置示意圖；圖7是實(shí)施例四中具有梯形消力墩的渦流室復(fù)合消能設(shè)施的示意圖； 圖8是實(shí)施例五中具有三角形消力墩的渦流室復(fù)合消能設(shè)施的示意圖； 圖9是實(shí)施例六中具有入水口導(dǎo)流設(shè)施的渦流室復(fù)合消能設(shè)施示意圖； 圖10是實(shí)施例十中具有入水口導(dǎo)流設(shè)施和矩形導(dǎo)流墩扇形排開的渦流室復(fù)合消能設(shè)施示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一本實(shí)施例為排水系統(tǒng)入?？诙諙艤u流室復(fù)合消能方法，如圖1所示。本實(shí) 施例包括進(jìn)水口 1:進(jìn)水口可以與雨水排涵洞的出口或者是其他水工工程的出水口連接。對(duì)稱擴(kuò)散池的兩相對(duì)側(cè)墻2:本實(shí)施例所述的對(duì)稱擴(kuò)散池實(shí)際上是由兩堵相 對(duì)的側(cè)墻組成的水池，這個(gè)水池的平面圖為由兩個(gè)對(duì)稱斜邊墻組成的等腰梯形， 進(jìn)水口和出水口組成等腰梯形的兩個(gè)底邊，梯形的短邊底為進(jìn)水口，梯形的長(zhǎng)邊底為出水口，集中流出的水在等腰梯形中散開，從出水口擴(kuò)散而出，所以稱 為對(duì)稱擴(kuò)散型。對(duì)稱的作用是避免水流沖刷不均勻，在對(duì)稱擴(kuò)散池的中心有一 對(duì)稱中軸線6。對(duì)稱擴(kuò)散池在以下的敘述中可筒稱擴(kuò)散池。由消力墩組成的墩柵成排放置的消力墩組成柵欄似的墩柵，根據(jù)需要安 排大小相同或不同的一排或多排墩柵成起相同作用的墩柵。消力墩的橫截面可 以是方形、矩形、梯形、三角形，目的是增加水的阻力。渦流室4:在兩個(gè)墩柵之間留出足夠的空間，使其中的水流可以產(chǎn)生劇烈旋 轉(zhuǎn)的渦流，這個(gè)空間稱為渦流室。渦流室前部的墩柵稱為第一排墩柵3，渦流室 后部的墩柵成為第二排墩柵5。出7K口7:使消能后的水流平穩(wěn)流出的通道。出水口可以與江河、大海或其他水工工程連接。
本實(shí)施例的思路是根據(jù)水力學(xué)理論，水躍和消力池具有很強(qiáng)的消能作用。 水躍是水流從急流狀態(tài)過渡到緩流狀態(tài)時(shí)水面突然躍起的局部水力現(xiàn)象。水躍 過程使水流產(chǎn)生很大的能量損失。消力池是在水電站采用的消能水工建筑物， 通過在泄水建筑物下游降低河床高程，形成水池，增加水深，達(dá)到消能目的。本實(shí)施例釆用墩柵渦流室復(fù)合消能方法是通過在平面上設(shè)置側(cè)墻，組成平 面擴(kuò)散池，在平面擴(kuò)散池中平行布設(shè)兩組墩柵，在兩組墩柵之間形成一個(gè)渦流 室，見圖1所示。本實(shí)施例的水流流動(dòng)特點(diǎn)是流出排水隧洞的高速水流大部 分通過消力池進(jìn)口墩斥冊(cè)之間空隙流入渦流室，而另 一部分水流在進(jìn)口墩柵前發(fā) 生水躍后扎入渦流室中，產(chǎn)生強(qiáng)烈的順時(shí)針漩渦，如圖2所示。通過水躍、墩 柵的阻力和渦流室旋渦的共同作用消能，然后，渦流室中的大部分水流主要在 重力作用下通過出口墩柵之間空隙流向下游，而其余水流從墩柵頂部溢流，以 達(dá)到使擴(kuò)散池出流均勻、平穩(wěn)流入海中的目的。與傳統(tǒng)消力池不同，墩柵渦流室式的擴(kuò)散池不需要降低流道底高程開挖水 池(在排水系統(tǒng)入?？诮ㄖ镏型ǔ２蝗菰S)，并且由于墩柵渦流室是在流道底 平面修建，各種雜物，如石塊、泥沙可以通過墩柵之間空隙通過，不會(huì)淤積， 避免需要經(jīng)常清淤。上述思路可以總結(jié)為實(shí)施的步驟*帶有動(dòng)能的水流經(jīng)入水口進(jìn)入擴(kuò)散池；*在擴(kuò)散池的入水口附近布置第一排墩柵， 一方面利用墩柵的阻力消能， 另 一方面利用墩柵誘發(fā)強(qiáng)烈的水躍消能；*水躍越過第一排墩柵進(jìn)入渦流室中產(chǎn)生強(qiáng)烈旋渦，水流的動(dòng)能在旋渦中 耗散； 在擴(kuò)散池的出水口附近布置第二排墩柵，利用墩柵的阻力對(duì)經(jīng)過旋渦消 能的水流再次消能；拳通過出水口排出經(jīng)消能的水流。在雨水涵管的軸線與對(duì)稱擴(kuò)散池的中心軸線不同軸的時(shí)候，本實(shí)施例也可 以在在消力池的進(jìn)水口設(shè)置水流導(dǎo)向設(shè)施，將水流導(dǎo)向?yàn)榕c對(duì)稱擴(kuò)散池的中心 軸線方向一致。水流導(dǎo)向設(shè)施包括中心導(dǎo)向墩和側(cè)導(dǎo)向墩，中心導(dǎo)向墩設(shè)置在 對(duì)稱擴(kuò)散池入水口的中心軸線上，側(cè)導(dǎo)向墩設(shè)置在被雨水涵管出水水流沖刷的 側(cè)墻上。為使流出擴(kuò)散池的水流均勻的流入大海，可以將擴(kuò)散池出口處的墩柵扇形 排列，即從擴(kuò)散池中心線開始每增加一個(gè)消力墩，消力墩的迎水邊增加一個(gè)旋 轉(zhuǎn)角度，相鄰消力墩之間的旋轉(zhuǎn)增加的角度相同。也就是說消力墩由中心向外 旋轉(zhuǎn)的角度越來越大。由于角度的變化，消力墩間的空隙存在較大差別，越靠 近中心軸線的消力墩間空隙越小，越向外消力墩間空隙越大。意圖就是使入海 水流形成較大扇面的流動(dòng)，避免下游海域因水流集中在軸線附近形成局部高流 速。換句話說，按照這樣布置墩柵后，墩柵不僅具有消能功能，而且具有導(dǎo)流 功能。導(dǎo)流消力墩布置的扇形面可根據(jù)具體情況調(diào)整。本實(shí)施例將應(yīng)用在香港葵涌-荃灣排水系統(tǒng)入?？诠こ讨?，其基本情況是香港葵涌-荃灣排水隧洞約長(zhǎng)5.13km，內(nèi)徑6.5m。設(shè)計(jì)通過它把管理區(qū)域內(nèi) 的暴雨積水排入大海，按照200年一遇暴雨設(shè)計(jì)，最大排水流量為209.8m3/s。初始設(shè)計(jì)入?？谒そㄖ镉蛇B接隧洞出口的擴(kuò)散池、臺(tái)階式泄水道、箱 涵(在油柑頭青山公路下)和明渠串聯(lián)組成。臺(tái)階式泄水道共有18階臺(tái)階組成， 每個(gè)臺(tái)階高1.6m和長(zhǎng)2.0m,泄水道^>1 1: 1.26。為了便于公眾欣賞暴雨在臺(tái) 階式泄水道上形成的壯麗瀑布景觀，臺(tái)階式泄水道采用開敞式設(shè)計(jì)。泄水道下 游連接4孔9m x 3.2m的箱涵。在入海口處為了保護(hù)海床免受沖刷，用0.85m厚，
級(jí)配700的塊石鋪設(shè)成1.85m厚、26m長(zhǎng)的堆石護(hù)坦，或者選用預(yù)制鋼筋混凝 土板代替堆石。臺(tái)階式泄水道或者泄洪道具有很好的消能能力。很多研究者對(duì)于它的水力 特性進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論研究，如Chanson (2001 ) , Chaiyuth ( 2002)， Chanson和Toombes ( 2002 ) , Boes和Hager ( 2003 ) ， Ohtsu等 (2004 )。 一般說來，臺(tái)階式泄水道上的流動(dòng)與進(jìn)口來流的水力條件有關(guān)。為了要流出擴(kuò) 散池的流體平穩(wěn)地流入臺(tái)階式泄水道以形成穩(wěn)定的滑行流，設(shè)計(jì)在擴(kuò)散池出口 平行設(shè)置兩排消力墩。同時(shí)，在下游箱涵中設(shè)置兩排消力墩進(jìn)一步消能。實(shí)體模型試驗(yàn)證實(shí)初設(shè)入海口水工結(jié)構(gòu)是不合理的，存在四個(gè)嚴(yán)重問題。第一，由于排水隧洞出口軸線與擴(kuò)散池軸線之間有14°夾角，在擴(kuò)散池中 的流動(dòng)分布不均，右側(cè)流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于左側(cè)，并且存在逆時(shí)針環(huán)流，乂人而導(dǎo)致入 ?？诔隹诹鲃?dòng)分布嚴(yán)重不均。第二，臺(tái)階式泄水道進(jìn)口水流條件差，流出擴(kuò)散池的水流不是經(jīng)過第一級(jí) 臺(tái)階順序下泄，而是飛越頭二級(jí)臺(tái)階撞擊到第三級(jí)臺(tái)階產(chǎn)生濃重的水花，然后 如暴雨般飛濺到下游箱涵頂部的公路上。這是設(shè)計(jì)不容許的。第三，入海口建筑物下游海底堆石護(hù)坦沖刷嚴(yán)重，特別是右側(cè)已經(jīng)沖刷見底。第四，入海水流消能不足，導(dǎo)致入?？谒そㄖ锵掠胃浇Ｓ蛄魉龠^大。 例如，在排水流量為155m3/s條件下，在離海岸100m海域中的流速超過2.15m/s, 當(dāng)流量為209.8m3/s時(shí)，流速會(huì)更大，這將會(huì)嚴(yán)重威脅有關(guān)海洋設(shè)施的安全，這 也是設(shè)計(jì)不容許的。使用本實(shí)施例所述墩柵渦流室復(fù)合消能設(shè)施解決上述初始設(shè)計(jì)存在的問題，對(duì)原設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重大調(diào)整，以滿足運(yùn)行的安全性和可靠性。要解決的
關(guān)鍵問題有兩個(gè)， 一是使入海口水工建筑物中的流動(dòng)分布均勻，二是增大對(duì)水 流的消能率?；诖罅康哪Ｐ驮囼?yàn)，入?？谒そㄖ锏淖罱K設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所 示。為了使流動(dòng)均勻分布，在擴(kuò)散池進(jìn)口設(shè)置兩個(gè)三角形導(dǎo)流墩。 一個(gè)導(dǎo)流墩 邊長(zhǎng)2m高4m，貼在右側(cè)邊墻上。另 一個(gè)導(dǎo)流墩邊長(zhǎng)2m高3m，安放在擴(kuò)散池 軸線附近。為適應(yīng)當(dāng)?shù)氐那闆r，在上下兩個(gè)位置布置了渦流室，使用兩次渦流 消能，并根據(jù)情況墩柵中的墩柵排數(shù)也相應(yīng)調(diào)整。為了不讓各種雜物，如石塊、泥沙大量滯留在排水系統(tǒng)流道中，設(shè)計(jì)采用 墩柵和渦流室作為主要消能設(shè)施?？紤]到排水系統(tǒng)因?yàn)榕潘矶闯隹谄骄魉?超過8.5m/s,臺(tái)階式泄水道出口流速超過10m/s,渦流室的尺寸和布置方式、位 置非常關(guān)鍵，不僅要容許各種雜物自由通過消力墩之間空隙，而且要將大部分 水流的動(dòng)能消耗。建立在渦流室和水躍有很好的消能效果的原理基礎(chǔ)上，消力 墩采用了如圖3、 4所示的布置方式，以形成一種墩柵渦流室復(fù)合消能設(shè)施。對(duì)稱擴(kuò)散型的墩柵渦流室復(fù)合消能設(shè)施在與排水隧洞出口直接相接的擴(kuò)散 池設(shè)置兩排平行均勻分布的墩柵形成一個(gè)對(duì)稱擴(kuò)散型的渦流室。為了具有足夠 的消能效果，兩排墩柵之間應(yīng)當(dāng)有足夠的距離?；趯?duì)擴(kuò)散池渦流室空間的研 究，兩排墩柵之間的距離取11.5m。設(shè)計(jì)思想是流出排水隧洞出口的高速水流 大部分通過進(jìn)口墩柵之間空隙流入渦流室，而一部分水流在進(jìn)口墩柵前發(fā)生水 躍后扎入渴流室中以產(chǎn)生強(qiáng)烈的順時(shí)針旋渦，通過墩柵的阻力、水躍和渦流室 的旋渦的復(fù)合作用將來流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能，然后，渦流室中的大部分水流主 要在重力作用下通過出口墩柵之間空隙流向下游，而其余水流從出口墩柵頂部 溢流流出，以達(dá)到j(luò)吏擴(kuò)散池出流均勻、平穩(wěn)流入臺(tái)階式泄水道的目的。在設(shè)計(jì)墩柵尺寸和布置位置的過程中，應(yīng)當(dāng)考慮下面的因素。
首先，為了使水流均勻、平穩(wěn)進(jìn)入臺(tái)階式泄水道第一級(jí)臺(tái)階，在臺(tái)階入口 處設(shè)立上層墩柵渦流消能設(shè)施，限制上層擴(kuò)散池出流速度。假設(shè)把擴(kuò)散池出流 視為連續(xù)的自由落體質(zhì)點(diǎn)，如圖5所示，任一質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以用下面公式 計(jì)算<formula>formula see original document page 12</formula>(2) 式中x為質(zhì)點(diǎn)離開擴(kuò)散池出口的水平距離；y為鉛垂縱坐標(biāo)，表示質(zhì)點(diǎn) 離開擴(kuò)散池出口底部的距離；V。w為擴(kuò)散池出流平均速度；g為重力加速度；t 為時(shí)間。由于臺(tái)階式泄水道每級(jí)臺(tái)階高1.6m、寬2m，由式(1 )，任一流體質(zhì)點(diǎn)從 擴(kuò)散池出口降落到第一級(jí)臺(tái)階平面的時(shí)間是<formula>formula see original document page 12</formula>這樣，由式(2)可得要使擴(kuò)散池出流落到第一級(jí)臺(tái)階上的流速限制條件為<formula>formula see original document page 12</formula> (3) 。"'0.57上面的結(jié)果說明，只要擴(kuò)散池出流的平均流速小于3.5m/s,水流就可能平穩(wěn) 流入臺(tái)階式泄水道第 一級(jí)臺(tái)階。其次，消力墩必須具有很高的強(qiáng)度承受水流的長(zhǎng)時(shí)間沖擊。由于擴(kuò)散池進(jìn) 口流速超過8.5m/s，消力墩斷面尺寸不宜過小。最后，墩柵間空隙要恰當(dāng)。如果太大，則對(duì)水流的阻力不夠，致使消能不 足；如果太小，則大部分流體會(huì)越過墩柵頂，形成較高的出流速度，也會(huì)影響 消能效果。建立在上述分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)采用的渦流室進(jìn)口墩柵的5個(gè)消力墩尺寸
是長(zhǎng)2.3m，寬1.8m ,高4m。相鄰消力墩間隔為1.35m,而總空隙長(zhǎng)度為 8m。并且通過試驗(yàn)觀察，將它們布置在能夠誘發(fā)一個(gè)強(qiáng)烈水躍的地方。渦流室 出口的12個(gè)消力墩長(zhǎng)1.6m，寬1.5m,高4m 。相鄰消力墩間隔為0.846m，而 總空隙長(zhǎng)度為llm。通過渦流室出口;敦柵空隙的流量可以近似用無坎寬頂堰公式估計(jì)，即 (2 = W^15 (4)式中Q為流量；B為總的空隙長(zhǎng)度；H為出口墩柵上游水深；n為墩柵的 流量系數(shù)，取值范圍在0.3 0.385(黃文鏜，1980)。令B=l lm, H=4m, ja =0.3 0.385，則由渦流室出口墩柵空隙流出的流量Q=116.88~149.99m3/s。在設(shè)計(jì)200年一遇暴雨條件下，排水系統(tǒng)的最大流量是209.8m"s 。這表明 渦流室的水流大部分將從;敦柵空隙流出，其余水流將從出口^lt柵頂部溢流流出。 對(duì)應(yīng)地，通過渦流室出口;敦柵空隙的平均流速可能在2.5m/s至3.4m/s之間，這 滿足式(3)對(duì)出流速度的限制要求。不過，考慮到通過消力墩間的流速總是上層高，下層低，為了讓墩柵渦流 室出流安全平穩(wěn)進(jìn)入臺(tái)階式泄水道的第一級(jí)臺(tái)階，增設(shè)了第三排較矮的消力墩， 其高只有1.6m，長(zhǎng)2.4m,寬lm。箱涵和明渠中的下層墩柵渦流室復(fù)合消能"^殳施箱涵和明渠中的墩柵渦流室也由兩排平行的墩柵及其渦流室組成。第一排 墩柵布置在箱涵進(jìn)口，第二排墩柵布置在明渠出口。由于臺(tái)階式泄水道在箱涵進(jìn)口的流速超過10m/s，只要第一排墩柵的8個(gè)梯 形消力墩布置位置恰當(dāng)，例如將它們就布置在臺(tái)階式泄水道出流水舌的下游位 置，即使消力墩很矮，只有0.9m高，也會(huì)在箱涵中發(fā)生強(qiáng)烈的水躍。 為了墩柵渦流室有好的消能效果，明渠出口墩柵應(yīng)當(dāng)有足夠的高度，以便 將來流的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能。此外，為了使明渠出流盡可能擴(kuò)散以減小下游海域水流的速度，如圖6所示，明渠出口墩柵布置在一個(gè)90。的扇形區(qū)域內(nèi)， 并且相鄰消力墩之間的夾角相同，為5° 。這樣，消力墩間的空隙存在較大差別， 越靠近明渠軸線的消力墩間空隙越小，越向外消力墩間空隙越大。設(shè)計(jì)意圖就 是使入海水流形成較大扇面的流動(dòng)，避免下游海域因水流集中在軸線附近形成 局部高流速。換句話說，按照這樣布置墩柵后，墩柵不僅具有消能功能，而且 具有導(dǎo)流功能。以上設(shè)計(jì)經(jīng)排水系統(tǒng)入海口水工建筑物墩柵渦流室復(fù)合消能裝置實(shí)體模型 試驗(yàn)驗(yàn)證，模型和原型的比尺是l: 20。出口海底用預(yù)制鋼筋混凝土板代替堆石 護(hù)坦。模型顯示在200年一遇暴雨排水流量209.8m3/s條件下模型中的流動(dòng)基本 上是對(duì)稱的。在對(duì)稱擴(kuò)散型墩柵渦流室復(fù)合消能裝置中的流動(dòng)。兩個(gè)三角形導(dǎo) 流墩不僅有很好的導(dǎo)流作用，而且有很好的消能作用。最重要的是在第一和第 二排墩柵之間形成新型的墩柵渦流室空間。 一方面，大部分水體通過墩柵空隙 流入、流出渦流室；另一方面，在第一排墩柵前形成水躍，其水舌越過第一排 墩柵在渦流室中部投入，然后在室中誘發(fā)形成一個(gè)順時(shí)針的大漩渦。在第二排 墩柵前渦流室左邊、中部、右邊的水深分別為4.6m、 4.4m、 4.6m。在第三排 矮消力墩前的水深是左邊2.4m,中部2.6m,右邊2.2m。在臺(tái)階式泄水道上，流動(dòng)狀態(tài)從前三個(gè)臺(tái)階上的過渡流演變到穩(wěn)定的滑行 流。在每一個(gè)臺(tái)階上都存在逆時(shí)針的渦團(tuán)，滑行流水深1.7m。水流在箱涵和明渠中的流動(dòng)來自臺(tái)階式泄水道的水舌撞擊在箱涵進(jìn)口墩 柵前底板上發(fā)生強(qiáng)烈的水躍，其水舌沖撞到箱涵頂板。由于下游明渠水深足夠 高，所以箱涵中的流動(dòng)為摻氣有壓流動(dòng)。作為結(jié)果，該明渠轉(zhuǎn)變成為導(dǎo)流墩柵
渦流室。它有兩個(gè)作用， 一是大大減小了來自箱涵的流速，使大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能，另一個(gè)是^f吏明渠流動(dòng)分布均勻，在明渠出口;敦^f前水深約為3.2m。排水系統(tǒng)入海口水工建筑物內(nèi)的流速分布是排水隧洞出口平均流速8.50 m/s,擴(kuò)散池出流平穩(wěn)J 失落到臺(tái)階式泄水道第一個(gè)臺(tái)階上，最后一個(gè)臺(tái)階上的平 均流速10.4 m/s。明渠出口導(dǎo)流墩4冊(cè)前平均流速2.2 m/s -2.5 m/s。這表明本實(shí)施 例所述的墩柵渦流室復(fù)合消能設(shè)施的消能效果是令人滿意的。試驗(yàn)也證實(shí)釆用 預(yù)制鋼筋混凝土板形成保護(hù)護(hù)坦可以防止海底被沖刷，同時(shí)，由于形成入海水 流消能充分，并且形成大范圍的扇形出流，大大減小了下游附近海域流速的流 速。實(shí)施例二本實(shí)施例為實(shí)現(xiàn)實(shí)施例一所述方法的一種水工消能設(shè)施，如圖1所示。包 括進(jìn)水口 1、對(duì)稱擴(kuò)散池兩相對(duì)側(cè)墻2，出水口 7,在擴(kuò)散池入水口兩相對(duì)側(cè)墻 之間與擴(kuò)散池中心軸線6垂直的方向上、并在能夠誘發(fā)入水水流產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈 水躍的位置布置由消力墩組成的第 一排墩柵3,在擴(kuò)散池出水口布置由消力墩組 成的第二排墩柵5，兩排墩柵平行布置，在第一排墩柵與第二排墩柵之間形成能 產(chǎn)生強(qiáng)烈旋渦的渦流室4。本實(shí)施例為墩柵渦流室復(fù)合消能設(shè)施的基本形狀，無論當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件如 何均可使用本實(shí)施例的原理，所有變形的墩柵渦流復(fù)合消能設(shè)施均由本實(shí)施例 演變。本實(shí)施例所述的對(duì)稱擴(kuò)散池的平面形狀為等腰梯形擴(kuò)散池，等腰梯形的 兩腰為形成擴(kuò)散池的兩相對(duì)側(cè)墻，進(jìn)水口和出水口組成等腰梯形的短底邊和長(zhǎng) 底邊，產(chǎn)生擴(kuò)散水的效能。進(jìn)水口附近的第一排墩柵與出水口附近的第二排墩 柵之間形成渦流室。墩柵由橫截面為矩形或其他形狀的成排消力墩構(gòu)成。墩柵 可以由一排消力墩構(gòu)成，也可以由兩排或者多排消力墩構(gòu)成。墩柵的各排消力
墩可以大小相同也可以按需要設(shè)計(jì)為大小不同。墩柵中的消力墩可以一字排開， 也可以按弧線或其他曲線排列。實(shí)施例三本實(shí)施例為實(shí)施例二的優(yōu)選方案，如圖1所示。本實(shí)施例的第一排墩柵由 一排矩形消力墩組成，矩形消力墩的矩形橫截面的一個(gè)邊與對(duì)稱擴(kuò)散池中心軸 線垂直并為迎水邊。實(shí)施例四本實(shí)施例為實(shí)施例二的優(yōu)選方案，如圖7所示。本實(shí)施例的第一排墩柵由 一排梯形消力墩組成，梯形消力墩的梯形橫截面的長(zhǎng)底邊與對(duì)稱擴(kuò)散池中心軸 線垂直并為迎水邊。實(shí)施例五本實(shí)施例為實(shí)施例二的優(yōu)選方案，如圖8所示。本實(shí)施例的第一排墩柵由 一排三角形消力墩組成，三角形消力墩的三角形橫截面的底邊與對(duì)稱擴(kuò)散池中 心軸線垂直并為迎水邊。實(shí)施例六本實(shí)施例為實(shí)施例二、三、四、五之一增加i殳施的方案，可以與上述各實(shí) 施例結(jié)合使用。本實(shí)施例中入水方向與對(duì)稱擴(kuò)散池的中心軸線不同軸，存在一 定角度，這在工程上是十分常見的，限于地理位置的限制對(duì)稱擴(kuò)散池的中心軸 線常常與來水方向不一致。為避免水流對(duì)對(duì)稱擴(kuò)散池一側(cè)側(cè)墻的沖刷和消力池 排水口出水不均勻，本實(shí)施例在入水口設(shè)置水流導(dǎo)向設(shè)施，通過入水導(dǎo)向設(shè)施 調(diào)整水流方向，使水流的方向與對(duì)稱擴(kuò)散池的中心軸線一致，如圖9所示。入 水水流導(dǎo)向設(shè)施包括在對(duì)稱擴(kuò)散池中心軸線上設(shè)置中心導(dǎo)向墩8，中心導(dǎo)向墩 的橫截面可以為三角形或其他形狀。導(dǎo)向墩橫截面三角形的底邊與對(duì)稱擴(kuò)散池
中心軸線垂直并為背水邊的，也就是三角形的一個(gè)銳角對(duì)著水流來的方向。在水流沖刷一側(cè)的對(duì)稱擴(kuò)散池側(cè)墻上設(shè)置有側(cè)導(dǎo)向墩9。 實(shí)施例七本實(shí)施例為實(shí)施例二、三、四、五之一優(yōu)選的方案，可以與上述各實(shí)施例 結(jié)合使用。第二排墩柵中可以有一排或多排消力墩，其排列的方式也有許多種 方法，消力墩的截面也可以是矩形、梯形或三角形等多種形式。本實(shí)施例提出 一種常用的方案使用一排矩形消力墩作為第二排墩柵，其矩形的迎水邊與對(duì) 稱擴(kuò)散池中心軸線垂直，如圖1所示。實(shí)施例爿\:本實(shí)施例是實(shí)施例七的附加實(shí)施方案，在實(shí)施例七上附加實(shí)施例六所述的 入水口導(dǎo)流設(shè)施，如圖9所示。 實(shí)施例九本實(shí)施例為實(shí)施例二、三、四、五之一優(yōu)選的方案，可以與上述各實(shí)施例 結(jié)合使用。第二排消力墩組中可以有一排或多排消力墩，其排列的方式也有許 多種方法，消力墩的截面也可以是矩形、梯形或三角形等多種形式。本實(shí)施例 提出一種既可以消能又可以導(dǎo)流的消力墩排列方案使用一排矩形、梯形或三 角形消力墩，矩形、梯形或三角形的迎水邊從對(duì)稱擴(kuò)散池中心軸線位置開始每 增加一個(gè)墩旋轉(zhuǎn)3 8。。本實(shí)施例采用的是旋轉(zhuǎn)5。，消力^t的排列方式形成扇 形，由于扇形排列使消力墩之間的間隙由中心向外逐漸的加大，可以起到很好 的導(dǎo)流作用。排列的方式見圖6所示。實(shí)施例十本實(shí)施例是實(shí)施例九的附加實(shí)施方案，在實(shí)施例九上附加實(shí)施例六所述的 入水口導(dǎo)流設(shè)施，如圖IO所示。
權(quán)利要求
1.一種排水系統(tǒng)入?？诙諙艤u流室復(fù)合消能方法，包括進(jìn)水口、對(duì)稱擴(kuò)散池兩相對(duì)側(cè)墻、由消力墩組成的墩柵、渦流室、出水口，其特征在于所述方法的步驟帶有動(dòng)能的水流經(jīng)入水口進(jìn)入擴(kuò)散池；在擴(kuò)散池的入水口附近布置第一排墩柵，一方面利用墩柵的阻力消能，另一方面利用墩柵誘發(fā)強(qiáng)烈的水躍消能；水躍越過第一排墩柵進(jìn)入渦流室中產(chǎn)生強(qiáng)烈旋渦，水流的動(dòng)能在旋渦中耗散，渦流室還具有水池的作用，能將水流大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能；在擴(kuò)散池的出水口附近布置第二排墩柵，利用墩柵的阻力對(duì)經(jīng)過旋渦消能的水流再次消能；通過出水口排出經(jīng)消能的水流。
2．一種排水系統(tǒng)入?？诙諙艤u流室復(fù)合消能設(shè)施，包括進(jìn)水口、對(duì)稱擴(kuò)散池兩相對(duì)側(cè)墻，出水口，其特征在于，在擴(kuò)散池入水口兩相對(duì)側(cè)墻之間與擴(kuò)散池中心軸線垂直的方向上、并在能夠誘發(fā)入水水流產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈水躍的位置布置由消力墩組成的第一排墩柵，在擴(kuò)散池出水口布置由消力墩組成的第二排墩柵，兩排墩柵平行布置，在第一排墩柵與第二排墩柵之間形成能產(chǎn)生強(qiáng)烈旋渦的渦流室。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種排水系統(tǒng)入?？诙諙艤u流室復(fù)合消能設(shè)施，其特征在于，所述的第一排墩柵由一排矩形消力墩組成，所述的矩形消力墩的矩形橫截面的一個(gè)邊與對(duì)稱擴(kuò)散池中心軸線垂直并為迎水邊。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種排水系統(tǒng)入海口墩柵渦流室復(fù)合消能設(shè)施，其特征在于，所述的第一排墩柵由一排梯形消力墩組成，所述的梯形消力墩的梯形橫截面的長(zhǎng)底邊與對(duì)稱擴(kuò)散池中心軸線垂直并為迎水邊。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種排水系統(tǒng)入?？诙諙艤u流室復(fù)合消能設(shè)施，+!■ 4>i A工 :》乂A哲 一 J^k 4niL上 一 一么JPi 、、&山15二 Aci A"、 c:二 》丄厶 一 么4fZ .、、丄'山升^fT4^4^ M ， 〃|《"w——<，<^人々剛——"f二乂千j ,i^/FJ ^/<1人-且/ \， /7| ^trj二乂千j /FJ yV墩的三角形橫截面的底邊與對(duì)稱擴(kuò)散池中心軸線垂直并為迎水邊。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2、 3、 4、 5之一所述的一種排水系統(tǒng)入?？诙諙艤u流室復(fù) 合消能設(shè)施，其特征在于，在入水口的水流導(dǎo)向設(shè)施包括在擴(kuò)散池中心軸線上設(shè)置橫截面為三角形的底邊與對(duì)稱擴(kuò)散池中心軸線垂直并為背水邊的中心導(dǎo) 向墩，在水流沖刷一側(cè)的擴(kuò)散池側(cè)墻上設(shè)置有側(cè)導(dǎo)向墩。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2、 3、 4、 5之一所述的一種排水系統(tǒng)入?？诙諙艤u流室復(fù) 合消能設(shè)施，其特征在于，第二排墩柵為一排橫截面為矩形的消力墩，其矩形 的迎水邊與對(duì)稱擴(kuò)散池中心軸線垂直。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種排水系統(tǒng)入?？诙諙艤u流室復(fù)合消能設(shè)施， 其特征在于，在入水口有水流導(dǎo)向設(shè)施包括在對(duì)稱擴(kuò)散池中心軸線上橫截面 為三角形的底邊與對(duì)稱擴(kuò)散池中心軸線垂直并為背水邊的中心導(dǎo)向墩，在水流 沖刷一側(cè)的對(duì)稱擴(kuò)散池側(cè)墻上設(shè)置有側(cè)導(dǎo)向墩。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2、 3、 4、 5之一所述的一種排水系統(tǒng)入?？诙諙艤u流室復(fù) 合消能設(shè)施，其特征在于，第二排墩柵為一排橫截面為矩形的消力墩，其矩形 的迎水邊從對(duì)稱擴(kuò)散池中心軸線位置開始每增加一個(gè)墩旋轉(zhuǎn)3~8。。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種排水系統(tǒng)入海口墩柵渦流室復(fù)合消能設(shè)施， 其特征在于，在入水口有水流導(dǎo)向設(shè)施包括在對(duì)稱擴(kuò)散池中心軸線上橫截面 為三角形的底邊與對(duì)稱擴(kuò)散池中心軸線垂直并為背水邊的中心導(dǎo)向墩，在水流 沖刷一側(cè)的對(duì)稱擴(kuò)散池側(cè)墻上設(shè)置有側(cè)導(dǎo)向墩。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種排水系統(tǒng)入?？诙諙艤u流室復(fù)合消能方法，是一種水利工程方法和設(shè)施。本發(fā)明包括進(jìn)水口、兩相對(duì)側(cè)墻，出水口，在擴(kuò)散池入水口位置布置由消力墩組成的第一排墩柵，在擴(kuò)散池出水口布置由消力墩組成的第二排墩柵，兩排墩柵平行布置，在第一排墩柵與第二排墩柵之間形成能產(chǎn)生強(qiáng)烈旋渦的渦流室。本發(fā)明依靠水躍、渦流室、消力墩組成的墩柵阻力三者聯(lián)合消能，消能效果十分明顯。本發(fā)明的渦流室具有水池的穩(wěn)流和均流作用，加上入水口的導(dǎo)向設(shè)施有效地解決了出水口水流分布不均的問題。在達(dá)到同樣消能效果的情況下本發(fā)明的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、施工方便，建設(shè)投資大大節(jié)約。
文檔編號(hào)E02B3/10GK101148866SQ20071016331
公開日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2007年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月19日
發(fā)明者喬青松, 輝 付, 巍 崔, 楊開林, 濤 王, 董興林, 郭新蕾, 郭永鑫, 陳文學(xué) 申請(qǐng)人:中國(guó)水利水電科學(xué)研究院