跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，包括設置在水庫壩體側面山體不同高程處的多級階梯式布置的水墊塘，將水庫中的水引出的上游引水渠，第二高程至最低高程的各級水墊塘對應的水平溢洪道和將最低高程的水墊塘中的水引入下游河道的岸邊引水渠，各級水墊塘的下游端位于同一側，所述下游端邊墻上均設置有溢流堰；上游引水渠的出水口位于最高高程水墊塘的上游上方，第二高程水墊塘對應的水平溢洪道與最高高程水墊塘的高程相同并與最高高程水墊塘設置的溢流堰銜接，其出水口位于第二高程水墊塘的上游上方，……。本發(fā)明所述消能系統(tǒng)能避免水墊塘破壞，保證下游河道安全，提高消能率。
【專利說明】跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于水利水電工程中的泄洪消能【技術領域】，特別涉及一種適用于狹窄河谷、下游河道由窄變寬的小流量高水頭水利工程的水墊塘與跌流消能結合的消能系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]高水頭電站建設中，為保證水利工程在運行中的安全性，需要采用一系列泄洪消能措施。傳統(tǒng)的消能措施包括傳統(tǒng)的底流消能，挑流消能和面流消能，新型消能設施包括豎井旋流消能，寬尾墩，階梯消能，洞塞孔板消能等。但對于狹窄河谷，兩岸山體垂直，下游河道迅速由窄變寬，岸坡巖體地質(zhì)條件復雜的工程，由于地質(zhì)條件造成的障礙，難以按現(xiàn)有技術中的模式布置水墊塘以及大單寬流量的泄洪隧洞，或采用現(xiàn)有技術的消能設施布置方式，工程耗費較高，工期增長。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)技術的不足，提供一種適用于狹窄河谷，下游河道由窄變寬的小流量高水頭水利工程的跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，以提高消能率及工程安全性和經(jīng)濟性，減小樞紐布置的困難程度。
[0004]本發(fā)明所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，包括設置在水庫壩體側面山體不同高程處的多級階梯式布置的水墊塘，將水庫中的水引出的上游引水渠，第二高程至最低高程的各級水墊塘對應的水平溢洪道和將最低高程的水墊塘中的水引入下游河道的岸邊引水渠，各級水墊塘的下游端位于同一側，各級水墊塘下游端邊墻上均設置有溢流堰；上游引水渠的出水口位于最高高程水墊塘的上游上方，第二高程水墊塘對應的水平溢洪道與最高高程水墊塘的高程相同并與最高高程水墊塘設置的溢流堰銜接，其出水口位于第二高程水墊塘的上游上方，第三高程水墊塘對應的水平溢洪道與第二高程水墊塘的高程相同并與第二高程水墊塘的溢流堰銜接，其出水口位于第三高程水墊塘的上游上方，……，最低高程水墊塘對應的水平溢洪道與次低高程水墊塘的高程相同并與次低高程水墊塘的溢流堰銜接，其出水口位于最低高程水墊塘的上游上方，所述岸邊引水渠的進水端與最低高程水墊塘下游端邊墻設置的溢流堰銜接，其末端與下游河道相連，從而將水庫中的水經(jīng)上游引水渠跌落至最高高程水墊塘，再經(jīng)第二高程至最低高程的各級水墊塘對應的水平溢洪道從高至低依次跌落至各級水墊塘中，并經(jīng)岸邊引水渠流入下游河道。在這個過程中，利用跌流使水流碰撞，發(fā)生強烈的撞擊、紊動、混摻及剪切，消除部分能量，達到提高消能率，避免工程破壞的目的。
[0005]上述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，水墊塘軸線選擇開挖量最小的方式進行布置，各級水墊塘的軸線相互平行，或各級水墊塘的軸線相交，或各級水墊塘的軸線部分平行、部分相交，若水墊塘的軸線相交，相交的角度為銳角。
[0006]上述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，相鄰兩級水墊塘之間的高程差Λ X = 30?45m，防止跌落流速過大破壞水墊塘，且保證工程量最小。各級水墊塘之間的高程差根據(jù)地質(zhì)條件進行選擇，可以相等，也可以不等。
[0007]上述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng),所述水墊塘的長度I = 20?40m、寬度Id1 =15?30m、深度Ii1 =最大水位高度+波動高度+安全超高。所述最大水位高度為最大泄流量對應的水墊塘中的水位高度，所述波動高度為水流劇烈翻滾引起的水位變化，所述安全超高為保證水流不會翻出水墊塘所需高度。為避免水墊塘發(fā)生破壞，應避免水墊塘中混凝土產(chǎn)生拉應力，水墊塘應修建在挖方中，盡量避免填方，且水墊塘應當做好防滲措施，避免滲漏引起消能系統(tǒng)的破壞。同時各級水墊塘內(nèi)應保證一定水深，防止泄洪時最大流量跌落水流直接沖擊水墊塘底板引發(fā)水墊塘破壞，進而沖刷山體導致不可修復的破壞，危及樞紐運行安全。
[0008]上述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，所述溢流堰的寬度b2 ( Id1，式中Id1為水墊塘的寬度。第二高程至最低高程的各級水墊塘對應的水平溢洪道入水口寬度=上一級水墊塘的溢流堰寬度，因而連接于于兩級水墊塘之間的水平溢洪道從上游到下游可以是等寬的，也可以是漸擴的。
[0009]上述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，所述岸邊弓I水渠末端的水流方向與下游河道的水流方向相交的角度為銳角，以保證水流平順進入河道，防止出現(xiàn)沖刷。
[0010]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0011]1、本發(fā)明所述消能系統(tǒng)結合跌流消能和水墊塘分段進行消能，相對于地表陡槽溢洪道α>1)增大了消能率，由于其布置在壩體側山體上，避免了在狹窄河谷中修建水墊塘，小流量高水頭水流對水墊塘可能發(fā)生的破壞，或采用挑流消能時對下游河道的沖刷，因而可保證樞紐的安全性，特別適合下游河道迅速由窄變寬的小流量高水頭水利工程，解決了采用現(xiàn)有消能方式布置的場地條件限制、地形地質(zhì)條件限制的問題。
[0012]2、本發(fā)明所述消能系統(tǒng)配合樞紐所在壩址的工程地質(zhì)條件和地貌條件進行修建，通過調(diào)整各級水墊塘軸線及水墊塘大小，使得挖填方數(shù)量達到最小，避免了在狹窄河谷修建溢洪道時為減小溢洪道坡度而通常需要的大量填挖方量，提高了工程經(jīng)濟效益。
[0013]3、本發(fā)明所述消能系統(tǒng)配合樞紐所在壩址的工程地質(zhì)條件和地貌條件進行修建，根據(jù)地形地貌條件靈活設計相鄰兩級水墊塘之間的高程差，布置靈活，因而能避開不利地質(zhì)條件，大大降低了樞紐布置難度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為發(fā)明所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)的第一種總體布置俯視圖。
[0015]圖2為發(fā)明所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)的第二種總體布置俯視圖。
[0016]圖3為發(fā)明所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)的第三種總體布置俯視圖。
[0017]圖4為發(fā)明所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)的第四種總體布置俯視圖。
[0018]圖5為發(fā)明所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)的第五種總體布置俯視圖。
[0019]圖6為圖1的A-A剖視圖。
[0020]圖7為在單個水墊塘及與其銜接的水平溢洪道的結構示意圖。
[0021 ]圖8為圖7的B-B剖視圖。
[0022]圖9為圖7的C-C剖視圖。
[0023]圖中，I—上游引水渠，2—水墊塘，3—溢流堰，4—水平溢洪道，5——岸邊引水渠,6-下游河道，7-山體，8-原地面線,9-水面線，1-大壩，11-
上游水庫，h1-7jC墊塘深度，h2-溢流堰高度，Δ X—相鄰水墊塘之間的高程差，1-7jC
墊塘長度，匕——水墊塘寬度，b2——溢流堰寬度。
【具體實施方式】
[0024]下面通過實施例對本發(fā)明所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)作進一步說明。
[0025]實施例1和對比例I的工程概況如下:
[0026]某電站修建在狹窄河谷之中，兩岸山體陡峭，下游河道迅速由窄變寬，水庫上游水位高程為621.0Om和下游水位高程為531.00，落差為90m，泄流流量為300m3/s。針對上述工程，采用實施例1和對比例I兩種消能系統(tǒng)進行水工模型試驗。
[0027]實施例1
[0028]本實施采用跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)消能，包括設置在水庫壩體側面山體不同高程處的三級階梯式布置的水墊塘2，將水庫中的水引出的上游引水渠1，第二高程和最低高程的各級水墊塘對應的水平溢洪道4和將最低高程的水墊塘中的水引入下游河道6的岸邊引水渠5，各級水墊塘的下游端位于同一側，各級水墊塘下游端邊墻上均設置有溢流堰3 ;上述設施的布置方式如圖3所示，各級水墊塘的軸線相互平行，上游引水渠I的出水口位于最高高程水墊塘的上游上方，第二高程水墊塘對應的水平溢洪道與最高高程水墊塘的高程相同并與最高高程水墊塘設置的溢流堰銜接，其出水口位于第二高程水墊塘的上游上方，最低高程水墊塘對應的水平溢洪道與第二高程水墊塘的高程相同并與第二高程水墊塘的溢流堰銜接，其出水口位于最低高程水墊塘的上游上方，所述岸邊引水渠5的進水端與最低高程水墊塘下游端邊墻設置的溢流堰3銜接，其末端與下游河道6相連，岸邊引水渠5末端的水流方向與下游河道6的水流方向相交的角度為27.1°。
[0029]水墊塘的結構如圖7、圖8、圖9所示。三級水墊塘的尺寸相同，它們的長度I =20m、寬度Id1 = 15m、深度Ii1 = 10m，它們的溢流堰高度h2 = 5m、寬度b2 = Id1，式中Id1為水墊塘的寬度，最高高程水墊塘與第二高程水墊塘之間的高程差=第二高程水墊塘與最低高程水墊塘之間的高程差=30m,第二高程水墊塘對應的水平溢洪道入水口寬度與最高高程水墊塘的溢流堰寬度相等，最低高程水墊塘對應的水平溢洪道入水口寬度與第二高程水墊塘的溢流堰寬度相等，各水平溢洪道的出水口寬度與對應的水墊塘寬度相同(見圖3)。
[0030]試驗結果:泄流量為300m3/s時，水流平穩(wěn)進入下游河道，測得岸邊引水渠內(nèi)水流平均流速為6.5m/s，該梯級水墊塘消能系統(tǒng)消能率達到95% ;工程挖填方量為1.7萬m3。
[0031]對比例I
[0032]采用陡槽溢洪道加水墊塘布置消能系統(tǒng)，陡槽溢洪道坡度為0.8。
[0033]試驗結果:泄流量為300m3/s時，測得水墊塘尾部平均流速為13.18m/s，水墊塘內(nèi)最大流速達到25.69m/s,該工程挖填方量達到4.6萬m3，工程經(jīng)濟效益和消能效果較實施例I低。
[0034]實施例2和對比例2的工程概況如下:
[0035]某電站修建在狹窄河谷之中，兩岸山體陡峭，下游河道迅速由窄變寬，水庫入口高程為2126.0Om,出口高程為2011.00m，落差為115m，泄洪流量為600m3/s。針對上述工程，采用實施例2和對比例2兩種消能系統(tǒng)進行水工模型試驗。
[0036]實施例2
[0037]本實施采用跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)消能，包括設置在水庫壩體側面山體不同高程處的三級階梯式布置的水墊塘2，將水庫中的水引出的上游引水渠1，第二高程和最低高程的各級水墊塘對應的水平溢洪道4和將最低高程的水墊塘中的水引入下游河道6的岸邊引水渠5，各級水墊塘的下游端位于同一側，各級水墊塘下游端邊墻上均設置有溢流堰3 ;上述設施的布置方式類似于圖4，最高高程水墊塘與第二高程水墊塘的軸線相互平行，第二高程水墊塘與最低高程水墊塘的軸線相交成18.4°角；上游引水渠I的出水口位于最高高程水墊塘的上游上方，第二高程水墊塘對應的水平溢洪道與最高高程水墊塘的高程相同并與最高高程水墊塘設置的溢流堰銜接，其出水口位于第二高程水墊塘的上游上方，最低高程水墊塘對應的水平溢洪道與第二高程水墊塘的高程相同并與第二高程水墊塘的溢流堰銜接，其出水口位于最低高程水墊塘的上游上方，所述岸邊引水渠5的進水端與最低高程水墊塘下游端邊墻設置的溢流堰3銜接，其末端與下游河道6相連，岸邊引水渠5末端的水流方向與下游河道6的水流方向相交的角度為26.V。
[0038]水墊塘的結構如圖7、圖8、圖9所示。最高高程水墊塘與第二高程水墊塘的尺寸相同，它們的長度I = 30m、寬度Id1 = 25m、深度Ii1 = 15m，溢流堰3的高度h2 = 5m、寬度b2=20m < Id1，式中Id1為水墊塘的寬度，最高高程水墊塘與第二高程水墊塘之間的高程差=45m。最低高程水墊塘長度I = 40m、寬度Id1 = 30m、深度Ii1 = 15m，溢流堰的高度h2 = 5m、寬度b2 = 20m < Id1，式中Id1為水墊塘的寬度，最低高程水墊塘與第二高程水墊塘之間的高程差=35m。第二高程水墊塘對應的水平溢洪道入水口寬度與最高高程水墊塘的溢流堰寬度相等，最低高程水墊塘對應的水平溢洪道入水口寬度與第二高程水墊塘的溢流堰寬度相等，各水平溢洪道的出水口寬度與對應的水墊塘寬度相同(類似于圖2)。
[0039]試驗結果:泄流量為600m3/s時，水流平順進入河道，對下游岸坡及河流底部無明顯沖刷，測得岸邊引水渠出口流速為8.3m/s，該消能系統(tǒng)的消能率為96.5%。
[0040]對比例2
[0041]采用上游泄洪洞，下部接挑坎直接挑入下游河道的消能系統(tǒng)。
[0042]試驗結果:泄流量為600m3/s時，挑流落點距河道對岸僅4.2m,且沖坑深度達到32.12m,威脅到下游河道邊坡的安全和工程的正常運行。
[0043]實施例3和對比例3的工程概況如下:
[0044]某電站修建在狹窄河谷之中，兩岸山體陡峭，下游河道迅速由窄變寬，水庫入口高程為1426.0Om,出口高程為132L 00m，落差為105m，泄洪流量為1200m3/s。針對上述工程，采用實施例3和對比例3兩種消能系統(tǒng)進行水工模型試驗。
[0045]實施例3
[0046]本實施采用跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)消能，包括設置在水庫壩體側面山體不同高程處的三級階梯式布置的水墊塘2，將水庫中的水引出的上游引水渠1，第二高程和最低高程的各級水墊塘對應的水平溢洪道4和將最低高程的水墊塘中的水引入下游河道6的岸邊引水渠5，各級水墊塘的下游端位于同一側，各級水墊塘下游端邊墻上均設置有溢流堰3 ;上述設施的布置方式類似于圖4，最高高程水墊塘與第二高程水墊塘的軸線相互平行，第二高程水墊塘與最低高程水墊塘的軸線相交成39.5°角；上游引水渠I的出水口位于最高高程水墊塘的上游上方，第二高程水墊塘對應的水平溢洪道與最高高程水墊塘的高程相同并與最高高程水墊塘設置的溢流堰銜接，其出水口位于第二高程水墊塘的上游上方，最低高程水墊塘對應的水平溢洪道與第二高程水墊塘的高程相同并與第二高程水墊塘的溢流堰銜接，其出水口位于最低高程水墊塘的上游上方，所述岸邊引水渠5的進水端與最低高程水墊塘下游端邊墻設置的溢流堰3銜接，其末端與下游河道6相連，岸邊引水渠5末端的水流方向與下游河道6的水流方向相交的角度為32°。
[0047]水墊塘的結構如圖7、圖8、圖9所示。三級水墊塘的尺寸相同，它們的長度I =30m、寬度bl = 25m、深度Ii1 = 12m,它們的溢流堰高度h2 = 5m、寬度b2 = 18m < Id1,式中bl為水墊塘的寬度，最高高程水墊塘與第二高程水墊塘之間的高程差=第二高程水墊塘與最低高程水墊塘之間的高程差=35m，第二高程水墊塘對應的水平溢洪道入水口寬度與最高高程水墊塘的溢流堰寬度相等，最低高程水墊塘對應的水平溢洪道入水口寬度與第二高程水墊塘的溢流堰寬度相等，各水平溢洪道的出水口寬度與入水口等寬(見圖4)。
[0048]試驗結果:泄洪流量為1200m3/s時，水流平順進入河道，對下游岸坡及河流底部無明顯沖刷，測得岸邊引水渠出口流速為2.3m/s，該消能系統(tǒng)的消能率為97.2%。
[0049]對比例3
[0050]采用上游泄洪洞，下部接挑坎直接挑入下游河道的消能系統(tǒng)。
[0051]試驗結果:泄洪流量為1200m3/s時，挑流落點距河道對岸僅10.2m,下游霧化嚴重，且沖坑深度達到32.12m，威脅到下游河道邊坡的安全和工程的正常運行。
[0052]需要說明的是:上述各實施例中的“第二高程水墊塘”又可稱為“次低高程水墊塘”。
【權利要求】
1.一種跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括設置在水庫壩體側面山體不同高程處的多級階梯式布置的水墊塘(2)，將水庫中的水引出的上游引水渠(1)，第二高程至最低高程的各級水墊塘對應的水平溢洪道(4)和將最低高程水墊塘中的水引入下游河道出)的岸邊引水渠(5)，各級水墊塘的下游端位于同一側，各級水墊塘下游端邊墻上均設置有溢流堰(3);上游引水渠(I)的出水口位于最高高程水墊塘的上游上方，第二高程水墊塘對應的水平溢洪道與最高高程水墊塘的高程相同并與最高高程水墊塘設置的溢流堰銜接，其出水口位于第二高程水墊塘的上游上方，第三高程水墊塘對應的水平溢洪道與第二高程水墊塘的高程相同并與第二高程水墊塘的溢流堰銜接，其出水口位于第三高程水墊塘的上游上方，……，最低高程水墊塘對應的水平溢洪道與次低高程水墊塘的高程相同并與次低高程水墊塘的溢流堰銜接，其出水口位于最低高程水墊塘的上游上方，所述岸邊引水渠(5)的進水端與最低高程水墊塘下游端邊墻設置的溢流堰銜接，其末端與下游河道(6)相連，從而將水庫中的水經(jīng)上游引水渠跌落至最高高程水墊塘，再經(jīng)第二高程至最低高程的各級水墊塘對應的水平溢洪道從高至低依次跌落至各級水墊塘中，并經(jīng)岸邊引水渠(5)流入下游河道。
2.根據(jù)權利要求1所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，其特征在于各級水墊塘的軸線相互平行或相交成銳角。
3.根據(jù)權利要求1或2所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，其特征在于相鄰兩級水墊塘之間的高程差Λ X = 30?45m。
4.根據(jù)權利要求1或2所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，其特征在于所述水墊塘的長度I = 20?40m、寬度Id1 = 15?30m、深度Ii1 =最大水位高度+波動高度+安全超高。
5.根據(jù)權利要求3所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，其特征在于所述水墊塘的長度I=20?40m、寬度Id1 = 15?30m、深度Ii1 =最大水位高度+波動高度+安全超高。
6.根據(jù)權利要求1或2所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，其特征在于所述溢流堰(3)的寬度b2 < Id1，式中Id1為水墊塘的寬度。
7.根據(jù)權利要求3所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，其特征在于所述溢流堰(3)的寬度b2 < Id1，式中，Id1為水墊塘的寬度。
8.根據(jù)權利要求4所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，其特征在于所述溢流堰(3)的寬度b2 < Id1，式中，Id1為水墊塘的寬度。
9.根據(jù)權利要求5所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，其特征在于所述溢流堰(3)的寬度b2 < Id1，式中，Id1為水墊塘的寬度。
10.根據(jù)權利要求1或2所述跌流式梯級水墊塘消能系統(tǒng)，其特征在于所述岸邊引水渠(5)末端的水流方向與下游河道(6)的水流方向相交的角度為銳角。
【文檔編號】E02B8/06GK104294802SQ201410461747
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權日:2014年9月11日
【發(fā)明者】張建民, 何小瀧, 許唯臨, 彭勇, 劉善均, 王韋, 鄧軍, 曲景學, 田忠, 張法星, 周茂林 申請人:四川大學