CN103966985B - 一种侧向出流旋滚消能的消力池 - Google Patents

一种侧向出流旋滚消能的消力池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种侧向出流旋滚消能的消力池，由位于设置在上游河道内的溢流坝后方部分槽池和与该部分槽池相接位于下游河道水流入口前方部分槽池构成，两部分槽池的轴线相交，整体在平面方向呈折弯结构，流经溢流坝的水流进入消力池产生水跃后侧向旋滚地流出消力池，使水流得以消能。本发明颠覆了传统消力池平面布置结构，填补了现有技术中缺少适于在河道弯道建造消力池空白，同时解决了传统消力池开挖工程量大、消能效果不理想的等问题。

Description

一种侧向出流旋滚消能的消力池
技术领域
本发明属于水利水电工程泄洪消能技术领域，具体涉及一种适用于设置在河道转弯处的枢纽整体需要消能的消力池。
背景技术
消力池为促使在河道下游或者泄水建筑物下游产生底流式水跃的消能设施。消力池能使下泄急流迅速变为缓流，一般可将下泄水流的动能消除40％～70％，并可缩短护坦长度，是一种有效而经济的消能设施。水利工程中消力池的设计，其长度是影响消力池消能效果非常重要的一个因素，而消力池的长度与水跃长度密切相关。常规消力池通过设计尾坎在水跃段上施加与水流方向相反的反击力，可以有效减小水跃长度，进而达到减小消力池长度，降低工程施工量的目的。设计有尾坎的消力池水跃长度一般为消力池不设置尾坎情况下的水跃长度(即平底渠道自由水跃长度)的70％～80％。尽管通过设置尾坎可以降低消力池的长度，但消力池的长度仍然较长。
设置有尾坎的传统消力池，实际上仍只能在消力池首部形成水跃并形成回流，水流从急流变为缓流，变为缓流后的水流紊动仍较剧烈，消能效果很差，且在其底部的水流速度仍很大；由于上述两个原因，为了增加消能效果，需要将消力池建的很长，使水流在消力池内完成水跃后再经过较充分的调整，使水流速度分布更加均匀，并且紊动能进一步消耗后才能进入下游河道，否则容易对下游河道造成比较严重的冲刷。因此，传统的消力池需要布置于河道两侧边坡地质条件比较理想的位置，并且需要沿河道直段方向布置，才能达到消力池设计所需要的长度和深度，保证下泄水流消能充分，与下游河道平稳衔接，避免对下游河道的冲刷等问题。
由于许多溢流坝消力池修建在高山峡谷处，岸边边坡地质条件比较复杂，河流转弯也是比较普遍遇到的工程条件，而河流直段处两侧岸边边坡的地质条件有时很难保证满足工程建设要求，因此建在高山峡谷处的传统消力池很难满足消能要求。如果河道在大坝后很短距离内转弯，由于弯道的直段部分很窄，不能满足传统消力池的长度要求，根本无法采用传统消力池的布置形式，需要寻找一种新的消力池布置形式解决河道弯道部分的消能问题。
且传统消力池进出口方向均沿河流河道方向，对于河道上游高水头环境，下泄水流的速度很高，挟带的能量很大，为达到充分消能的效果，消力池的深度和长度均需很大，才能保证出池水流与下游河道水流的平稳衔接，这将大大增加建造消力池的成本。
发明内容
针对传统消力池的技术现状及不足，本发明的目的旨在提供一种颠覆传统消力池平面布置结构的侧向出流旋滚消能的消力池，以填补现有技术中缺少适于在河道弯道建造消力池空白，同时解决传统消力池开挖工程量大、消能效果不理想等问题。
本发明的上述目的，可以通过由下述技术方案构成的侧向出流旋滚消能的消力池来实现。
本发明提供的侧向出流旋滚消能的消力池，由位于设置在上游河道内的溢流坝后方部分槽池和与该部分槽池相接位于下游河道水流入口前方部分槽池构成，两部分槽池的轴线相交，整体在平面方向呈折弯结构，流经溢流坝的水流进入消力池产生水跃后侧向旋滚地流出消力池，使水流得以消能。
在本发明的上述技术方案中，溢流坝后方部分槽池的轴线与下游河道水流入口前方部分槽池的轴线所呈夹角具体大小可以根据河道转弯情况灵活调整，为了提高下游河道水流入口前方部分槽池的外侧边墙对水跃后水流的反向作用，溢流坝后方部分槽池的轴线与下游河道水流入口前方部分槽池的轴线一般控制呈60°～120°相交，进一步地，溢流坝后方部分槽池的轴线与下游河道水流入口前方部分槽池的轴线优先考虑呈90°相交。
在本发明的上述技术方案中，为了进一步减小消力池出口处底流的速度，使消力池内水流与下游河道内水流平稳衔接，在下游河道水流入口前方部分槽池的尾部可以考虑设置一尾坎。
在本发明的上述技术方案中，为了满足工程运行需要，构成槽池的边墙高度不小于设计洪水位高度。
在本发明的上述技术方案中，构成槽池的边墙，根据河道环境地质条件可以考虑设计为垂直结构边墙，也可以设计为向外侧倾斜的阶梯结构边墙或斜坡结构边墙。
在本发明的上述技术方案中，为了在实现水跃消能的同时，进一步缩短消力池水跃长度，构成溢流坝后方部分槽池的内侧边墙的长度优先考虑大于消力池水跃长度，更进一步优先考虑为消力池水跃长度的1.1～1.3倍。所述消力池水跃长度可以由以下公式给出，如公式Lj＝(0.42～0.64)×Lk，其中Lj为侧向出流旋滚消能的消力池水跃长度，Lk为平底渠道自由水跃长度，Lk的计算公式为现有公式，可以直接从教科书《水力学》中查到。
在本发明的上述技术方案中，消力池底板优先考虑设计为平底结构；构成所述下游河道水流入口前方部分槽池的池底优先考虑设计为不低于河床，进一步优先考虑设计为与河床齐平。
本发明提供的侧向出流旋滚消能的消力池，配合枢纽整体中其它泄水建筑物的使用，既可以满足消力池建设在河道转弯处，又能够通过增加水跃后水流的旋滚来提高消力池的消能效果，可供在河道转弯处建设水利水电工程时选用。本发明提供的侧向出流旋滚消能的消力池完全颠覆了传统消力池的布置方式，带来了以下十分突出的技术效果：
1、由于构成消力池的下游河道水流入口前方部分槽池的外侧边墙能够将水跃后水流前进方向全部阻断，约束效果明显优于传统消力池中末端尾坎对于水跃的约束效果，由此形成对水跃段的反方向约束，从而使水跃长度缩短为平底渠道自由水跃长度的42％～64％，与传统消力池相比，可将水跃长度进一步缩短20～40％，在更小的范围内达到消能效果；同时由于消力池下游河道水流入口前方部分槽池外侧边墙的存在，与传统消力池相比，在保证相同淹没程度的情况下，还可以将消力池底板高程适当抬高，从而减小开挖工程量，并减小施工难度，降低建设成本。
2、在溢流坝后方部分槽池与下游河道水流入口前方部分槽池相接的部位，由于水跃的存在，不会对下游河道水流入口前方部分槽池的外侧边墙产生过大的冲击压力。另外，水流与下游河道水流入口前方部分槽池的外侧边墙相互作用，在横向方向上形成旋滚，同时会通过卷吸作用卷入大量空气，增加水体的紊动，将水体的一部分机械能在紊动过程中以紊动能形式消耗掉，增加消力池的消能效果。
3、水流在溢流坝后方部分槽池内产生水跃后，以旋滚形式进入下游河道水流入口前方部分槽池，在该部分槽池内，以螺旋流的形式前进，在此过程中，其流过的路径将比传统沿一个方向的水流路径长很多，将消耗大量的能量，具有很好的消能效果。
4、流经溢流坝的水流进入消力池产生水跃后侧向旋滚地流出消力池，消耗大量能量后的水流在出池的流速会更低，对下游的防冲保护更加有力。
附图说明
图1为在河道直段布置的传统消力池的平面示意图。
图2为在河道直段布置的传统消力池进口轴向水流流态示意图。
图3A为实施例1给出的侧向出流旋滚消能的消力池的平面示意图。
图3B为实施例2给出的侧向出流旋滚消能的消力池的平面示意图。
图3C为实施例4给出的侧向出流旋滚消能的消力池的平面示意图。
图3D为实施例5给出的侧向出流旋滚消能的消力池的平面示意图。
图4A为实施例1给出的下游河道水流入口前方部分槽池的外侧边墙垂直情况下，侧向出流旋滚消能的消力池进口轴向水流流态示意图。
图4B为实施例3给出的下游河道水流入口前方部分槽池的外侧边墙向外倾斜情况下，侧向出流旋滚消能的消力池进口轴向水流流态示意图。
在上述附图中，各附图标号标识的对象分别为：1-上游河道；2-下游河道；3-溢流坝；4-尾坎；5-消力池左侧边墙；6-消力池右侧边墙；7-溢流坝坝顶；8-水跃；9-溢流坝后方部分槽池；10-下游河道水流入口前方部分槽池；11-溢流坝后方部分槽池的内侧边墙；12-溢流坝后方部分槽池的外侧边墙；13-下游河道水流入口前方部分槽池的内侧边墙；14-下游河道水流入口前方部分槽池的外侧边墙。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。
实施例1
本实施例给出的侧向出流旋滚消能的消力池，如图3A所示，由位于设置在上游河道内的溢流坝后方部分槽池9和与该部分槽池相接位于下游河道水流入口前方部分槽池10构成，两部分槽池的轴线呈90°相交，流经溢流坝3的水流进入消力池产生水跃8后侧向旋滚地流出消力池，使水流得以消能。在下游河道水流入口前方部分槽池10的尾部设置有尾坎4。消力池的溢流坝后方部分槽池的内侧边墙11、外侧边墙12，和下游河道水流入口前方部分槽池的内侧边墙13和外侧边墙14均为垂直结构边墙，且它们的高度等于设计洪水位高度。构成下游河道水流入口前方部分槽池10的池底其位置与河床齐平。
本实施例给出的侧向出流旋滚消能的消力池进口轴向水流流态示意图如图4A所示，上游河道1内的水流经溢流坝3坝顶7进入消力池，在溢流坝3底部与消力池底板相接的地方产生水跃8，水流前行过程中与下游河道水流入口前方部分槽池的外侧边墙14相互作用，在转弯处下游河道水流入口前方部分槽池的外侧边墙14的反向作用力下形成回流。消力池水跃长度由以下公式确定，Lj＝(0.42～0.64)×Lk，其中Lj为所述侧向出流旋滚消能的消力池水跃长度，Lk为平底渠道自由水跃长度。本实施例中溢流坝后方部分槽池的内侧边墙11的长度L＝1.1Lj。下游河道水流入口前方部分槽池的外侧边墙14垂直于水平面。本实施例给出的侧向出流旋滚消能的消力池水跃长度为平底渠道自由水跃长度的42％～64％，与传统消力池相比，可将水跃长度进一步缩短20～40％。产生的水跃长度缩短表明在更小的范围内达到消能效果，明显减小消力池溢流坝后方部分槽池9的工程开挖量。
在溢流坝后方部分槽池9与下游河道水流入口前方部分槽池10相接的部位，由于水跃8的存在，不会对下游河道水流入口前方部分槽池的外侧边墙14产生过大的冲击压力。另外，水流与下游河道水流入口前方部分槽池的外侧边墙14相互作用，在横向方向上形成旋滚，以旋滚形式进入下游河道水流入口前方部分槽池10。在下游河道水流入口前方部分槽池10内，以螺旋流的形式前进，在此过程中，其流过的路径将比传统沿一个方向的水流路径长很多，将消耗大量的能量，因此其出池流速会更低，对下游的防冲保护更加有力。
此外，水流与下游河道水流入口前方部分槽池的外侧边墙14相互作用，在横向方向上形成旋滚，同时会通过卷吸作用卷入大量空气，增加水体的紊动，将水体的一部分机械能在紊动过程中以紊动能形式消耗掉，增加消力池的消能效果。
实施例2
本实施例给出的侧向出流旋滚消能的消力池，其结构如图3B所示，与实施例1所述的侧向出流旋滚消能的消力池基本相同，所不同的地方是溢流坝后方部分槽池的内侧边墙11的长度为消力池水跃长度的1.2倍，下游河道水流入口前方部分槽池的尾部不设置尾坎4，构成消力池的溢流坝后方部分槽池的内侧边墙11、外侧边墙12和下游河道水流入口前方部分槽池的内侧边墙13、外侧边墙14的高度等于设计洪水位高度的1.2倍。
实施例3
本实施例给出的侧向出流旋滚消能的消力池，其结构如图3B所示，与实施例1所述的侧向出流旋滚消能的消力池基本相同，所不同的地方是溢流坝后方部分槽池的内侧边墙11的长度为消力池水跃长度的1.2倍，下游河道水流入口前方部分槽池的尾部不设置尾坎4，构成消力池的溢流坝后方部分槽池的内侧边墙11、外侧边墙12和下游河道水流入口前方部分槽池的内侧边墙13、外侧边墙14均为向外侧倾斜的斜坡结构边墙，且它们的高度等于设计洪水位高度的1.1倍。
本实施例给出的侧向出流旋滚消能的消力池进口轴向水流流态示意图如图4B所示。
实施例4
本实施例给出的侧向出流旋滚消能的消力池，其结构如图3C所示，与实施例1所述的侧向出流旋滚消能的消力池基本相同，所不同的地方是溢流坝后方部分槽池9和下游河道水流入口前方部分槽池10的轴线呈120°相交；溢流坝后方部分槽池9的外侧边墙12为垂直结构边墙，内侧边墙11为向外垂直阶梯结构边墙，下游河道水流入口前方部分槽池的内侧边墙13为垂直结构边墙，外侧边墙14为斜坡结构边墙；溢流坝后方部分槽池的内侧边墙11的长度为消力池水跃长度的1.3倍；构成消力池的溢流坝后方部分槽池的内侧边墙11、外侧边墙12和下游河道水流入口前方部分槽池的内侧边墙13、外侧边墙14的高度等于设计洪水位高度的1.5倍；构成下游河道水流入口前方部分槽池10的池底其位置略高于河床。
实施例5
本实施例给出的侧向出流旋滚消能的消力池，其结构如图3D所示，与实施例4所述的侧向出流旋滚消能的消力池基本相同，所不同的地方是，下游河道水流入口前方部分槽池10的尾部不设置尾坎4；构成消力池的溢流坝后方部分槽池的内侧边墙11、外侧边墙12和下游河道水流入口前方部分槽池的内侧边墙13、外侧边墙14的高度等于设计洪水位高度的1.05倍。

Claims (10)

1.一种侧向出流旋滚消能的消力池，其特征在于，由位于设置在上游河道(1)内的溢流坝后方部分槽池(9)和与该部分槽池相接位于下游河道水流入口前方部分槽池(10)构成，构成所述溢流坝后方部分槽池的内侧边墙(11)的长度大于水流进入消力池产生的水跃长度，两部分槽池的轴线相交呈60°～120°，整体在平面方向呈折弯结构，流经溢流坝的水流进入消力池产生水跃后侧向旋滚地流出消力池，使水流得以消能。
2.根据权利要求1所述的侧向出流旋滚消能的消力池，其特征在于，在所述下游河道水流入口前方部分槽池的尾部设置有尾坎(4)。
3.根据权利要求1或2所述的侧向出流旋滚消能的消力池，其特征在于，构成所述槽池的边墙高度不小于设计洪水位高度。
4.根据权利要求1或2所述的侧向出流旋滚消能的消力池，其特征在于，构成所述槽池的边墙为垂直结构边墙、阶梯结构边墙或斜坡结构边墙。
5.根据权利要求3所述的侧向出流旋滚消能的消力池，其特征在于，构成所述槽池的边墙为垂直结构边墙、阶梯结构边墙或斜坡结构边墙。
6.根据权利要求1或2所述的侧向出流旋滚消能的消力池，其特征在于，构成所述溢流坝后方部分槽池的内侧边墙的长度为水流进入消力池产生的水跃长度1.1～1.3倍。
7.根据权利要求4所述的侧向出流旋滚消能的消力池，其特征在于，构成所述溢流坝后方部分槽池的内侧边墙的长度为水流进入消力池产生的水跃长度1.1～1.3倍。
8.根据权利要求5所述的侧向出流旋滚消能的消力池，其特征在于，构成所述溢流坝后方部分槽池的内侧边墙的长度为水流进入消力池产生的水跃长度1.1～1.3倍。
9.根据权利要求8所述的侧向出流旋滚消能的消力池，其特征在于，所述消力池水跃长度由下述公式确定：
Lj＝(0.42～0.64)×Lk
其中Lj为所述侧向出流旋滚消能的消力池水跃长度，Lk为平底渠道自由水跃长度。
10.根据权利要求1或2所述的侧向出流旋滚消能的消力池，其特征在于，构成所述下游河道水流入口前方部分槽池的池底不低于河床。
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Granted publication date: 20160413

Termination date: 20170512