一种具有多种泄洪消能方式的消能结构及消能方法技术

本发明专利技术公开了一种具有多种泄洪消能方式的消能结构，包括跌坎消力池、溢流堰、上游泄水建筑物和下游河道；所述上游泄水建筑物设置在跌坎消力池的上游，所述溢流堰设置在所述跌坎消力池的下游，所述下游河道设置在所述溢流堰的下游；所述溢流堰的下部设有底孔，所述底孔的底部出口处设有挑流鼻坎。还公开了一种具有多种泄洪消能方式的消能方法。本发明专利技术的泄洪消能结构可实现底流消能、挑流消能和碰撞消能三种消能形式的组合应用，最大限度地消刹了下泄水流的动能，提高了消能效率，显著降低水流对河道的破坏力。河道的破坏力。河道的破坏力。

【技术实现步骤摘要】
一种具有多种泄洪消能方式的消能结构及消能方法


[0001]本专利技术涉及水坝泄洪消能技术，具体涉及一种具有多种泄洪消能方式的消能结构及消能方法。

技术介绍

[0002]在水利水电工程中，泄水建筑物泄流时携带巨大的能量，并且要求在较短范围内集中消杀完成，如果处理不慎，就会造成泄洪消能建筑物破坏、河道边坡垮塌等水毁事故发生，影响水利水电工程的安全运行。相对而言，在工程枢纽投资建设中，泄洪消能建筑物投资费用占比是很高，有的工程甚至占到总费用的1/3，因此泄洪消能建筑物的结构型式是保障水电工程安全并充分发挥经济效益的关键。我国西南地区大多河道狭窄、流量变化幅度较大，小流量时水流流速低、挑距短，出流水舌击打本岸边坡；中等流量偏于河道岸边一侧，河床冲刷或淘刷易造成边坡失稳；大流量水流冲击力强，河床冲刷深度大，易造成两岸边坡失稳。目前，泄洪消能建筑物采用的消能形式有挑流消能、底流消能和面流消能三种基本类型，但是在单一泄洪消能建筑物/流道中只能实现其中某一种消能形式，或挑流，或底流，或面流，尚没有在单一泄洪消能建筑物/流道中采用多种消能形式的结构型式。为了保障水电工程泄水安全、优化枢纽布置、降低工程投资、提高消能效率、削减水流对河道的破坏力，需要有一种具有多重消能形式的泄洪消能建筑物。
[0003]中国专利技术专利申请公布号CN103669301A公开了一种双层分散消能的高低坎消力池，其包括跌坎水流进口段、消力池、消力池尾坎及护坦，所述跌坎水流进口段由相间排列组合的高坎泄流孔和低坎泄流孔以及位于高坎泄流孔与低坎泄流孔之间的隔墙构成，所述消力池包括上层消力池和下层消力池，所述上层消力池与水流进口段相连并且上层消力池底板高程与低坎泄流孔出口端部高程相同，所述下层消力池位于所述上层消力池之后并且下层消力池底板高程低于上层消力池，所述消力池尾坎位于所述消力池的尾部，所述护坦与消力池尾坎相连。此种消力池可以消减下泄流量对消力池前段的冲击、均化消力池前半部分集中消能区域，达到双层分散消能的效果，消除集中消能区水流紊动剧烈、水面波动较大的现象。该专利技术的双层分散消能形式均为底流消能，仍为单一形式的消能结构。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在提供一种在单一泄洪消能流道中实现底流消能、挑流消能和碰撞消能三种消能形式的结合，进一步提高泄洪消能建筑物的消能效率。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]一种具有多种泄洪消能方式的消能结构，包括跌坎消力池、溢流堰、上游泄水建筑物和下游河道；所述上游泄水建筑物设置在跌坎消力池的上游，所述溢流堰设置在所述跌坎消力池的下游，所述下游河道设置在所述溢流堰的下游；其结构特点是：所述溢流堰的下部设有底孔，所述底孔的底部出口处设有挑流鼻坎。
[0007]泄洪消能建筑物采用“跌坎消力池+底孔+溢流堰”的结构体型。消力池内水流流态
是：上层水体通过溢流堰堰顶下泄，下层水体通过底孔下泄，呈现出双层混合流动的基本形态。利用跌坎消力池可以降低消力池底板流速，降低壁面空蚀破坏风险；溢流堰有助于使高速水流平滑出流，形成挑流水舌；底孔有助于水流通过底孔形成有压挑射出流。通过调整溢流堰高度/挡水面积及溢流堰堰面曲线控制溢流堰泄流量，通过调整底孔高度/孔口面积，确保消力池内形成完整水跃/强迫水跃。
[0008]上游库区水流通过上游泄水建筑物下泄，在跌坎消力池内形成水跃，实现底流消能；跌坎消力池水流漫过溢流堰后形成挑流水舌，水舌在空中实现挑流消能；跌坎消力池水流通过溢流堰下部带有挑流鼻坎的底孔泄流形成有压挑射出流，底孔出流水舌与挑流水舌在空中交汇，实现碰撞消能。底流消能、挑流消能和碰撞消能三种消能形式的组合应用最大限度地消刹了下泄水流的动能，提高了消能效率，显著降低水流对河道的破坏力。由于跌坎消力池内的一部分水体从溢流堰的底孔泄放，参与底流消能的水体体积减少，水跃长度及第二共轭水深缩减，从而可以压缩消力池及溢流堰规模，降低工程投资。底孔出流水舌与挑流水舌在空中交汇碰撞，水舌散裂成破碎水体，对河道两岸边坡的破坏力显著降低。
[0009]具体的，所述溢流堰的堰顶朝向泄洪水流来流方向的一侧为曲面。设置成曲面结构，可以通过调整曲线来控制挑流水舌的出射角度。
[0010]具体的，所述挑流鼻坎的角度为15
°
～30
°
。所述挑流鼻坎的角度为鼻坎的坎端切向与水平方向的夹角，将挑流鼻坎的角度设置为15
°
～30
°
，使底孔的有压挑射出流与上部堰顶的挑流水舌形成碰撞，可有效控制碰撞点水平位置及高程，使得碰撞消能能够大幅度地提高消能效率。
[0011]具体的，所述跌坎消力池设置在上游库区水位的1/4～1/3位置处。控制上游库区水流进入到所述跌坎消力池内流速不超过35m/s，则泄洪消能建筑物内无需设置设置掺气减蚀设施。
[0012]具体的，所述上游泄水建筑物、下游河道、跌坎消力池和溢流堰的两侧均设有边墙。
[0013]为了更科学详细地确定不同设计流量下底孔的高度、溢流堰的高度、底孔的开孔率、跌坎消力池的长度和跌坎消力池的跌坎高度的合理取值，本次研究进行了水工模型试验及水力学数值模拟分析计算，确定了设计单宽流量从100～400m3/s
·
m由低到高变化时，在确保消力池内形成稍有淹没的稳定淹没水跃的情况下，底孔的高度、溢流堰的高度、底孔的开孔率、跌坎消力池的长度和跌坎消力池的跌坎高度的计算方法。其中，底孔分流量约为设计最大单宽流量的1/3。
[0014]优选的，所述底孔的高度与设计泄洪水流流量之间应满足以下关系式：e＝0.0101q+0.9964，R2＝0.9988；其中，e为所述底孔的高度，是底孔的顶部和底部的高差；q为设计泄洪水流的单宽流量，该单宽流量为设计泄洪水流流量除以过水宽度。
[0015]优选的，所述溢流堰的高度与设计泄洪水流流量之间应满足以下关系式：T＝0.0243q+13.429，R2＝0.9948；其中，T为溢流堰的高度，q为设计泄洪水流的单宽流量，该单宽流量为设计泄洪水流的流量除以过水宽度。
[0016]优选的，所述底孔的开孔率与设计泄洪水流流量之间应满足以下关系式：e/T＝0.0203q
0.3953
，R2＝0.9988；其中，e为所述底孔的高度，是底孔的顶部和底部的高差；T为溢流堰的高度，e/T为底孔的开孔率；q为设计泄洪水流的单宽流量，该单宽流量为设计泄洪水
流的流量除以过水宽度。
[0017]优选的，所述跌坎消力池的长度与泄洪水流流量之间应满足以下联立式：其中，L为跌坎消力池的长度，H1为第一共轭水深。结合溢流堰的高度T与设计泄洪水流流的单宽流量q之间的关系式，可得出上述联立式中设计泄洪水流的单宽流量q与第一共轭水深H1的关系式；根据设计泄洪水流的单宽流量q可以计算出第一共轭水深H1，然后根据第一共轭水深H1计算出跌坎消力池的长度L。
[0018]优选的，所述跌坎消力池的跌坎高度与设计泄洪水流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有多种泄洪消能方式的消能结构，包括跌坎消力池(1)、溢流堰(2)、上游泄水建筑物(5)和下游河道(6)；所述上游泄水建筑物(5)设置在跌坎消力池(1)的上游，所述溢流堰(2)设置在所述跌坎消力池(1)的下游，所述下游河道(6)设置在所述溢流堰(2)的下游；其特征在于：所述溢流堰(2)的下部设有底孔(3)，所述底孔(3)的底部出口处设有挑流鼻坎(4)。2.根据权利要求1所述的泄洪消能结构，其特征在于：所述溢流堰(2)的堰顶朝向泄洪水流来流方向的一侧为曲面。3.根据权利要求1所述的具有多种泄洪消能方式的消能结构，其特征在于：所述挑流鼻坎(4)的角度为15
°
～30
°
。4.根据权利要求1所述的具有多种泄洪消能方式的消能结构，其特征在于：所述跌坎消力池(1)设置在上游库区水位的1/4～1/3位置处。5.根据权利要求1所述的具有多种泄洪消能方式的消能结构，其特征在于：所述上游泄水建筑物(5)、下游河道(6)、跌坎消力池(1)和溢流堰(2)的两侧均设有边墙(7)。6.根据权利要求1所述的具有多种泄洪消能方式的消能结构，其特征在于：所述底孔(3)的高度与泄洪水流流量之间应满足以下关系式：e＝0.0101q+0.9964，R2＝0.9988；其中，e为所述底孔(3)的高度，q为泄洪水流的单宽流量，该单宽流量为泄洪水流的流量除以过水宽度。7.根据权利要求1所述的具有多种泄洪消能方式的消能结构，其特征在于：所述溢流堰(2)的高度与泄洪水流流量之间应满足以下关系式：T＝0.0243q+13.429，R2＝0.9948；其中，T为溢流堰(2)的高度，q为泄洪水流的单宽流量，该单宽流量为泄洪水流的流量除以过水宽度。8.根据权利要求1所述的具有多种泄洪消能方式的消能结构，其特征在于：所述底孔(3)的开孔率与泄洪水流流量之间应满足以下关系式：e/T＝0.0203q
0.3953
，R2＝0.9988；其中，e为所述底孔(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晟，魏杰，汤新武，戴晓兵，王立杰，顾莉，
申请(专利权)人：中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：