一种消能不对称性程度的评价方法与流程

1.本发明属于水利水电工程技术领域，具体公开了一种消能不对称性程度的评价方法。


背景技术：

2.水垫塘是一种通过在下游挖深或修筑二道坝形成水垫进行消能的水工建筑物，常与高拱坝坝身表孔或深孔组合形成泄洪消能设施；国内已建或在建的二滩、小湾、溪洛渡、拉西瓦、锦屏一级和白鹤滩等工程均采用此种方式；窄河谷、大泄量的混凝土高拱坝工程，通常利用坝身泄洪，水舌在空中分散，碰撞(或不碰撞)，最后落入下游水垫塘消能后，平稳进入下游河道；如果坝址处于两岸地形较为对称的v型或u型河谷，拱坝结构相对对称，泄洪孔口一般顺应拱坝曲率沿拱坝中心线对称布置，通过不同的挑跌角使泄洪水舌对称分层进入水垫塘；国内大型的混凝土高拱坝工程如二滩水电站、小湾水电站、溪洛渡水电站、拉西瓦水电站、锦屏一级水电站和构皮滩水电站等均采用这种泄洪消能型式。
3.当遇到较为复杂的建坝条件，如河道两岸地形或地质条件差别较大，导致不对称的拱坝结构，即拱坝左右两岸曲率和中心角相差很大，整个拱坝中心线向一岸偏转，与下游河道呈较大的夹角，为避免水舌冲击岸坡和水流归槽不畅，影响大坝泄洪安全，不得不采用非对称布置的泄洪孔口(或调度方式)以控制水舌在水垫塘中的落点，使入塘后的水流呈现良好的对称性(包括泄量、流向等)，是高拱坝工程泄洪消能设计中的一项关键技术。
4.由于目前缺乏一个能够科学衡量消能不对称性程度的评价方法，水垫塘来流的不对称性无法量化，难以客观反应水垫塘来流的不对称性程度，给工程设计中方案优化以及工程间的效果对比及经验借鉴带来困难；因此本发明提供一种消能不对称性程度的评价方法，为复杂工程布置条件下的水垫塘来流不对称性提供了一种定量评价方法，对于系统总结以往水利工程泄洪消能经验，指导新建工程的消能布置设计提供参考依据。


技术实现要素：

5.为了解决工程设计中方案优化以及工程间的效果对比及经验借鉴中存在的困难，本发明提供一种消能不对称性程度的评价方法，能够科学的衡量消能不对称性程度，使水垫塘来流的不对称性得到量化，客观的反应水垫塘来流的不对称性程度。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种消能不对称性程度的评价方法，包括如下步骤：
8.s1、以水垫塘中轴线为界，顺水流方向，将水垫塘平均分为左、右两部分；
9.s2、通过计算水垫塘左、右部分来流的动量大小，以表征上游来流的能量大小；
10.s3、通过计算s2中得到的水垫塘左、右部分来流的动量比值，以量化水垫塘左、右两部分受纳能量的不均衡性；
11.s4、通过计算水垫塘左、右部分来流矢量合得到来流总动量；
12.s5、并计算来流总动量在水平面上的投影与水垫塘轴线的夹角，以表征来流在水
平方向上偏离水垫塘中轴线的程度。
13.优选的，基于s2中所述，分别计算水垫塘左部来流的动量p
左
和右部来流的动量p
右
。
14.优选的，基于s3中所述，根据p
左
和p
右
，计算表征两部分受纳能量不均衡性的不对称性指数η，计算公式如下：
15.η＝|p
左
|/|p
右
|，
16.式中|p
左
|和|p
右
|分别为水垫塘左部和右部各股来流动量的代数和。
17.优选的，基于s4中所述，将p
左
和p
右
进行矢量合成，得到来流总动量p
合
，并将p
合
在水平面上进行投影，得到p
合’，所述水平面为xoy平面，即水垫塘底板高程所在平面；顺水流方向，以水垫塘中轴线为投影0度角起点，顺时针方向旋转至p
合’与x轴方向的夹角为θ，θ用于表征来流在水平方向上偏离水垫塘轴线的程度；并根据计算公式ψ＝η∠θ计算得到不对称性综合评价指标ψ。
18.优选的，当水垫塘左、右两侧各有1股来流时，左、右两侧的来流动量分别记为p
左1
、p
右1
，代入不对称性指数计算公式中：η＝|p
左
|/|p
右
|＝|p
左1
|/|p
右1
|。
19.优选的，当水垫塘左侧有2股来流、右侧有1股来流时，左、右两侧的来流动量分别记为p
左1
、p
左2
、p
右1
，代入不对称性指数计算公式中：η＝|p
左
|/|p
右
|＝(|p
左1
| |p
左2
|)/|p
右1
|。
20.优选的，当η＝1时，表示水垫塘左、右两侧来流的动量相同，即水垫塘两侧的来流需要削减的负荷比较均衡；
21.当η》1时，表示左侧来流的动量大于右侧；
22.当η《1时，表示左侧来流的动量小于右侧；
23.η数值偏离1越远，表示水垫塘两侧的来流需要削减的负荷不对称性越强，可能需要修改消能工体型或者改变运行方式；
24.当θ＝0时，来流方向与水垫塘轴线一致，通常水垫塘内流态对称性较好，不易发生不良流态。
25.与现有技术相比，本发明提供了一种消能不对称性程度的评价方法，具备以下有益效果：
26.(1)本发明提出了一种消能不对称性程度的评价方法，将水垫塘平均分为左、右两部分，以左、右部分来流的动量大小(即p
左
和p
右
)表征上游来流的能量大小；以左、右部分来流的动量比值表征两部分受纳能量的不均衡性，即η＝p
左
/p
右
；以左、右两侧来流矢量合在水平面上的投影与水垫塘轴线的夹角θ表征来流在水平方向上偏离水垫塘轴线的程度，并根据计算公式ψ＝η∠θ计算得到不对称性综合评价指标ψ；从而量化水垫塘左右部分来流动量的不均衡性以及来流总动量在水平方向上偏离水垫塘轴线的程度，能够科学的衡量消能不对称性程度，使水垫塘来流的不对称性得到量化，客观的反应水垫塘来流的不对称性程度。
附图说明
27.图1为本发明提出的一种消能不对称性程度的评价方法中从水垫塘顶部俯视状态下的来流动量示意图；
28.图2为本发明提出的一种消能不对称性程度的评价方法中对来流动量进行矢量合成，计算来流在xoy平面上的动量分量与水垫塘中轴线夹角θ的方法示意图；
29.图3为本发明提出的一种消能不对称性程度的评价方法中水垫塘左、右两侧各有1
股来流的示意图；
30.图4为本发明提出的一种消能不对称性程度的评价方法中图3所示情形下从水垫塘顶部俯视状态下的来流动量示意图；
31.图5为本发明提出的一种消能不对称性程度的评价方法中图3所示情形下利用p
左1
和p
右1
矢量合成，计算来流在xoy平面上的动量分量与水垫塘中轴线夹角θ的方法示意图；
32.图6为本发明提出的一种消能不对称性程度的评价方法中水垫塘左侧有2股来流，右侧有1股来流的示意图；
33.图7为本发明提出的一种消能不对称性程度的评价方法中图6所示情形下从水垫塘顶部俯视状态下的来流动量示意图；
34.图8为本发明提出的一种消能不对称性程度的评价方法中图6所示情形下对p
左1
、p
左2
和p
右1
进行矢量合成，计算来流在xoy平面上的动量分量与水垫塘中轴线夹角θ的方法示意图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.实施例1：
37.请参阅图1-2，一种消能不对称性程度的评价方法，包括如下步骤：
38.s1、以水垫塘中轴线为界，顺水流方向，将水垫塘平均分为左、右两部分；
39.s2、通过计算水垫塘左、右部分来流的动量大小，以表征上游来流的能量大小；
40.s3、通过计算s2中得到的水垫塘左、右部分来流的动量比值，以量化水垫塘左、右两部分受纳能量的不均衡性；
41.s4、通过计算水垫塘左、右部分来流矢量合得到来流总动量；
42.s5、并计算来流总动量在水平面上的投影与水垫塘轴线的夹角，以表征来流在水平方向上偏离水垫塘中轴线的程度；
43.基于s2中所述，分别计算水垫塘左部来流的动量p
左
和右部来流的动量p
右
；
44.基于s3中所述，根据p
左
和p
右
，计算表征两部分受纳能量不均衡性的不对称性指数η，计算公式如下：
45.η＝|p
左
|/|p
右
|，
46.式中|p
左
|和|p
右
|分别为水垫塘左部和右部各股来流动量的代数和。
47.基于s4中所述，将p
左
和p
右
进行矢量合成，得到来流总动量p
合
，并将p
合
在水平面上进行投影，得到p
合’，所述水平面为xoy平面，即水垫塘底板高程所在平面；顺水流方向，以水垫塘中轴线为投影0度角起点，顺时针方向旋转至p
合’与x轴方向的夹角为θ，θ用于表征来流在水平方向上偏离水垫塘轴线的程度；并根据计算公式ψ＝η∠θ计算得到不对称性综合评价指标ψ；
48.本发明提出了一种消能不对称性程度的评价方法，将水垫塘平均分为左、右两部分，以左、右部分来流的动量大小(即p
左
和p
右
)表征上游来流的能量大小；以左、右部分来流
的动量比值表征两部分受纳能量的不均衡性，即η＝p
左
/p
右
；以左、右两侧来流矢量合在水平面上的投影与水垫塘轴线的夹角θ表征来流在水平方向上偏离水垫塘轴线的程度，并根据计算公式ψ＝η∠θ计算得到不对称性综合评价指标ψ；从而量化水垫塘左右部分来流动量的不均衡性以及来流总动量在水平方向上偏离水垫塘轴线的程度，能够科学的衡量消能不对称性程度，使水垫塘来流的不对称性得到量化，客观的反应水垫塘来流的不对称性程度。
49.实施例2：
50.如图3-5所示，当水垫塘左、右两侧各有1股来流时，左、右两侧的来流动量分别记为p
左1
、p
右1
，代入不对称性指数计算公式中：η＝|p
左
|/|p
右
|＝|p
左1
|/|p
右1
|；
51.当η＝1时，表示水垫塘左、右两侧来流的动量相同，即水垫塘两侧的来流需要削减的负荷比较均衡；
52.当η》1时，表示左侧来流的动量大于右侧；
53.当η《1时，表示左侧来流的动量小于右侧；
54.η数值偏离1越远，表示水垫塘两侧的来流需要削减的负荷不对称性越强，可能需要修改消能工体型或者改变运行方式；
55.当θ＝0时，来流方向与水垫塘轴线一致，通常水垫塘内流态对称性较好，不易发生不良流态。
56.实施例3：
57.如图6-8所示，当水垫塘左侧有2股来流、右侧有1股来流时，左、右两侧的来流动量分别记为p
左1
、p
左2
和p
右1
，代入不对称性指数计算公式中：η＝|p
左
|/|p
右
|＝(|p
左1
| |p
左2
|)/|p
右1
|；
58.当η＝1时，表示水垫塘左、右两侧来流的动量相同，即水垫塘两侧的来流需要削减的负荷比较均衡；
59.当η》1时，表示左侧来流的动量大于右侧；
60.当η《1时，表示左侧来流的动量小于右侧；
61.η数值偏离1越远，表示水垫塘两侧的来流需要削减的负荷不对称性越强，可能需要修改消能工体型或者改变运行方式；
62.当θ＝0时，来流方向与水垫塘轴线一致，通常水垫塘内流态对称性较好，不易发生不良流态。
63.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。