一種異型反臺(tái)階整流消能方法及消力池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于水利水電工程泄洪消能領(lǐng)域，涉及一種消能方法及消力池。
【背景技術(shù)】
[0002]在水利水電泄水建筑物中，泄流與下游天然河道相銜接時(shí)，必然需要消能與調(diào)整流速分布。高水頭、高Fr數(shù)(注:Fr數(shù)稱之為弗汝德數(shù)，是水力參數(shù)，后文簡(jiǎn)稱為“Fr數(shù)”)泄水條件，可用挑流加水墊塘，亦可用底流、面流加消力池等措施，達(dá)到消能防沖目的。但對(duì)于低水頭、大單寬、低Fr數(shù)水流消能問題一直成為難點(diǎn)，尤其是單寬流量極大(大于300m2/s)、Fr數(shù)極低(1~2)情況下，水流消能難度極大。尤其是岸邊泄洪流道出口，地質(zhì)條件復(fù)雜，出口消能區(qū)域受限，出口水流與下游河道軸線存在夾角，需要同時(shí)兼顧水流消能及平順歸槽的雙層目標(biāo)。
[0003]從消能角度:無論哪種消能形式，在消能段能出現(xiàn)完整穩(wěn)定水躍流態(tài)，對(duì)消能極為有利。但穩(wěn)定水躍形成對(duì)來流Fr數(shù)、單寬流量、上下游水位差及變化等條件要求較高。很多情況下，尤其是低水頭、大單寬、低Fr數(shù)水流，上下游水位組合復(fù)雜多變、水躍產(chǎn)生區(qū)地形地質(zhì)條件受限，水躍產(chǎn)生形態(tài)不穩(wěn)定，甚至不能形成水躍現(xiàn)象，不能夠保證泄水流道出口高效消能。目前，為了利用水躍消能，常采用輔助消能工(墩、坎等)及收縮擴(kuò)散等方式強(qiáng)迫水流產(chǎn)生水躍現(xiàn)象，但是，對(duì)于單寬流量極大(大于300m2/s)、Fr數(shù)極低(1~2)，上下游水位差較小，下游水位較低，出口地形地質(zhì)條件受限(消能區(qū)域較短)等情況，消能難度較大，由于出口單寬流量大、流速高，難以形成水躍，消能率極低，造成下游沖刷嚴(yán)重。
[0004]從水流歸槽角度:泄水流道出口水流歸槽問題直接影響到下游安全。很多工程由于地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其是岸邊建筑物，出口區(qū)域空間受到限制，出口后河床地質(zhì)條件差、覆蓋層較厚，消能區(qū)域空間小，只能在有限區(qū)域集中高效消能方可保證下游安全。一般情況下，岸邊流道出口水流軸線與河道主流軸線存在夾角，夾角較小時(shí)，出流靠岸，嚴(yán)重威脅下游岸坡安全；夾角較大時(shí)，水流難以歸槽，也會(huì)影響對(duì)岸岸坡安全。因此，岸邊流道出口水流需要同時(shí)解決出口消能和平順歸槽的雙重重任。而傳統(tǒng)的齒坎、導(dǎo)流墩、扭面等措施對(duì)于水體集中、離心力較大的大單寬、低Fr數(shù)水流，轉(zhuǎn)向整流作用不顯著，出流橫向擴(kuò)散不均勻，均不易達(dá)到消能和歸槽的雙層目的。
[0005]臺(tái)階消能方式已在水利工程、景觀設(shè)計(jì)、河流防沙及魚道工程等領(lǐng)域得到應(yīng)用，水利工程中常在壩面、溢洪道等處采用臺(tái)階進(jìn)行消能，通過對(duì)底流加糙，增加摻氣、旋滾、碰撞，達(dá)到消能摻氣的目的，且多為正向(即每個(gè)臺(tái)階平面高程沿水流方向逐級(jí)降低)臺(tái)階。對(duì)于反臺(tái)階(即每個(gè)臺(tái)階平面高程沿水流方向逐級(jí)升高)消能方式，目前工程上多采用單個(gè)臺(tái)階型式(如坎、墩等)，亦可理解為一個(gè)反臺(tái)階形式，用以整流或促使水躍產(chǎn)生，但是消能效果還有待提尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)低水頭、大單寬流量(尤其是大于300m2/s)、低Fr數(shù)(尤其是Fr數(shù)〈2)水流，進(jìn)流均勻，出流水流與河道軸線存在夾角的情況，提供一種異型反臺(tái)階整流消能方法及消力池，可有效縮短消力池池長(zhǎng)，提高消能率，并解決岸邊泄水水流平順歸槽問題。
[0007]本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案:
一種異型反臺(tái)階整流消能方法，其特征是在消力池的末端設(shè)置連續(xù)反臺(tái)階尾坎，消力池兩側(cè)邊墻非對(duì)稱分布且向河心側(cè)呈曲面擴(kuò)散，將主流導(dǎo)向河心側(cè)，連續(xù)反臺(tái)階尾坎由寬度隨消力池邊墻擴(kuò)散而變化的多個(gè)臺(tái)階組成，臺(tái)階順?biāo)鞣较蚋叱讨鸺?jí)升高，每階臺(tái)階邊緣布置成連續(xù)“L”型或鋸齒形，形成進(jìn)口處低、出口處高、河心側(cè)低、近岸坡側(cè)高的橫向和縱向三維異型反臺(tái)階結(jié)構(gòu)，與來流分層碰撞，分層消減水流能量，同時(shí)使水流橫向充分?jǐn)U散并將主流導(dǎo)向河心側(cè)，水流在池內(nèi)充分摻混、紊動(dòng)，促使池內(nèi)形成穩(wěn)定水躍消能流態(tài)，實(shí)現(xiàn)整流消能及岸邊泄水流道出水水流平順歸槽的目的。
[0008]本發(fā)明還提供了應(yīng)用上述消能方法的消力池，由前端的跌坎、底部的底板、兩側(cè)的邊墻及末端的尾坎組成，其特征是所述消力池兩側(cè)邊墻非對(duì)稱分布且向河心側(cè)呈曲面擴(kuò)散，尾坎采用連續(xù)反臺(tái)階，連續(xù)反臺(tái)階由寬度隨消力池邊墻擴(kuò)散而變化的多個(gè)臺(tái)階組成，臺(tái)階順?biāo)鞣较蚋叱讨鸺?jí)升高，每階臺(tái)階邊緣布置成連續(xù)“L”型或鋸齒形，形成進(jìn)口處低、出口處高、河心側(cè)低、近岸坡側(cè)高的橫向和縱向三維異型反臺(tái)階結(jié)構(gòu)。
[0009]優(yōu)選地，所述尾坎反臺(tái)階階數(shù)為3~5階；
優(yōu)選地，所述尾坎單階臺(tái)階高度為2~4m。(各階臺(tái)階高度可以相等，也可以不相等。)優(yōu)選地，曲面的形式由流態(tài)調(diào)整需要決定，包括但不限于平面、圓弧面、橢圓弧面、多次曲面及他們的任意組合。
[0010]本發(fā)明反臺(tái)階尾坎各階踏步深度可根據(jù)實(shí)際流態(tài)調(diào)整需要結(jié)合反臺(tái)階的階數(shù)及單階臺(tái)階高度綜合考慮設(shè)計(jì)。
[0011]本發(fā)明的異型反臺(tái)階整流消能方法及消力池利用末端的連續(xù)反臺(tái)階尾坎代替?zhèn)鹘y(tǒng)尾坎體型，每階臺(tái)階邊緣布置成連續(xù)“L”型或鋸齒形的方式，形成進(jìn)口處低、出口處高、河心側(cè)低、近岸坡側(cè)高的橫向和縱向三維異型反臺(tái)階結(jié)構(gòu)，使水流與反臺(tái)階分層碰撞，分層消減能量，增強(qiáng)出池前水流碰撞、摻混、紊動(dòng)流態(tài)，實(shí)現(xiàn)碰撞消能；為了在池內(nèi)形成水躍消能流態(tài)，在前端進(jìn)口設(shè)置跌坎，增加池內(nèi)水深，使水流在池內(nèi)縱向擴(kuò)散；兩側(cè)邊墻向河心側(cè)曲面擴(kuò)散，使水流橫向擴(kuò)散并將主流導(dǎo)向河心側(cè)?？捎行Эs短池長(zhǎng)，提高消能率，達(dá)到消能和調(diào)整流速分布的作用。同時(shí)，使出池水流偏轉(zhuǎn)，與下游河道平順銜接，大大減輕下游沖刷。本發(fā)明適用于低水頭、大單寬流量(尤其是大于300m3/sm)、低Fr數(shù)(尤其是Fr數(shù)〈2)水流，多為岸邊泄洪的過水流道，出流水流與河道軸線存在夾角，出口水流由于離心力作用很難橫向擴(kuò)散開，水體集中，且出口后地質(zhì)條件差、可供消能區(qū)域空間小，岸坡易受影響，下游沖刷嚴(yán)重的情況。消力池具體尺寸及體型要求與來流條件及下游水位相適應(yīng)。
【附圖說明】
[0012]圖1為異型反臺(tái)階消力池立體圖。
[0013]圖2為異型反臺(tái)階消力池平面圖。
[0014]圖3 (a)為實(shí)施例二泄水建筑物布置示意圖。其中A為異型反臺(tái)階消力池，B為導(dǎo)流軸線，C為河道主流軸線，D為右岸岸坡，E為左岸岸坡。
[0015]圖3 (b)為實(shí)施例二異型反臺(tái)階體型示意圖。其中3-1為消力池左邊墻，3-2為消力池右邊墻。
[0016]圖4為鋸齒狀“伸舌”示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]實(shí)施例一
如圖