CN108005039A - 一种设置于泄槽的消能工结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种设置于泄槽的消能工结构，该***由泄槽、消力池、透空齿坎及通气孔组成。透空齿坎设置于泄槽末端的消力池最高水位以上位置，由长齿坎和短齿坎组成并呈横向相间设置。透空齿坎将泄槽底流转变为波状挑流进入消力池，使得齿坎前连续均匀底流水体经过透空齿坎后形成横向分布的“～”状水股入水，此消能工将传统的消力池内底流水跃消能方式转变为“挑流消能+面流消能”、“挑流消能+淹没水跃消能”的混合消能方式。改善了消力池流态，增加了消力池消能率，减小了水跃消能流态对下游水位的依赖性，可有效缩短消力池长度。此外，透空齿坎后形成的掺气空腔，不仅可以减小消能工本身发生空化空蚀破坏的可能性，还可以进一步为泄槽底板及消力池通气提供气源，对安全和消能均有利。

Description

一种设置于泄槽的消能工结构

技术领域

本发明属于水利水电工程泄洪消能领域，具体的涉及一种设置于泄槽的透空齿坎消能工结构。

背景技术

泄洪消能是水利水电工程枢纽设计中至关重要的环节，尤其是高水头、大单宽流量的泄水建筑物，泄洪功率高、能量集中，为保证建筑物安全和减轻对下游河道冲刷，通常在泄水建筑物中设置消能工来衔接上下游水流并进行集中消能。因此，消能工同时具有整流和消能的作用。

中、高坝泄洪消能多采用挑流消能和底流消能两种方式。第一种消能模式泄洪水流在空中经历较长距离，调整扩散，最终落入水垫塘，挑流水舌主要通过在空中摩擦、扩散或碰撞及在水垫塘(或消力池)中进行集中消能。消能工一般设置于水舌出口，通过收缩、扩散或镂空等方式达到整流消能的目的，在水垫塘或消力池中易形成淹没漩滚流态，消能效率高。第二种底流消能模式以消力池内水跃消能为主，多采用泄槽与消力池结合的方式，为了增加消能效果，多在流道进口或消力池内设置消能工。例如，在闸墩处的宽尾墩、小挑坎等，消力池内设置跌坎、分流墩、反台阶、齿坎、反向碰撞等方式(消能工一般为淹没于消力池水位以下)，使得在消力池内更容易形成三维漩滚水跃流态或增加沿程能耗，最终达到整流消能的目的。

然而，不同方式均存在着一定的适用条件和弊端。第一种消能模式容易引起泄洪雾化问题，一般不得已条件下采用。第二种消能模式应用较为广泛，然而，当地形条件及建筑物布置限制，溢洪道进口与消力池入口的水平距离较远时，连接二者的泄槽段较长，坡度先缓后陡，此时宣泄水流需要经过一段距离的泄槽段调整才能进入消力池内。这种情况下，设置于闸墩的宽尾墩体型不再适用，若下游水位较低可能导致消力池内水跃流态不稳定，甚至形成远驱水跃，消能不充分，需要以较长的消力池长度为代价，即使在消力池内增加消能措施也很难达到较高的消能效果。此时，急需一种新型消能工解决泄槽与消力池的衔接与消能问题。

发明内容

本发明提供一种设置于泄槽的消能工结构，透空齿坎为由长齿坎和短齿坎横向相间设置组成。设置于泄槽末端的消力池进口最高水面以上的位置，“透空”意为齿坎末端水流下缘面与大气相通。通过透空齿坎将宣泄水流前后撕开，形成多股三维“～”状水流。通过调整入射角度，增加消力池入射水体面积，改变消力池入水条件，分散水体在消力池内的水流结构，减轻对消力池的集中冲击，有助于消力池内稳定淹没水跃流态的形成和三维漩滚的效果，最终达到高效整流消能、稳定流态和减小消力池长的目的。此外，水流经透空齿坎后下缘面脱离泄槽底板，在长齿坎和短齿坎末端(消力池水位以上)形成贯通空腔，此空腔两侧通过侧墙通气孔与大气相通，可为透空齿坎及泄槽表面掺气提供掺气源，避免高速水流引起空化空蚀破坏。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种设置于泄槽的消能工结构，包括设置于泄槽末端的透空齿坎、与透空齿坎下端连接的底板，透空齿坎挑射的水舌与下游水面形成贯通空腔，底板两侧设有边墙，边墙开设有连通空腔与大气的通气孔。

通过采用上述技术方案，下泄水流流经透空齿坎时，水流遇到长齿坎挑起形成较远的挑射水舌，水流经过短齿坎先于长齿坎挑射，水舌落点也较长齿坎近，故将原来“一”字型均匀流下的水体前后撕开，形成“～”型水股。水舌入射角度多样化，增加消力池入射水体面积，改变入射水体在消力池内的扩散水流结构，减轻消力池的集中能量的冲击，有助于消力池内稳定淹没水跃流态的形成和三维漩滚的效果。

水舌经过透空齿坎后下缘面脱离泄槽底板，在齿坎后、消力池水位之上及水舌之下形成贯通空腔，此空腔通过两侧边墙通气孔或水舌表面与大气相通，通气可以减小齿坎表面因高速水流发生空化空蚀的可能性，保证消能工本身不被高速水流破坏，还可以进一步为泄槽底板通气及消力池内掺气提供掺气通道。

在透空齿坎下缘形成与大气相通的通气空腔，起到掺气减蚀的作用，还可以为泄槽底板的掺气提供掺气源。具体的，在小流量时长齿坎和短齿坎水舌较薄，水舌完全撕开，此时空腔亦可通过水舌的撕开面与大气相通；在大流量时，长齿坎与短齿坎水舌连成一片，此时水舌未形成撕开的缺口，只能通过水流携气或卷气或两侧通气孔供气。因此，避免了消能工本身因高速水流而空化空蚀破坏的可能性，同时为泄槽及消力池掺气提供气源。

优选的，所述透空齿坎包括间隔设置的长齿坎与短齿坎，所述长齿坎与短齿坎两者的上端邻水面置于同一凹形曲面，且凹形曲面起始端与泄槽底板末端相切连接。

通过采用上述技术方案，其作用一方面在于适应水流流线，避免水流与壁面分离而形成负压区或压力突变区；另一方面调节水舌抛射角度及长短水舌的撕开角度。凹形曲面的曲率和长短齿坎的尺寸对水舌运动轨迹及撕开效果影响比较大，需要根据具体水流及边界条件估算并经过试验确定。凹形曲面为弧形面或高次曲面。

优选的，长齿坎沿流向长度大于短齿坎沿流向长度。

通过采用上述技术方案，在齿坎凹形曲面确定情况下，齿坎长度直接决定了坎顶水舌抛射角度和入池点位置，长齿坎抛射距离远，短齿坎抛射距离近，长短齿坎相间设置，使得“一”字形落点呈“～”型分布；一定范围内，齿坎长度相差越大，高低水舌流向撕开角度越大，入池水流面积越大、三维效果越强，但是亦应该考虑水舌落点的均匀程度和消能工与消力池的能量分配，齿坎长度相差不宜太大。此外，水舌分散入水改变了消力池内水跃的来流条件，有利于消力池内三元稳定水跃的形成。使得与泄槽等宽的一条均匀水股转变为相间入水的多股水舌，从根本上解决了消力池内水跃不稳定，对下游水位敏感的难题。

流态上：小流量时多股水舌比较明晰，消力池内基本为面流消能方式；大流量时多股水舌连成一片，呈波状入水，形成淹没式水跃，且跃头位置向上游靠近，大大缩减了消力池长度。

优选的，短齿坎沿流向长度为长齿坎沿流向长度的1/4～1/1.5。

通过采用上述技术方案，长短齿坎尺寸受到泄槽坡度、消力池位置、来流条件及消力池内水垫深度等众多因素影响。一般的，通过试验得出1/4～1/1.5的长度范围水体撕开效果较佳。

优选的，长齿坎末端与水平面夹角α大于短齿坎末端与水平面的夹角β。

通过采用上述技术方案，齿坎末端角度对抛射水舌的方向起决定作用，可改变水舌空中轨迹和入池点位置。在齿坎凹形曲面曲率确定下，调节齿坎长度可改变齿坎末端临水面与水平面的夹角；在齿坎长度确定情况下，可改变齿坎凹形面的曲率或设置坡度来改变齿坎末端临水面与水平面夹角。因此，通过调整齿坎位置、齿坎上表面凹形曲面曲率及齿坎长度来改变长、短齿坎末端临水面与水平面的夹角，从而调整水舌入水角度，使得泄槽水流与消力池平顺衔接，改善消力池流态，提高消能率。

优选的，所述的30°＞α＞-30°，0°＞β＞-60°，泄槽段与消力池段衔接的底板与水平面夹角范围-30°至-90°之间。

通过采用上述技术方案，当泄槽底板末端与消力池连接的夹角在-30°至-90°之间时，30°＞α＞-30°，0°＞β＞-60°区间内可保证水舌流向撕开，且多股水舌基本落在消力池前端，短齿坎水舌基本与底板平行入水，落点与消力池衔接好，落点均匀，此时流态较佳，消能率高，不会集中冲击底板或边墙。

泄槽底板末端与消力池连接的夹角可选为-30度或-45度或-60度或-90度。

底板与水平面夹角在水平面之上为正、之下为负。

α可以为-25°，-20°,-15°,-10°,-5°，

-3°,-2°,-1°,1°,

2°,3°，5°,12°,15°,20°,25°等数值；

β可以为-55°,-50°,-45°,-40°,-35°,-30°，-25°，-20°,

-15°,-10°,-5°，-3°,-2°,-1°等数值；具体数值根据实际工程条件有试验确定，且α＞β。

优选的，长齿坎宽度大于或等于短齿坎的宽度。

通过采用上述技术方案，长齿坎水舌运动轨迹长，流向转变角度大，部分水体流入短齿坎水股，入射点也滞后于短齿坎水舌，空中运动轨迹长，斜入射消力池水垫水深也相对增大，因此对于消力池底板的冲击作用要小得多；相反地，短齿坎水舌入池流速更大，水垫深度更浅，消力池底板受到的冲击压力大。因此设计时长齿坎宽度大于或等于短齿坎，可以有效调节多股水舌的流量比例，使得底板冲击压力均匀分布为宜。

若来流条件横向均匀分布，长短齿坎设置为等宽时，考虑水舌厚度及扩散角度可知，长齿坎对应的水舌入水体积较短齿坎对应的入水体积要小，此时流量分配给长齿坎的多于短齿坎，有助于消力池底板受力均匀。若试验测量结果短齿坎对应的冲击压力大，可适当减小短齿坎宽度来调节。

优选的，所述短齿坎沿泄槽的宽度方向等间距布置。

通过采用上述技术方案，该设计是被相邻短齿坎间隔的所有长齿坎具有相同的宽度，该设计在较小流量下具有入水面积最大的效果。

优选的，所述泄槽下端设有消力池，消力池末端设有尾坎。

通过采用上述技术方案，长齿坎及短齿坎处水流均为挑射入池，水流过透空齿坎后完全脱离底板，并在齿坎末端形成通气空腔。消力池内水流流态根据流量不同，呈现“挑流消能+面流消能”、“挑流消能+淹没水跃消能”的混合消能方式；相比于常规的底流水跃消能方式，对下游水位要求大大降低，消力池池长大大减小。

优选的，透空齿坎的末端与底板垂直设置。

综上所述，本发明具有以下有益效果：透空齿坎将底流转变为挑流，将连续均匀底流水体分隔成“～”状挑流水股入水，将传统的底流消能方式转变为“挑流消能+面流消能”、“挑流消能+淹没水跃消能”的混合消能方式。增加了消力池消能率，改善了消力池流态，减小了水跃消能对下游水位的依赖性，可有效缩短消力池长度，带来巨大工程、经济及社会效益。

透空齿坎后形成的通气空腔，不仅可以减小消能工本身空化空蚀破坏的可能性，还可以进一步为泄槽底板及消力池通气提供气源，为安全和高效消能提供保障。

附图说明

图1是实施例的俯视图；

图2是实施例的主视图；

图3是实施例中透空齿坎的俯视图；

图4是实施例中透空齿坎的主视图；

图5是实施例中透空齿坎与泄槽连接关系示意图，虚线箭头表示高低水舌流向。

图中：1、泄槽；11、掺气槽；2、透空齿坎；21、长齿坎；22、短齿坎；23、凹形曲面；3、消力池；31、消力坎；41、连接泄槽段与消力池段的底板；42、通气孔；43、空腔；44、边墙。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

实施例，一种设置于泄槽的消能工结构，如图1与图2所示，包括泄槽1，透空齿坎2，消力池3。泄槽1前段为平坡，后半段为凸形的曲面，之后与消力池3连接，泄槽1末端的底板41与消力池3衔接的坡度为1:1的底板41，泄槽1与消力池3等宽。透空齿坎2设置于泄槽1末端的底板41上方。消力池3池长140m，末端设有尾坎31。

如图3与图4所示，透空齿坎2沿着泄槽1的宽度方向共设5个长齿坎21和4个短齿坎22。

置于泄槽1宽度两端设置长齿坎21，两端设置长齿坎21宽度大于等于中部长齿坎21宽度。其效果是：水流不易冲击边墙44。在边墙44设置长齿坎21时，由于边墙44的作用，使得两侧长齿坎21在等宽情况下挑起水股小于中部。因此，通过增加两端长齿坎21的宽度，可以均衡消力池3底部冲击能量的分布，还可增加长齿坎21及边墙44的结构强度。

中间的长齿坎21与短齿坎22宽度相同，宽度均为8.7m。两侧的长齿坎21宽度为9.8m。长齿坎21起点高程2401.00m，末端高程为2393.85m。

长齿坎21与短齿坎22两者的上端邻水面置于同一凹形曲面23，凹形曲面23的坎反弧半径36.5m。

短齿坎22长度与长齿坎21长度的比例关系是1/2.6。

长齿坎21末端与水平面夹角α大于短齿坎22末端与水平面的夹角β，α为2度，β＞-1.5°。

底板41的两侧设有边墙44，边墙44对水流起到隔挡作用，两侧边墙44均上开设有通气孔42，长齿坎21和短齿坎22所挑起的水舌形成空腔43，通气孔42将空腔43与外界大气连通。

长齿坎21和短齿坎22的末端均与底板41垂直设置，相对齿坎末端竖直设置而言，垂直设置使得形成的空腔43(图1中)的空间更多，有利于空腔43的形成和通气流畅。

工作原理，如图2与图5所示，长短齿坎末端与底板形成跌坎，来流被齿坎挑起后在齿坎后、水舌下缘面和消力池水面形成空腔，空腔两侧边墙开通气孔与大气相通。水流从泄槽1向下游流动时，当流动到相间布置的长齿坎21与短齿坎22时，被分成长齿坎水舌和短齿坎水舌，多股水舌连成“～”形。

长齿坎21和短齿坎22末端为跌坎，水舌挑起后形成镂空；长齿坎水舌抛射距离远，短齿坎抛射距离近，但是在水舌下方均形成空腔，且彼此连通形成横向贯通的空腔43。空腔43通过两侧边墙的通气孔或水舌携气或水舌之间的空隙通气以减小齿坎表面发生空化空蚀的可能性；透空齿坎2的水流抛射进入消力池3。透空齿坎2设于消力池3的水位之上，在透空齿坎2末端形成贯通的空腔43，空腔43两端的边墙44开有通气孔42。在透空齿坎2下缘形成与大气相通的空腔43，起到掺气减蚀的作用，还可以为泄槽1的底板41的掺气提供掺气源。具体的，在小流量时长齿坎21和短齿坎22水舌较薄，水舌完全撕开，此时空腔43亦可通过水舌的撕开面与大气相通；在大流量时，长齿坎21与短齿坎22水舌连成一片，此时水舌未形成撕开的缺口，通气主要通过两侧通气孔42或水流携气或卷气供气。避免了消能工本身因高速水流而空化空蚀破坏的可能性，同时为泄槽1及透空齿坎2本身掺气提供气源。

由于长齿坎21为实体坎，在沿水流方向的长度大于短齿坎22长度，长齿坎21对水流流向改变较大，短齿坎22对水流流向改变较小，水流沿长齿坎21流出时，长齿坎21处水流被挑起，水流向两边扩散呈扇形挑出，水流呈扇形面入消力池，增加了水舌入水面积。

长齿坎21与短齿坎22的交错设置，形成两股交错布置的长齿坎21水舌与短齿坎22水舌；在泄水槽的流量较小时，两股水舌比较分明，水舌之间断开。但是随着单宽流量增加，长齿坎21水舌和短齿坎22水舌连成一片，水舌落点呈波浪状，增加了水舌入水面积，此时短齿坎的分流比增加。

长齿坎21处水流以较大角度挑射入池，短齿坎22处水流以较小角度入池，总体上消力池3内水流流态呈现三元水跃特征，为淹没水跃、底流消能和挑流消能的混合体，具有良好的消能效果。

透空齿坎2将连续水体分隔成点状水股入水，消力池3内近似二元水跃流态变为更加掺混更复杂的三维紊动流态，减小单宽入池流量和入射点位置，打破了二元水跃消能的局限性，改善了消力池流态；增加了消力池3消能率，消能工的采用可缩短消力池3的池长约1/3；上下游水流平顺衔接，最终达到高效整流消能的目的，带来巨大工程、经济及社会效益。

Claims (10)

1.一种设置于泄槽的消能工结构，其特征是，包括设置于泄槽(1)末端的透空齿坎(2)、与透空齿坎(2)下端连接的底板(41)，透空齿坎(2)挑射的水舌与下游水面形成贯通的空腔(43)，底板(41)两侧设有边墙(44)，边墙(44)开设有连通空腔(43)与大气的通气孔(42)。

2.根据权利要求1所述的一种设置于泄槽的消能工结构，其特征是：所述透空齿坎(2)包括间隔设置的长齿坎(21)与短齿坎(22)，所述长齿坎(21)与短齿坎(22)两者的上端邻水面置于同一凹形曲面(23)，且凹形曲面(23)起始端与泄槽(1)底板末端相切连接。

3.根据权利要求2所述的一种设置于泄槽的消能工结构，其特征是：长齿坎(21)沿流向长度大于短齿坎(22)沿流向长度。

4.根据权利要求3所述的一种设置于泄槽的消能工结构，其特征是：短齿坎(22)沿流向长度为长齿坎(21)沿流向长度的1/4～1/1.5。

5.根据权利要求2所述的一种设置于泄槽的消能工结构，其特征是：长齿坎(21)末端与水平面夹角α大于短齿坎(22)末端与水平面的夹角β。

6.根据权利要求5所述的一种设置于泄槽的消能工结构，其特征是：所述的30°＞α＞-30°，0°＞β＞-60°，底板(41)与水平面夹角在-30°至-90°之间。

7.根据权利要求2所述的一种设置于泄槽的消能工结构，其特征是：长齿坎(21)宽度大于或等于短齿坎(22)的宽度。

8.根据权利要求7所述的一种设置于泄槽的消能工结构，其特征是：所述长齿坎(21)与短齿坎(22)沿泄槽(1)的宽度方向等间距布置。

9.根据权利要求1所述的一种设置于泄槽的消能工结构，其特征是：所述泄槽(1)下端设有消力池(3)，消力池(3)末端设有尾坎(31)。

10.根据权利要求1所述的一种设置于泄槽的消能工结构，其特征是：透空齿坎(2)的末端与泄槽和消力池连接的底板(41)垂直设置。