專利名稱：消力池內(nèi)的差動式挑流消能工的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種消力池內(nèi)的挑流消能工，特別涉及一種消力池內(nèi)的差動式挑流消能 工，屬于工程水力學領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水力工程中，在一些低壩泄洪洞、溢洪道及閘壩等泄水建筑物由于其出口能量較大，
需要在其出口處設置消力池以消殺余能。水力學上所謂"消能"并非為將能量"消"掉，
而是指能量的轉(zhuǎn)換。常規(guī)消力池主要是利用池內(nèi)產(chǎn)生水躍進行底流消能，也就是底流消
能是利用消力池使下泄水流在泄水建筑物出口限定范圍內(nèi)產(chǎn)生水躍，水躍將上下游水流
銜接，并通過水躍上下游水流產(chǎn)生表面劇烈的紊動漩滾作用使機械能轉(zhuǎn)換為熱能以達到
消能的目的。底流水躍消能歷史悠久，它能適應高、中、低各級水頭和不同的地質(zhì)條件
下，以水躍型式與下游水流銜接，其水流流態(tài)穩(wěn)定，消能效果也較好，因此底流消能工
在水利工程中得到了廣泛的應用[Katakam V. and Rama P. ， Spatial B-Jump at sudden
channel enlargements with abrupt drop, J. of Hydraulic Engineering, ASCE,
Vol. 124， No. 6， June, 1998.]。但它也存在不足之處，如常規(guī)消力池在消力池長度不
足的情況，往往由于不能提供與共軛水深相匹配的下游水深而不能形成水躍；另外，過
大的消力池臨底流速常對消力池底板造成破壞。
針對上面所述問題，在高水頭、大流量的泄7jC建筑物上，采用表孔一底孔一消力池
聯(lián)合的新型消能工布置，如目前國內(nèi)安康、五強溪、清江隔河巖等高壩樞紐水工建筑；
對于大單寬流量低佛氏數(shù)水躍，可根據(jù)工程實際情況采用一級或多級消力池進行底流消
能；對拱壩消力池的向心水流，也找到了一些特殊措施，如采用表孔加不對稱的寬尾墩
或在消力池中加"T"型墩，均可使水流恢復到均勻出流。為提高消能率，有效地保證
水躍的產(chǎn)生，因而在工程應用當中出現(xiàn)了消力池內(nèi)各式的輔助消能工，如消力坎、挖深
式消力池、趾敦及T型墩等[Rajaratnam N. ， The forced hydraulic jump, Parti and Part
2， Water Power, Vol.16, No. 1 and No. 2， Jan. and Feb., 1964. 倪漢根.寬尾墩-
消力池的簡化計算方法，水利學報，第6期，1998年6月.江鋒等.低佛氏數(shù)T型墩消力池
設計及消能研究，水利學報，增刊，1998年1月.]。這些輔助消能工的使用盡管在多數(shù)工程中奏效，但同時也存在缺陷， 一方面，消力池內(nèi)布置的輔助消能工給自身和消力池帶 來的空蝕破壞等副作用也見明顯[艾可明，底流消能的沖刷破壞和防治，泄水工程與高 速水流，1995(3)。]，另一方面，布置的輔助消能工并沒有解決消力池臨底流速大的根 本問題[王才歡，肖興斌.底流消能設計研究與應用現(xiàn)狀述評[J].四川水力發(fā)電，第1巻 第l期，2000年3月]。挑流消能是泄水建筑物最常見的一種消能方式，這種消能方式 就是在泄水建筑物下游端修建有一定仰角的挑流坎，利用下泄水流的巨大動能，將水流 挑入空中，然后與降落在遠離建筑物的下游與下游水流相銜接。其特點是既能借助于 自由射流在空氣中的擴散摻氣消能；又可利用水舌入下游水墊后淹沒射流的紊動擴散及 水股與兩側(cè)漩滾的剪切作用來消能。挑流消能的優(yōu)點是可以節(jié)約下游護坦，構(gòu)造簡單， 便于維修。
許光祥等提出了縱向分級、橫向差動的復式消力池[許光祥，崔予達,楊忠超.復式消 力池在山區(qū)小水電中的應用研究[J].水力發(fā)電學報，第26巻第2期，2007年4 月87-92]，左側(cè)主池縱向分為兩級、右側(cè)輔池適當抬高池底高程的兩級差動式消力池， 在重慶郁江斑竹園水電站消能工模型試驗研究中達到較好的消能效果。但該體型的擋坎 是一個常規(guī)擋坎，其相對于整個消力池尺寸較小，僅起到將消力池分為兩級的作用，并 沒有起到挑流的作用。郭偉成針對普寧烏石攔河閘工程提出了多級消力池的概念[郭偉 成.多級消力池的應用.西部探礦工程.總第98期2004(7) :11-12]，但每一級消力池都 是一個完整的消力池，屬于級聯(lián)式。而且這種級聯(lián)式消力池本身需要占用較大的空間， 因而受到地形、地質(zhì)條件的限制。差動坎在很多水利建筑物中也得到了較好的利用，它 一方面可以阻擋水流，雍高水面，起到消能作用，另一方面，差動坎摻氣減蝕作用比連 續(xù)坎好很多，能夠有效增強自身的抗空化能力[[12]張挺,麥棟玲.差動式挑坎水力特性 數(shù)值模擬研究[A].第二十屆全國水動力學研討會文集[C]， 2007.張林夫.差動式挑流鼻 坎氣蝕特性的原型驗證[J].河海大學學報(自然科學版)，1980, (03).張挺，麥棟玲. 高擴散低收縮差動坎高坎空中挑射水舌運動特性[J].福州大學學報(自然科學 版)，2008' (03).]。
綜上所述，常規(guī)傳統(tǒng)型式的消力池，或者因為消力池尺寸過小而不能滿足水躍形成， 不能滿足充分消能的要求；或者又因為消力池尺寸過大占用空間也大，而且其臨底流速 還會對消力池底板造成破壞；因此，常規(guī)消力池及其消力池內(nèi)布置的消能工產(chǎn)生的消能 效果不理想或自身易發(fā)生空化破壞，如果在消力池內(nèi)設置一差動式挑流消能工，則能很 好地解決上述問題，這正是本發(fā)明的任務所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，提出一種在保證較高消能率 的基礎(chǔ)上縮短消力池長度，從而節(jié)約工程造價；且構(gòu)造簡單，便于維修；并可大大增加 水躍產(chǎn)生的單寬流量范圍；以及在任何常規(guī)消力池內(nèi)既可單獨使用也可配合其他輔助消 能工使用的差動式挑流消能工。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用以下措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實現(xiàn)的。 本發(fā)明消力池內(nèi)的差動式挑流消能工，包括消力池，按照本發(fā)明，還包括在消力池
內(nèi)設置的沿水流方向剖面的差動式三角形挑坎；該差動式三角形挑坎將消力池分成前池
和后池兩個部分；其起挑位置可在消力池長度的1/4~2/3范圍內(nèi)變化；差動式三角形
挑坎的迎水面上坡度并不連續(xù)，坡度較陡的為主挑流坎，坡度較緩的為挑流槽，差動式
三角形挑坎的被水面坡度是連續(xù)的。
上述技術(shù)方案中，所述差動式三角形挑坎的迎水面上坡度緩的挑流槽與坡度陡的主
挑流坎其二者可交替布置。
上述技術(shù)方案中，所述差動式三角形挑坎迎水面的主挑流坎的主挑角為8 45° 。 上述技術(shù)方案中，所述差動式三角形挑坎迎水面槽挑角為5 30。。 上述技術(shù)方案中，所述差動式三角形挑坎被水面挑角為45 90。。 上述技術(shù)方案中，所述差動式三角形挑坎的底邊長度占消力池總長度的1/6 1/3。 上述技術(shù)方案中，所述差動式三角形挑坎橫向總寬度和消力池長度相同，其主挑流
坎高度為差動式三角形挑坎底邊長度的1/8 1/4,每個主挑流坎寬度為消力池寬度的
1/10 1/3。
上述技術(shù)方案中，所述差動式三角形挑坎的挑流槽的高度為差動式三角形主挑流坎
高度的1/4 3/4。
上述技術(shù)方案中，所述每個挑流槽寬度為消力池寬度的1/10 1/3。 上述技術(shù)方案中，所述差動式三角形挑坎迎水面槽挑角的最佳角度為主挑角的1/2。 本發(fā)明的差動式挑流消能工既可在常規(guī)消力池內(nèi)設有其它輔助消能工的基礎(chǔ)上再設
置差動式三角形挑流坎消能工配合使用；也可在常規(guī)消力池內(nèi)單獨設置差動式三角形挑
流坎消能工，消能效果均好。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點及有益技術(shù)效果
1.本發(fā)明的差動式挑流消能工可以保證在較高消能率的基礎(chǔ)上縮短消力池長度， 故可節(jié)約工程造價；或者在消力池長度相同情況下，提高消能率。2. 本發(fā)明的差動式挑流消能工大大增加了水躍發(fā)生的單寬流量范圍。
3. 本發(fā)明的差動式挑流消能工具有自身的極強的抗空化能力。
4. 本發(fā)明差動式挑流消能工結(jié)構(gòu)簡單，容易實施，可在任何常規(guī)消力池內(nèi)單獨采 用；還可配合消力池內(nèi)的其他輔助挑流消能工使用，均能達到理想效果。


圖l本發(fā)明消力池內(nèi)差動式挑流消能工的立面示意圖2本發(fā)明消力池內(nèi)差動式挑流消能工的平面示意圖3本發(fā)明消力池內(nèi)使用差動式挑流消能工的水流流態(tài)示意圖4本發(fā)明的差動式挑流消能工在消力池內(nèi)應用的一個實施例示意圖5為圖4的實施例中消力池底板三維示意圖。
圖中，l消力池，2差動式三角形挑坎，211差動式三角形挑坎底邊，212差動式三 角形挑坎迎水面，213差動式三角形挑坎被水面，214挑流槽，215主挑流坎，A主挑流 坎挑角，B被水面挑角，C挑流槽挑角，Bl主挑流坎寬度，B2挑流槽寬度，/差動式三 角形挑坎底邊長度，b差動式三角形挑坎橫向總寬度，F(xiàn)u主挑流坎高度，h2挑流槽高度， 3消力池前池，4消力池后池。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及工作原理并用具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，以下描述 了當前所考慮到的用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳實施例，旨在描述本發(fā)明的一般原理及差動式 挑坎構(gòu)成情況；但并非意味著對本發(fā)明保護范圍的任何限定。
本發(fā)明圖1中，在消力池1內(nèi)設置的差動式三角形挑坎2的，差動式三角形挑坎底 邊211長/占消力池總長度的1/6 1/3;主挑流坎215高度h為差動式三角形挑坎底邊 長度的1/8 1/4，主挑流坎迎水面212長度小于挑坎底邊長度而大于被水面213長度； 每個主挑流坎寬度Bl為消力池寬度的1/10 1/3;挑流槽214高度h2可在差動式三角 形主挑流坎高度的1/4 3/4之間改變，每個挑流槽寬度B2也為消力池寬度的1/10 1/3;差動式三角形挑坎主挑流坎迎水面主挑角A的角度可在8 45。之間改變；其被水 面挑角B的角度可在45 9(T之間改變；差動式三角形挑坎迎水面槽挑角C可在5 30 °之間改變，其最佳角度為主挑角A的1/2。
從本發(fā)明圖2中可知，差動式三角形挑坎的橫向總寬度b和消力池寬度相同。
本發(fā)明圖3中所示的消力池1內(nèi)差動式三角形挑坎的水流消能原理是泄洪建筑物 出口的射流在差動式三角形挑坎2迎水面212的反射與挑流使得消力池內(nèi)紊動和回流更為激烈；差動式三角形挑坎將整個消力池分為前池3和后池4，這樣使得水躍在較大單 寬流量范圍內(nèi)均能穩(wěn)定形成，單寬流量小時，水躍消能可能在前池內(nèi)已經(jīng)充分，后池作 為水墊塘有效地保護了下游護坦段；單寬流量較大時，則前后兩個消力池均發(fā)揮作用， 底部形成的回流和水墊有效地降低了臨底流速及出池流速；所述差動式三角形挑流坎能 有效地將空氣摻入水中，在挑流槽214內(nèi)形成摻氣水流，因此，增加了差動式三角形挑 流坎自身的抗空化能力。 實施例
圖4是本發(fā)明為某一工程泄洪洞出口消力池優(yōu)化水力學模型試驗中采用在常規(guī)消力 池內(nèi)設置一臺階輔助消能工和差動式三角形挑流坎消能工相結(jié)合的實例圖，本實例的結(jié) 構(gòu)是消力池1與差動式三角形挑坎2制造成一個連續(xù)的整體。差動式三角形挑坎將消 力池分為前池3和后池4兩部分，其中差動式三角形挑坎沿水流方向長度為25m;差動 式三角形挑坎橫向總寬度b與消力池寬度相同，為30m，起挑位置距離消力池進口 25m， 約為消力池長度l/3;差動式三角形挑坎內(nèi)共設有4個挑流槽和3個主挑流坎，挑流槽 和主挑流坎左右對稱交叉布置。3個主挑流坎寬度均為5m，主挑流坎215底邊211與迎 水面212夾角A-15。，差動式三角形挑坎被水面213與差動式三角形挑坎底邊夾角被 水面挑角B-80。，主挑流坎高度h為5m，為底邊長度/的l/5;兩邊墻處各有一個挑 流槽，寬度均為2.5m,中間兩個挑流槽寬度均為5m，其槽挑角C=7.5° ，為主挑角的 1/2。實驗結(jié)果表明，消力池內(nèi)增設了差動式三角形挑流坎后，消力池內(nèi)能夠形成穩(wěn)定的 水躍，躍首位置穩(wěn)定在泄洪洞出口下游10m范圍內(nèi)，消力池內(nèi)水流紊動劇烈，消能效果 顯著；水流沖擊到差動式三角挑坎面上形成反射，水花翻騰；挑流槽內(nèi)水流劇烈摻氣， 從而有效的增加了挑坎自身的、消力池底板以及其邊墻的抗空化能力；水流在挑坎后形 成回流，水墊較深，臨底流速與沒有加挑坎時相比大大降低，有效地保護了消力池底板。 如果采用常規(guī)消力池，則消力池長度需要130m，增設了差動式三角形挑坎后，消力池 長度縮短為87m，這不但有效地解決了地質(zhì)條件對消力池尺寸的限制問題，而且在各級 流量下消力池消能效果和流態(tài)均非常好。
本發(fā)明的差動式三角形挑流消能工既可在常規(guī)消力池內(nèi)設有其它輔助消能工的基礎(chǔ) 上再增設差動式三角形挑流坎消能工配合使用，如以上實施例；也可在常規(guī)消力池內(nèi)單 獨設置差動式三角形挑流坎消能工，消能效果均好。
權(quán)利要求
1.一種消力池內(nèi)的差動式挑流消能工，包括消力池(1)，其特征在于還包括在消力池(1)內(nèi)設置的沿水流方向剖面的差動式三角形挑坎(2)；該差動式三角形挑坎將消力池分成前池(3)和后池(4)兩個部分；其起挑位置在消力池長度的1/4～2/3之間；所述差動式三角形挑坎的迎水面(212)上坡度不連續(xù)，坡度緩的為挑流槽(214)，坡度陡的為主挑流坎(215)，差動式三角形挑坎被水面(213)坡度為連續(xù)的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動式挑流消能工，其特征在于所述差動式三角形挑坎 (2)的迎水面(212)上坡度緩的挑流槽(214)與坡度陡的主挑流坎(215) 二者交替布置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的差動式挑流消能工，其特征在于所述差動式三角形 挑坎(2)迎水面(212)的主挑流坎(215)的主挑角A為8 45。。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的差動式挑流消能工，其特征在于所述差動式三角形 挑坎(2)迎水面(212)槽挑角(C)為5 30。。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的差動式挑流消能工，其特征在于所述差動式三角形 挑坎(2)被水面挑角(B)為45 90。。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動式挑流消能工，其特征在于所述差動式三角形挑坎 的底邊(211)長度(/)占消力池總長度的1/6 1/3。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的差動式挑流消能工，其特征在于所述差動式三角形 挑坎橫向總寬度(b)和消力池長度相同，其主挑流坎高度(h》為差動式三角形挑坎底 邊長度的1/8 1/4，每個主挑流坎寬度(Bl)為消力池寬度的1/10 1/3。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的差動式挑流消能工，其特征在于所述差動式三角形 挑坎的挑流槽(214)的高度(h2)為差動式三角形主挑流坎高度的1/4 3/4。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的差動式挑流消能工，其特征在于所述每個挑流槽寬 度(B2)為消力池寬度的1/10 1/3。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的差動式挑流消能工，其特征在于所述差動式三角形 挑坎(2)迎水面槽挑角(C)角度為主挑角(A)的1/2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種消力池內(nèi)的差動式挑流消能工，屬于工程水力學領(lǐng)域。所述差動式挑流消能工包括消力池，還包括在消力池內(nèi)設置的差動式三角形挑坎消能工，該差動式三角形挑坎將消力池分為前池和后池兩個部分；其起挑位置可在消力池長度的1/4～2/3之間改變。所述差動式三角形挑坎的迎水面上坡度不連續(xù)，坡度較陡的為主挑坎，坡度較緩的為挑流槽，其被水面坡度是連續(xù)的。本發(fā)明消力池內(nèi)差動式挑流消能工的設置不僅縮短了消力池長度，有利于節(jié)約工程造價；且提高了消能率；還具有自身的極強的抗空化能力。本發(fā)明可在任何常規(guī)消力池內(nèi)單獨采用，也可與池內(nèi)的其它輔助消能工結(jié)合使用。
文檔編號E02B8/06GK101538841SQ200910058659
公開日2009年9月23日 申請日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者易文敏, 李連俠, 沈煥榮 申請人:四川大學