水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，所述水工建筑物包括水體從其頂部過流的溢流壩和設(shè)置在溢流壩后面的消力池，消力池的池底與溢流壩溢流面連接，消力池的防護(hù)邊墻與溢流壩溢流面邊墻連接，所述溢流壩的壩頂設(shè)計(jì)有若干將水體過流區(qū)分隔成若干孔口的閘墩，使水體從多個(gè)孔口泄入消力池，所述防護(hù)邊墻在水躍首部下游50～80m處對(duì)稱設(shè)置轉(zhuǎn)向邊墻段，以束窄消力池的出口，使從溢流壩孔口下泄的水流經(jīng)過束窄的消力池出口實(shí)現(xiàn)消力池內(nèi)水面雍高，從而達(dá)到水流流態(tài)迅速從急流向緩流過渡。本發(fā)明具有消能效果突出，水工建筑物建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水利水電工程中泄洪消能領(lǐng)域，具體涉及包括溢流壩和設(shè)置的水工建筑物的水流消能結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]水利水電工程建設(shè)中，重力壩、閘壩是較為常用的溢流壩壩型，由于泄洪消能的需要，常常在溢流壩后修建一定規(guī)模的消力池，通過急流向緩流過渡引起的水躍造成的強(qiáng)烈旋滾與大量摻氣的方式來消能。隨著現(xiàn)代筑壩技術(shù)的提高，大壩的建造規(guī)模整體向著高水頭、大流量的趨勢(shì)發(fā)展，下游消力池的尺寸也隨之急劇增大。
[0003]隨著大壩高度或者上下游水位差(即水頭)的增加，下泄水流的速度和能量也迅速增大，為了避免高速水流挾裹的巨大能量對(duì)下游河道和建筑物的沖刷破壞，常常需要將消力池修建得非常大，這一方面會(huì)增加工程耗資；另一方面，由于下泄水流能量巨大，其破壞力十分驚人，工程實(shí)際也證明，隨著大壩高度的增加，消力池的破壞率及破壞程度也呈直線上升趨勢(shì)。
[0004]設(shè)置大壩后的消力池，目前常規(guī)的設(shè)計(jì)是，水流進(jìn)入消力池的進(jìn)口寬度與水流流出消力池的出口寬度基本一樣寬，為了防止高速水流的沖刷破壞，一般消力池的底板需要做的非常厚，防護(hù)段也要求做的較長(zhǎng)；為盡可能減小消力池長(zhǎng)度及其下游銜接段的工程造價(jià)，目前工程中常常采用在消力池內(nèi)部適當(dāng)位置增設(shè)消力墩(齒)等輔助設(shè)施，以達(dá)到加強(qiáng)水體紊動(dòng)、增強(qiáng)水流能量耗散；同時(shí)，消能墩還對(duì)迎面水體產(chǎn)生逆向作用力，從而減小消力池的深度與長(zhǎng)度。
[0005]然而，工程實(shí)踐證明，當(dāng)流速較高時(shí)，輔助設(shè)施的邊壁極易產(chǎn)生局部負(fù)壓，從而發(fā)生空蝕破壞；同時(shí)，對(duì)于有漂浮物(如漂木、漂冰等)及推移質(zhì)的河道，輔助消能設(shè)施常遭到猛烈撞擊破壞。
[0006]另外，模型試驗(yàn)與工程實(shí)踐都證明，常規(guī)消力池消能率相對(duì)較低，一般為60%?70%左右，有時(shí)甚至更低。鑒于現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)水工建筑物布置方式不足，需要改變?cè)O(shè)計(jì)思路，通過改變水工建筑物布置方式，實(shí)現(xiàn)既能充分利用現(xiàn)有消力池的自身優(yōu)勢(shì)，又能盡可能地克服現(xiàn)有消力池消能率低下的弊端。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的水工建筑物水流消能設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與不足，本發(fā)明的目的旨在提供一種水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，使水體能量在多股水流大角度的沖擊碰撞過程中得到消耗，既保證泄洪消能的安全高效的實(shí)現(xiàn)，又較大程度地減小消力池建造規(guī)模，節(jié)省工程投資。
[0008]本發(fā)明提供的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，所述水工建筑物包括水體從其頂部過流的溢流壩和設(shè)置在溢流壩后面的消力池，消力池的池底與溢流壩溢流面連接，消力池的防護(hù)邊墻與溢流壩溢流面邊墻連接，所述溢流壩的壩頂設(shè)計(jì)有若干將水體過流區(qū)分隔成若干孔口的閘墩，使水體從多個(gè)孔口泄入消力池，所述防護(hù)邊墻在水躍首部下游50?80m處對(duì)稱設(shè)置轉(zhuǎn)向邊墻段，以束窄消力池的出口，使從溢流壩孔口下泄的水流經(jīng)過束窄的消力池出口實(shí)現(xiàn)消力池內(nèi)水面雍高，從而達(dá)到水流流態(tài)迅速從急流向緩流過渡。
[0009]在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，消力池防護(hù)邊墻優(yōu)先設(shè)計(jì)為通過轉(zhuǎn)向邊墻段使邊墻方向垂直于水流方向；所述轉(zhuǎn)向邊墻段優(yōu)先采用弧形轉(zhuǎn)向邊墻段，進(jìn)一步地，弧形轉(zhuǎn)向邊墻段采用圓弧形轉(zhuǎn)向邊墻段或橢圓弧形轉(zhuǎn)向邊墻段；所述圓弧形轉(zhuǎn)向邊墻段或橢圓弧形轉(zhuǎn)向邊墻段，其弧形半徑R—般控制在消力池進(jìn)口寬度B的(10?30) %的范圍。
[0010]在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，所述消力池的出口寬度b最好控制在消力池進(jìn)口寬度B的(40?80)%，即b = (0.4?0.8)B，B為消力池進(jìn)口寬度。
[0011]在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，最好在消力池出口處設(shè)置尾坎；所述尾坎，可采取迎水面為斜平面，頂部為弧面設(shè)計(jì)。
[0012]在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，所述溢流壩，可采用壩頂為弧面，溢流面為平面設(shè)計(jì)。
[0013]本發(fā)明提供的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，采取對(duì)沖設(shè)計(jì)的消力池，由于消力池出口束窄的緣故，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)消力池利用尾坎雍高池內(nèi)水深的作用，甚至可以完全取代尾坎而獨(dú)立發(fā)揮作用。由于對(duì)沖消力池是在消力池尾部使過水?dāng)嗝鏅M向束窄，從泄洪壩靠近邊墻的孔口下泄的水體在消力池束窄處垂直轉(zhuǎn)向，靠近兩岸的對(duì)稱水體在橫向形成一道連續(xù)的“水墻”，發(fā)揮了與消力池尾坎相似的功用，由邊孔口下泄的水流源源不斷地充斥其間以“補(bǔ)充能量”。
[0014]本發(fā)明設(shè)計(jì)的對(duì)沖消力池，其良好的消能效果主要是由縱向與橫向水體垂直交叉碰撞實(shí)現(xiàn)的，其消力池長(zhǎng)度可以得到有效的減??；同時(shí)由于消力池橫向束窄的緣故，消力池后部防護(hù)墻寬度也得到了一定程度的減??；另外，同樣由于橫向束窄的原因，消力池內(nèi)部水深增高，可以在一定程度上減小常規(guī)消力池的尾坎高度，極大地減小了工程投入成本。
[0015]用于實(shí)現(xiàn)消力池尾部束窄的轉(zhuǎn)向邊墻段，其轉(zhuǎn)彎半徑過小無法高效實(shí)現(xiàn)雍高消力池內(nèi)水深、維持連續(xù)穩(wěn)定的橫向“水墻”的目的；過大則會(huì)使消力池內(nèi)水深超高，造成與下游銜接不順暢的問題。設(shè)消力池進(jìn)口寬度為B，按照進(jìn)口寬度越大轉(zhuǎn)彎半徑適度越大的原則，轉(zhuǎn)彎半徑R可取(0.1?0.3) B。則消力池出口寬度為(0.4?0.8) B，隨著消力池出口寬度的束窄，尾坎高度可以大幅度地降低，直至取消尾坎。
[0016]采取本發(fā)明提供的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，泄流孔口在全開狀態(tài)下，消力池內(nèi)部水體同時(shí)具有正交碰撞以及相向沖擊流態(tài)(見圖3)，此時(shí)由于中孔下泄的縱向水流垂直沖擊橫向“水墻”，一定程度上減弱了從靠近兩邊墻的孔口下泄水流的相向沖擊作用，此時(shí)垂直相交碰撞消能為主要消能方式。為保證消力池結(jié)構(gòu)安全，工程運(yùn)行時(shí)靠近兩岸邊的孔口需隨時(shí)保持同步啟閉，以防止單獨(dú)開啟某一邊孔口其橫向水流沖擊對(duì)岸消力池邊墻。從中部孔口下泄的具縱向速度的水流與由靠近邊墻孔口下泄的經(jīng)垂直轉(zhuǎn)向后形成的橫向“水墻”在束窄處實(shí)現(xiàn)正交碰撞，極大地增強(qiáng)了消力池內(nèi)部水體紊動(dòng)，極大地提高了消能效率，它完全迥異于常規(guī)消能水體以高速水流“追趕”沖擊低速水體的碰撞消能形式，而是以兩股幾乎具有相等速度的水流發(fā)生正交沖擊碰撞，消能效果更為突出。同時(shí)，通過轉(zhuǎn)彎部位實(shí)現(xiàn)橫向轉(zhuǎn)向的水流由于離心力的作用形成強(qiáng)烈的立軸漩渦，極大地增強(qiáng)了紊動(dòng)能量耗散，并與中部孔口下泄的水體與尾坎作用形成的橫軸漩渦相互作用，有效減小對(duì)消力池固體邊壁的沖刷。
[0017]在上游來水流量相對(duì)較小，僅開啟兩邊靠近邊墻的孔口即可實(shí)現(xiàn)泄洪需求的情況下，可以關(guān)閉所有中部孔口，僅靠?jī)砂哆吙卓谛沽?流態(tài)示意圖見圖4)。此時(shí)，從靠近邊墻孔口下泄的水流在下游消力池內(nèi)發(fā)生橫向?qū)_，同樣，此種碰撞沖擊消能方式也是一種創(chuàng)新型式的消能方式，其相向沖擊碰撞極大地增強(qiáng)了水體紊動(dòng)強(qiáng)度，沖擊水流在其間劇烈剪切混摻，極大地提高了能量的耗散。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)的立體示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)的俯視示意圖。
[0020]圖3是本發(fā)明的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)全部泄洪孔口開啟下消力池內(nèi)水流流態(tài)不意圖。
[0021]圖4是本發(fā)明的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)僅靠近邊墻的泄洪孔口開啟下消力池內(nèi)水流流態(tài)示意圖。
[0022]在上述附圖中各圖示標(biāo)號(hào)標(biāo)識(shí)的對(duì)象分別為:1-閘墩；2_溢流面邊墻；3-溢流面；4_防護(hù)邊墻；5_束窄邊墻段；6_尾坎。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的實(shí)施例，并通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的具體描述。有必要在此指出的是，實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整進(jìn)行實(shí)施，但這樣的實(shí)施應(yīng)仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0024]實(shí)施例1
[0025]本實(shí)施例的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如附圖1和附圖2所示，包括水體從其頂部過流的溢流壩、位于溢流壩后面的消力池和位于消力池出口處的尾坎6，所述溢流壩的壩頂為弧面，溢流面3為平面，壩頂設(shè)計(jì)有若干將水體過流區(qū)域分隔成若干孔口的閘墩1，使水體從多孔口泄入消力池，壩高50米，壩寬80米；所述消力池，其進(jìn)口寬度壩寬75米，池底與溢流壩溢流面3連接，消力池的防護(hù)邊墻4與溢流壩溢流面邊墻2連接，所述防護(hù)邊墻在消力池水躍首部下游50m處對(duì)稱設(shè)置圓弧形轉(zhuǎn)向邊墻段5，以束窄消力池的出口，使從溢流壩下泄的水流經(jīng)過該斷面實(shí)現(xiàn)消力池內(nèi)水面雍高，從而達(dá)到水流流態(tài)迅速從急流向緩流過渡，其中圓弧形轉(zhuǎn)向邊墻段5的圓弧半徑R為20米，消力池的出口寬度b為40米；所述尾坎的迎水面為斜平面,頂部為弧面。
[0026]實(shí)施例2
[0027]本實(shí)施例的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如附圖1和附圖2所示，包括水體從其頂部過流的溢流壩、位于溢流壩后面的消力池和位于消力池出口處的尾坎6，所述溢流壩的壩頂為弧面，溢流面3為平面，壩頂設(shè)計(jì)有若干將水體過流區(qū)域分隔成若干孔口的閘墩1，使水體從多孔泄入消力池，壩高80米，壩寬60米；所述消力池，其進(jìn)口寬度壩寬55米，池底與溢流壩溢流面3連接，消力池的防護(hù)邊墻4與溢流壩溢流面邊墻2連接，所述防護(hù)邊墻在消力池水躍首部下游70m處對(duì)稱設(shè)置圓弧形轉(zhuǎn)向邊墻段5，以束窄消力池的出口，使從溢流壩下泄的水流經(jīng)過該斷面實(shí)現(xiàn)消力池內(nèi)水面雍高，從而達(dá)到水流流態(tài)迅速從急流向緩流過渡，其中圓弧形轉(zhuǎn)向邊墻段5的圓弧半徑R為12米，消力池的出口寬度b為35米；所述尾坎的迎水面為斜平面,頂部為弧面。
【權(quán)利要求】
1.一種水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，所述水工建筑物包括水體從其頂部過流的溢流壩和設(shè)置在溢流壩后面的消力池，消力池的池底與溢流壩溢流面(3)連接，消力池的防護(hù)邊墻(4)與溢流壩溢流面邊墻連接，其特征在于，所述溢流壩的壩頂設(shè)計(jì)有若干將水體過流區(qū)分隔成若干孔口的閘墩(I)，使水體從多個(gè)孔口泄入消力池，所述防護(hù)邊墻在水躍首部下游50?80m處對(duì)稱設(shè)置轉(zhuǎn)向邊墻段(5)，以束窄消力池的出口，使從溢流壩孔口下泄的水流經(jīng)過束窄的消力池出口實(shí)現(xiàn)消力池內(nèi)水面雍高，從而達(dá)到水流流態(tài)迅速從急流向緩流過渡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，其特征在于，消力池邊墻通過轉(zhuǎn)向邊墻段使邊墻方向垂直于水流方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)向邊墻段為弧形轉(zhuǎn)向邊墻段。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述弧形轉(zhuǎn)向邊墻段為圓弧形轉(zhuǎn)向邊墻段或橢圓弧形轉(zhuǎn)向邊墻段。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述圓弧形轉(zhuǎn)向邊墻段或橢圓弧形轉(zhuǎn)向邊墻段的弧形半徑R，其大小為消力池進(jìn)口寬度B的(10?30) %。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述消力池的出口寬度b為消力池進(jìn)口寬度B的(40?80) %。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，其特征在于，在消力池出口處設(shè)置尾坎(6)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述尾坎(6)的迎水面為斜平面,頂部為弧面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述溢流壩的壩頂為弧面，溢流面(3)為平面。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水工建筑物多孔入流對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述溢流壩的壩頂為弧面，溢流面(3)為平面。
【文檔編號(hào)】E02B8/06GK104404925SQ201410525757
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月8日
【發(fā)明者】鄧軍, 劉 文, 許唯臨, 田忠, 張法星, 劉善均, 張建民, 王韋, 曲景學(xué), 周茂林 申請(qǐng)人:四川大學(xué)