一种具有多种泄洪消能方式的消能结构及消能方法与流程

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.中国发明专利申请公布号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。该发明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。


技术实现要素：

4.本发明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。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
6.一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。
7.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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.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。
18.优选的，所述跌坎消力池的跌坎高度与设计泄洪水流流量之间应满足以下关系式：d＝0.1628q
0.6606
；其中，d为跌坎消力池的跌坎高度。结合溢流堰的高度t与设计泄洪水流流的单宽流量q之间的关系式和跌坎消力池的跌坎高度的经验式，可以推导出跌坎消力池的跌坎高度与设计泄洪水流流量之间的关系式。
19.基于同一个发明构思，本发明还提供了一种具有多种泄洪消能方式的消能方法。应用上述具有多种泄洪消能方式的消能结构，包括以下步骤：
20.步骤s1:上游库区水流通过所述上游泄水建筑物下泄，进入所述跌坎消力池，在跌坎消力池内形成水跃，实现底流消能；
21.步骤s2：
ⅰ
、当所述上游库区水流流量小于或等于泄洪消能结构设计最大流量的1/3时，所述上游库区水流全部从所述底孔泄放。
22.ⅱ
、当所述上游库区水流流量大于泄洪消能结构设计最大流量的1/3时，跌坎消力池内水流漫过所述溢流堰后形成挑流水舌，所述挑流水舌在空中实现挑流消能；跌坎消力池内水流通过所述底孔泄流形成有压挑射出流，所述底孔出流水舌与所述挑流水舌交汇，实现碰撞消能。
23.当上游库区水流流量小于或等于泄洪消能结构设计最大流量的1/3时，水流全部从溢流堰下部底孔泄放，有压挑射出流能够提高水舌出流流速，增加挑射距离，避免击打两岸边坡。当上游库区水流流量大于泄洪消能结构设计最大流量的1/3时，溢流堰参与泄流，堰顶挑流水舌与底孔有压挑射出流在空中碰撞，并推动溢流堰水舌至河道中心线位置，避免击打两岸边坡。
24.具体的，所述跌坎消力池设置在所述上游库区水位的1/4～1/3位置处，控制所述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。
25.具体的，所述底孔出流水舌与所述挑流水舌在空中碰撞，水舌碰撞点控制在所述上游库区水位2/3～3/4的位置处，使得碰撞点位于所述下游河道水面上方。由于堰顶挑流水舌出流速度小于底孔有压挑射出流的出射流速，通过调整溢流堰曲面形状控制水舌出射角度，同时控制底孔出口挑流鼻坎角度控制底孔水流的出射角度，使两股水流在空中碰撞，水舌碰撞点控制在总水头2/3～3/4的位置处，确保碰撞点位于下游河道水面上方，使得进入河道的水舌是碰撞后散裂的水体，削弱水舌激溅形成的泄洪雾化强度，同时对泄洪消能
建筑物两岸边坡的破坏力显著降低。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
27.1、本发明的具有多种泄洪消能方式的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。
28.2、本发明的具有多种泄洪消能方式的消能结构中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。
29.3、本发明的具有多种泄洪消能方式的消能结构可实现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。
30.4、本发明的具有多种泄洪消能方式的消能结构中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。
31.5、本发明的具有多种泄洪消能方式的消能结构给出了设计单宽流量条件下，双层混合流动形态时，溢流堰高度、底孔开度、底孔开孔率、跌坎消力池长度和跌坎消力池的跌坎高度水力参数计算式，确保在消力池中形成淹没水跃，保证底流消能的效率。
32.6、当上游库区水流流量小于或等于泄洪消能结构设计最大流量的1/3时，水流全部从溢流堰下部底孔泄放，有压挑射出流能够提高水舌出流流速，增加挑射距离，避免击打两岸边坡。
33.7、当游库区水流流量大于泄洪消能结构设计最大流量的1/3时，溢流堰参与泄流，堰顶挑流水舌与底孔有压挑射出流在空中碰撞，并推动溢流堰水舌至河道中心线位置，避免击打两岸边坡。
34.8、本发明的具有多种泄洪消能方式的消能方法将跌坎消力池设置在所述上游库区水位的1/4～1/3位置处，控制所述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。
附图说明
35.图1是本发明的一种具有多种泄洪消能方式的消能结构沿水流方向的剖面示意图；
36.图2是图1的平面示意图；
37.图3是图1中溢流堰的平面示意图；
38.图4是图1中各水力参数标识示意图；
39.图5是图1中溢流堰高度与泄洪水流的设计单宽流量的关系曲线图；
40.图6是图1中底孔高度与泄洪水流的设计单宽流量的关系曲线图；
41.图7是图1中底孔的开孔率与泄洪水流的设计单宽流量的关系曲线图；
42.图8是图1中溢流堰堰顶溢流量与溢流堰堰上水头的关系曲线图。
43.在图中，1-跌坎消力池；2-溢流堰；3-底孔；4-挑流鼻坎；5-上游泄水建筑物；6-下游河道；7-边墙；
ⅰ‑
底流消能；
ⅱ‑
挑流消能；
ⅲ‑
碰撞消能；
ⅳ‑
入水剪切掺混消能。
具体实施方式
44.以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
45.如图1至图3所示，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、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。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。溢流堰2的堰顶曲线由wes堰面曲线段和堰面直线段组成，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，所述挑流鼻坎4的角度为20
°
。如图4所示，所述底孔3高度e为2.6m，宽度9.0m，孔口总面积23.4m2。上游泄水建筑物5内水流流量为1600m3/s，上游泄水建筑物5的宽度为10.0m，单宽流量q为160m3/s
·
m；水流进入跌坎消力池1内的水流流速为18m/s，跌坎消力池1的跌坎高度d为4.2m，溢流堰2高度t为17.5m；挑流鼻坎4的出口高度为0.5m。
46.上游库区水流通过上游泄水建筑物5下泄，进行跌坎消力池1进行底流消能ⅰ；跌坎消力池1内水流漫过所述溢流堰2后形成挑流水舌，所述挑流水舌在空中实现挑流消能ⅱ；水流通过溢流堰2的底孔3造成有压挑射出流，同时底孔3的挑流鼻坎4使有压挑射出流形成一定角度的挑流，并与溢流堰2堰顶的挑流水舌进行碰撞消能ⅲ，最终使得水流充分消能。曲线型溢流堰2适用于流速较大的泄流，可使出流流态较为平顺；单一底孔3面积较大，分流量大，参与底流消能ⅰ的水体体积减少，从而压缩跌坎消力池1及溢流堰2规模，降低工程投资；同时底孔3的挑流鼻坎4在小流量时能增加挑射距离，避免击打本岸边坡，大流量时能使底孔3射流上挑，促使其与堰顶挑流碰撞消能ⅲ。如图1所示，水流在下泄过程中形成多级消能区段，自上而下依次为：第一级底流消能ⅰ、第二级空中挑流消能ⅱ、第三级空中碰撞消能ⅲ、第四级入水剪切掺混消能ⅳ，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。
47.为了更科学详细地确定不同设计流量下跌坎消力池1长度l、溢流堰2高度t、底孔3尺寸的合理取值，进行了水工模型试验及水力学数值模拟分析计算。确定设计单宽流量q从100～400m3/s
·
m由低到高变化时，确保水流在跌坎消力池1内形成稍有淹没的稳定淹没水跃的情况下，跌坎消力池1长度l、溢流堰2高度t等各参数的计算方法。不同设计单宽流量q下，溢流堰2高度t、底孔3高度e及开孔率e/t相关参数的合理取值如下表所示，各计算方案下底孔3分流量约为设计最大下泄流量的1/3。其中，设计单宽流量q为设计泄洪水流流量除以过水宽度。
[0048][0049]
通过实验计算数据，可以拟合得出溢流堰2高度t、底孔3高度e、底孔3开孔率e/t与设计单宽流量q的关系式，根据关系式则可以由泄洪消能结构的设计下泄流量来计算出溢流堰2高度及底孔3开孔率等相关参数，从而方便设计出满足要求的溢流堰2和底孔3结构。如图5～7分别是溢流堰高度t与泄洪水流的设计单宽流量q的关系曲线图、底孔高度e与泄洪水流的设计单宽流量q的关系曲线图和底孔的开孔率e/t与泄洪水流的设计单宽流量q的关系曲线图，通过拟合曲线得到溢流堰高度t、底孔高度e及底孔开孔率e/t与设计单宽流量q的经验关系式如下所示，拟合相关系数r2均大于0.99，证明相关性较好：
[0050]
t＝0.0243q 13.429，(r2＝0.9948)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-1)
[0051]
e＝0.0101q 0.9964，(r2＝0.9988)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-2)
[0052]
e/t＝0.0203q
0.3953
，(r2＝0.9988)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-3)
[0053]
通过计算可以得到各设计单宽流量下溢流堰2堰顶溢流量q
堰流
与堰上水头h的计算值下表所示。由于溢流堰2高度t和底孔3开度经过设计控制后，底孔3分流量控制约为设计最大下泄流量的1/3，堰顶溢流量q
堰流
约为总设计流量q的2/3。
[0054][0055]
如图8所示，通过实验计算数据，可以拟合得出溢流堰2堰顶溢流量q
堰流
与溢流堰2堰上水头h的关系曲线图。通过拟合曲线得到堰顶溢流量q
堰流
与堰上水头h的关系式如下所示，拟合相关系数r2大于0.99，相关性较好。
[0056]q堰流
＝1.9731h
1.5138
，(r2＝0.9964)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-4)
[0057]
根据该式则可推求第二共轭水深h2，由于堰顶溢流量q
堰流
约为设计单宽流量q的2/3，因此通过设计单宽流量q即可反推堰上水头h，再加溢流堰高度t即可得到第二共轭水深h2。其中，第二共轭水深h2为形成水跃所必须的下游水深，具体如图4所示。
[0058]
h2＝0.4883q
0.6606
t
ꢀꢀ
(1-5)
[0059]
与式1-1联立可得：
[0060]
h2＝0.4883q
0.6606
0.0243q 13.429
ꢀꢀ
(1-6)
[0061]
通过h2可根据经验公式推求第一共轭水深然后由欧勒弗托斯基经验公式lj＝6.9(h
2-h1)估算水跃长度lj，并估算出跌坎消力池1长度l＝(0.7～0.8)lj。得到跌坎消力池长l的计算联立式如下：
[0062][0063]
通过本次计算跌坎高度可取经验式：
[0064]
通过上述计算方法，即可实现在已知设计单宽流量q的情况下，方便的计算出溢流堰高度t、溢流堰底孔高度e、跌坎消力池长度l、跌坎消力池跌坎高度d等一系列参数，使跌坎消力池中形成稍有淹没的淹没水跃，保证较好的底流消能效果。
[0065]
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本实施例的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围。