泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種水利工程的消能結(jié)構(gòu)，尤其是一種泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型提供了一種降低邊墻所承受的動水壓力的泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)，包括由挑流結(jié)構(gòu)底板和挑流結(jié)構(gòu)邊墻構(gòu)成的挑流結(jié)構(gòu)，所述挑流結(jié)構(gòu)底板的出口端向上翹曲，挑流結(jié)構(gòu)邊墻設(shè)置在挑流結(jié)構(gòu)底板的兩側(cè)，還包括呈槽狀的缺口突跌陡槽，所述缺口突跌陡槽設(shè)置在挑流結(jié)構(gòu)底板的出口端并延伸至挑流結(jié)構(gòu)的出水口處。本實(shí)用新型挑流消能結(jié)構(gòu)大大加大水流的縱向擴(kuò)散度，通過空中擴(kuò)散、碰撞，降低了單位面積的入水量，從而降低了挑流水舌對河床的沖刷能力。
【專利說明】
泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種水利工程的消能結(jié)構(gòu)，尤其是一種泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)工程地質(zhì)、地形、水文等條件，高速水流泄水建筑物出口挑坎體型設(shè)計不僅要使出挑水流順利歸槽，而且要盡量增大出挑水流擴(kuò)散程度，以加大水流在空中的摻混、紊動、摩擦消能以及減小水舌入水單位面積上的流量以達(dá)到降低水流對下游河道的沖刷能力。
[0003]在水流縱向擴(kuò)散消能工中，窄縫消能不失為一種較好的消能工，但由于窄縫挑流消能結(jié)構(gòu)的縱向拉伸水舌是由兩側(cè)邊墻的收縮約束作用下強(qiáng)迫形成的，因此水流會對邊墻造成強(qiáng)大的沖擊作用，邊墻受力較大，在大泄量時可能達(dá)到總水頭的40%?60%。且由于兩側(cè)邊墻的收縮約束作用使水深沿程雍高，從而邊墻很高，高速水流可能誘發(fā)墻體振動，如1982年?1987年對烏江渡水電站的左岸滑雪道導(dǎo)墻進(jìn)行振動觀測，有明顯的振動反應(yīng)。從三次原觀成果分析:左岸滑雪道導(dǎo)墻的振動在逐年增強(qiáng)，即從1982年的160μπι增至1987年的3.1mm。邊墻受力大及墻體振動使結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工難度及投資造價大大增加。另外，由于挑坎內(nèi)高速水流流態(tài)穩(wěn)定要求，即收縮比的限制，窄縫挑流消能結(jié)構(gòu)沿縱向長度較長，不能適應(yīng)我國西部水電項(xiàng)目由于下游河道狹窄，地質(zhì)條件較差等帶來的出口布置受限的問題，
[0004]高低差動挑流消能結(jié)構(gòu)也是意在增大水舌縱向擴(kuò)散度，但其主要應(yīng)用在壩身流速不高(約小于16m/s)的表孔中，流速較高時由于表面的不平整極易發(fā)生結(jié)構(gòu)的空蝕破壞。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種降低邊墻所承受的動水壓力的能使水流縱向擴(kuò)散的泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)。
[0006]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)，包括由挑流結(jié)構(gòu)底板和挑流結(jié)構(gòu)邊墻構(gòu)成的挑流結(jié)構(gòu)，所述挑流結(jié)構(gòu)底板的出口端向上翹曲，挑流結(jié)構(gòu)邊墻設(shè)置在挑流結(jié)構(gòu)底板的兩側(cè)，還包括呈槽狀的缺口突跌陡槽，所述缺口突跌陡槽設(shè)置在挑流結(jié)構(gòu)底板的出口端并延伸至挑流結(jié)構(gòu)的出水口處。
[0007]進(jìn)一步的是，所述挑流結(jié)構(gòu)為左右對稱式、正向斜切式或反向斜切式。
[0008]進(jìn)一步的是，缺口突跌陡槽沿順?biāo)飨虻淖钚￠L度不小于挑流結(jié)構(gòu)底板的寬度。
[0009]進(jìn)一步的是，缺口突跌陡槽設(shè)置在挑流結(jié)構(gòu)底板的中間部位，缺口突跌陡槽前端開口寬度小于末端處開口寬度。前端和末端的相對位置均以水流方向作為參考。
[0010]進(jìn)一步的是，缺口突跌陡槽前端開口寬度為挑流結(jié)構(gòu)底板寬度的0.1?0.7，缺口突跌陡槽末端開口寬度為挑流結(jié)構(gòu)底板寬度的0.8?0.95。
[0011 ]進(jìn)一步的是，缺口突跌陡槽前端開口部位挑角小于末端部位挑角。
[0012]進(jìn)一步的是，缺口突跌陡槽前端開口部位挑角不小于-10°，末端開口兩端挑角不大于45°，兩角度之差不小于15°。
[0013]進(jìn)一步的是，缺口突跌陡槽的跌坎高度不小于1.0m。
[0014]進(jìn)一步的是，缺口突跌陡槽的左右邊墻上各設(shè)有I個以上的與大氣相通的通氣孔。
[0015]進(jìn)一步的是，缺口突跌陡槽的底面由前端至末端逐漸向下傾斜。
[0016]本實(shí)用新型的有益效果是:利用射流沖擊原理，出挑水流首先從缺口突跌陡槽前端開口射出，缺口突跌陡槽兩側(cè)挑流結(jié)構(gòu)底板上的沒有出射的水流沿著挑流結(jié)構(gòu)底板繼續(xù)向前流動。缺口突跌陡槽前端開口處水流射出后，對兩側(cè)的水流而言在中間形成一個臨空面，因此兩側(cè)水流在繼續(xù)向前流動過程中，不斷從缺口突跌陡槽左右邊墻頂沿程射出，最后余少量水流從缺口突跌陡槽末端開口兩側(cè)頂部挑射。由于缺口突跌陡槽左右邊墻頂沿程挑角不斷加大，則沿程水舌挑距均勻增長。水流經(jīng)缺口突跌陡槽前端開口射流、缺口突跌陡槽左右邊墻頂沿程射流、缺口突跌陡槽末端開口兩側(cè)頂部挑射而形成的四股水舌在空中上下灑開、匯心相沖撞、縱向拉開擴(kuò)散，從而形成與窄縫挑流結(jié)構(gòu)類似的縱向拉伸片狀水舌。
[0017]本實(shí)用新型挑流消能結(jié)構(gòu)大大加大水流的縱向擴(kuò)散度，通過空中擴(kuò)散、碰撞，降低了單位面積的入水量，從而降低了挑流水舌對河床的沖刷能力。由于水流不斷從缺口突跌陡槽前端開口及缺口突跌陡槽左右邊墻頂沿程射流，使挑坎內(nèi)水流不斷減少，挑坎內(nèi)水深降低，邊墻承受的動水壓力小且高度可降低，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，施工及投資造價大大優(yōu)于窄縫消能工。另外，缺口突跌陡槽左右邊墻內(nèi)各設(shè)有I個以上的與大氣相通的通氣孔，可向槽內(nèi)充分通氣，保證槽內(nèi)水舌穩(wěn)定，不會形成紊流等造成空蝕破壞。能夠很好地適應(yīng)目前西南地區(qū)水頭高，單寬流量大、下游河道狹窄，地質(zhì)條件較差、出口布置受限的泄水建筑物出口條件。
【附圖說明】
[0018]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0019]圖2是本實(shí)用新型的平面圖；
[0020]圖3是圖2的A-A線剖視圖；
[0021]圖4是圖2的B-B線剖視圖；
[0022]圖5是圖2的C-C線剖視圖；
[0023]圖6是本實(shí)用新型工作時的水舌圖；
[0024]圖7是圖6的俯視圖；
[0025]圖中零部件、部位及編號:挑流結(jié)構(gòu)邊墻I，挑流結(jié)構(gòu)底板2，缺口突跌陡槽3，缺口突跌陡槽前端開口 4，缺口突跌陡槽末端開口 5，跌坎6，缺口突跌陡槽邊墻7，缺口突跌陡槽底板8，通氣孔9。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0027]如圖1、2所示，本實(shí)用新型采用挑流結(jié)構(gòu)邊墻1，挑流結(jié)構(gòu)底板2，缺口突跌陡槽3這三個混凝土結(jié)構(gòu)邊界條件實(shí)現(xiàn)出口水流縱向拉伸均勻擴(kuò)散效果。利用水流射流沖擊原理，出挑水流首先從缺口突跌陡槽前端開口4射出，缺口兩側(cè)挑流結(jié)構(gòu)底板2上的沒有出射的水流沿著挑流結(jié)構(gòu)底板2繼續(xù)向前流動，且不斷從缺口突跌陡槽左右邊墻7頂沿程射出，最后余少量水流從缺口突跌陡槽末端開口 5兩側(cè)頂部挑射。水舌形態(tài)如圖6和圖7所示，存在明顯的三個區(qū)域。其中I區(qū)為缺口突跌陡槽末端開口5兩側(cè)頂部少量出挑水舌，由于挑角較大，挑射高度較大，但由于空氣中受到阻力的影響不會沿挑流結(jié)構(gòu)末端大挑角沿拋物線射出，而是一定程度時就會散落、沖撞在主水舌上，在水舌外緣形成一條乳白色的條帶，如果缺口突跌陡槽末端開口 5寬度不夠大時，會使I區(qū)范圍較大、水量較多，從而使整個水舌入水區(qū)前端水量較集中，沖刷能力較強(qiáng)。Π區(qū)為整體擴(kuò)散區(qū)，在水舌出坎后，水流的中下部密度較大，水舌成整體擴(kuò)散狀水股。隨距挑坎出口末端距離的增大，擴(kuò)散度和摻氣量不斷增加。這個區(qū)域隨水頭升高和缺口突跌陡槽末端開口5寬度增大而增大。是水舌的主流區(qū)，也是水舌入水范圍與均勻性的控制區(qū)。m區(qū)為水舌離開挑坎后充分?jǐn)U散區(qū)，缺口突跌陡槽左右邊墻7水舌從兩側(cè)向中間一起出射并將大量空氣帶入，從而摻氣充分，水流成整體擴(kuò)散，而當(dāng)水舌離開挑坎一定距離后水流成一定分散的細(xì)股。
[0028]根據(jù)對挑坎流態(tài)的分析，缺口突跌陡槽末端開口5寬度一般取較大值才能滿足水力條件，為挑流結(jié)構(gòu)底板2寬度的0.8?0.95。為使水舌在縱向充分拉伸，缺口突跌陡槽3順?biāo)飨蛐枰幸欢ǖ拈L度，最小長度不小于挑流結(jié)構(gòu)的底板2寬度，且缺口突跌陡槽前端開口 4挑角小于結(jié)構(gòu)末端開口 5挑角，缺口突跌陡槽前端開口 4挑角不小于-10°，結(jié)構(gòu)末端開口5兩端挑角不大于45°，兩角度之差不小于15°，才能達(dá)到水舌在縱向拉伸效果。當(dāng)水舌有一定拉伸度時，缺口突跌陡槽前端開口4寬度也應(yīng)取適宜的值，為挑流結(jié)構(gòu)底板2寬度的0.1?
0.7，才能保證水舌的水量沿縱向的分布比較均勻。這樣通過調(diào)整優(yōu)化缺口突跌陡槽的長度、挑角、開口寬度這些參數(shù)，既能使出挑水流的縱向拉伸范圍較大，也能使出挑水舌的水量分布較均勻，從而大大減小入水單寬流量，減少對河床的沖刷。
[0029]為保證水流經(jīng)缺口突跌陡槽前端開口4、缺口突跌陡槽左右邊墻7頂沿程射出射水舌不會砸缺口突跌陡槽底板8，因此缺口突跌陡槽3的跌坎6要求有一定高度，至少不小于
1.0m，以形成自由水舌射流面。
[0030]缺口突跌陡槽左右邊墻7內(nèi)各設(shè)有I個以上的與大氣相通的通氣孔，可向槽內(nèi)充分通氣，保證槽內(nèi)水舌穩(wěn)定，不會形成紊流等造成空蝕破壞。
[0031 ]由于水流不斷從缺口突跌陡槽前端開口 4及缺口突跌陡槽左右邊墻7頂沿程射流，使挑坎內(nèi)水流不斷減少，挑坎內(nèi)水深降低，邊墻承受的動水壓力小且高度可降低，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，施工及投資造價大大優(yōu)于窄縫消能工。能夠很好地適應(yīng)目前西南地區(qū)水頭高，單寬流量大、下游河道狹窄，地質(zhì)條件較差、出口布置受限的泄水建筑物出口條件。由于缺口突跌陡槽前端開口4靠近挑流結(jié)構(gòu)最低點(diǎn)，挑流結(jié)構(gòu)的起挑流量較低，因此也適用于低水頭的挑流消能。可根據(jù)下游河道情況調(diào)整本實(shí)用新型挑流結(jié)構(gòu)為左右對稱式、正向斜切式、反向斜切式，以控制主水舌的方向和落點(diǎn)，減小對河岸的沖刷，有利于岸坡穩(wěn)定。
[0032]以某一水電站模擬實(shí)驗(yàn)為例:
[0033]該上下游水位落差大，最大落差達(dá)240m;泄洪流量大，設(shè)計/校核工況流量3229/3320m3/s;泄洪功率大，泄洪功率達(dá)7750MW，能量集中，但下游河道狹窄，入水區(qū)水面寬度僅60?100m，下泄水流的巨大能量與狹窄河道消能承載能力之間矛盾突出，消能防沖任務(wù)十分艱巨。
[0034]在該水電站的實(shí)際情況下，本泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的窄縫挑坎結(jié)構(gòu)相比:
[0035]實(shí)測窄縫挑坎邊墻瞬時最大壓強(qiáng)402.95kPa，挑坎內(nèi)最大水深24m，順?biāo)鏖L度布置需113m。本泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)邊墻最大壓強(qiáng)62.95kPa，挑坎內(nèi)最大水深5.6m，順?biāo)鏖L度布置僅需60m。試驗(yàn)測得兩種結(jié)構(gòu)下游消能效果相當(dāng)。經(jīng)計算窄縫挑坎比本實(shí)用新型挑流結(jié)構(gòu)直接投資增加約2077萬元。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)，包括由挑流結(jié)構(gòu)底板和挑流結(jié)構(gòu)邊墻(I)構(gòu)成的挑流結(jié)構(gòu)，所述挑流結(jié)構(gòu)底板(2)的出口端向上翹曲，挑流結(jié)構(gòu)邊墻(I)設(shè)置在挑流結(jié)構(gòu)底板(2)的兩側(cè)，其特征在于:還包括呈槽狀的缺口突跌陡槽(3)，所述缺口突跌陡槽(3)設(shè)置在挑流結(jié)構(gòu)底板(2)的出口端并延伸至挑流結(jié)構(gòu)的出水口處。2.如權(quán)利要求1所述的泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述挑流結(jié)構(gòu)為左右對稱式、正向斜切式或反向斜切式。3.如權(quán)利要求1所述的泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)，其特征在于:缺口突跌陡槽(3)沿順?biāo)飨虻淖钚￠L度不小于挑流結(jié)構(gòu)底板(2)的寬度。4.如權(quán)利要求1所述的泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)，其特征在于:缺口突跌陡槽(3)設(shè)置在挑流結(jié)構(gòu)底板(2)的中間部位，缺口突跌陡槽(3)前端開口寬度小于末端處開口寬度。5.如權(quán)利要求4所述的泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)，其特征在于:缺口突跌陡槽(3)前端開口寬度為挑流結(jié)構(gòu)底板(2)寬度的0.1?0.7，缺口突跌陡槽(3)末端開口寬度為挑流結(jié)構(gòu)底板(2)寬度的0.8?0.95。6.如權(quán)利要求1所述的泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)，其特征在于:缺口突跌陡槽(3)前端開口部位挑角小于末端部位挑角。7.如權(quán)利要求6所述的泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)，其特征在于:缺口突跌陡槽(3)前端開口部位挑角不小于-10°，末端開口兩端挑角不大于45°，兩角度之差不小于15°。8.如權(quán)利要求1所述的泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)，其特征在于:缺口突跌陡槽(3)的跌坎(6)高度不小于1.0m。9.如權(quán)利要求1所述的泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)，其特征在于:缺口突跌陡槽(3)的左右邊墻上各設(shè)有I個以上的與大氣相通的通氣孔。10.如權(quán)利要求1所述的泄水建筑物出口挑流消能結(jié)構(gòu)，其特征在于:缺口突跌陡槽(3)的底面由前端至末端逐漸向下傾斜。
【文檔編號】E02B8/06GK205421200SQ201620218352
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月21日
【發(fā)明人】游湘, 周鐘, 鄧軍, 劉善均, 蒙富強(qiáng)
【申請人】中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司