一种高水头底孔泄洪消能结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种高水头底孔泄洪消能结构，包括沿水流泄洪方向依次降低设置的底孔和消力池1，所述底孔包括有压式泄水段3和明流泄槽段2，有压式泄水段3的出口连接明流泄槽段2的入口，明流泄槽段2的出口连接消力池1；所述有压式泄水段3的出口与明流泄槽段2的入口的连接处设有跌槽11，所述跌槽11包括一平行于有压式泄水段3呈阶梯设置的底板和沿底板两侧布置的两侧墙，所述跌槽11的底板宽于有压式泄水段3的出口宽度；所述明流泄槽段2的出口与消力池1的连接处设有用于减速过渡的阶梯状跌坎4。本实用新型的底孔中跌槽11的设置达到了掺气减蚀的效果，消力池跌坎4的设置大大降低了消力池底板遭受空蚀和冲蚀的破坏。
【专利说明】一种高水头底孔泄洪消能结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及水利枢纽的泄洪消能领域，具体地，涉及一种高水头底孔泄洪消能结构。
【背景技术】
[0002]泄洪消能建筑物是水利枢纽主要建筑物，泄洪底孔和消能结构是其中重要的两个组成部分。由于水利枢纽上通过泄洪底孔弧形工作门的水流速度极高，所以水流下的空化空蚀问题也及其严重，因此泄洪底孔体型的设计要充分考虑到这一问题。再者，从泄洪底孔流出的水流具有极高的动能和势能，不能直接将其注入下游河流中，必须经过消能处理。坝身泄洪孔消能通常采用挑流、面流和底流3种消能型式，根据工程底孔布置接近河床高程及下游水位变化幅度等特点，选择相应的消能型式，而本实用新型主要是在底流消能型式基础上做出改进。现有技术中平底消力池是最为常用的一种消能结构，所谓平底消力池，即是泄洪底孔出口明流泄槽段经一段圆弧与消力池底板平顺相接。但是平底消力池存在如下问题:1)底孔泄洪水流入消力池时，水体主流与池内水体形成强烈剪切流，在闸墩出口区域形成明显的立轴漩涡，并有初生至发展阶段的蒸汽型空化，消力池底板容易发生空蚀破坏；2)消力池进口处底部流速大，测量显示不同工况下反弧段处底部最大临底流速达36m/s，对该部位底板抗冲性能要求较高。
[0003]因此，对泄洪底孔及其消力池的空化空蚀、掺气减蚀、闸门流激振动、消能防冲、抗冲耐磨材料等方面问题的研究解决，不仅为今后枢纽运行提供技术保证，也为枢纽发挥经济效益和安全运用奠定了基础。
实用新型内容
[0004]为了解决上述问题，本实用新型提供了一种高水头底孔泄洪消能结构，具体地，采用如下技术方案:
[0005]一种高水头底孔泄洪消能结构，包括沿水流泄洪方向依次降低设置的底孔和消力池，所述底孔包括有压式泄水段和明流泄槽段，有压式泄水段的出口连接明流泄槽段的入口，明流泄槽段的出口连接消力池；所述有压式泄水段的出口与明流泄槽段的入口的连接处设有跌槽，所述跌槽包括一平行于有压式泄水段呈阶梯设置的底板和沿底板两侧布置的两侧墙，所述跌槽的底板宽于有压式泄水段的出口宽度；所述明流泄槽段的出口与消力池的连接处设有用于减速过渡的阶梯状的跌坎。
[0006]进一步地，所述跌槽的底板宽度是有压式泄水段的底板宽度的1.13?1.27，所述跌槽的底板高度是有压式泄水段的底板高度的0.995?0.996。
[0007]进一步地，所述跌槽的两侧墙底部设有通气孔。
[0008]进一步地，所述跌坎的底板高度是明流泄槽段的出口处底板高度的0.977?
0.978。
[0009]进一步地，所述消力池内两侧设置导墙，所述导墙与跌坎具有一定距离。[0010]进一步地，所述消力池的底板尾部连接向上凸起的尾坎。
[0011]进一步地，所述尾坎后连接护坦。
[0012]进一步地，所述明流泄槽段的底板、消力池的底板和导墙上设有抗蚀涂层。
[0013]进一步地，明流泄槽段的出口设有向内凹陷的反弧调顺段与跌坎平滑连接。
[0014]进一步地，所述有压式泄水段的入口处设有反钩检修门，所述有压式泄水段的出口处设有弧形工作门，所述有压式泄水段的入口与出口之间设有事故检修门。
[0015]本实用新型采用了不同于之前的技术方案，达到了如下技术效果:
[0016]I)本实用新型的底孔中有压式泄水段的出口与明流泄槽段的入口的连接处跌槽的设置，形成了一种突扩突跌掺气的体型，能够达到掺气减蚀效果，避免了空蚀破坏，同时也满足高水头弧形闸门止水要求。
[0017]2)本实用新型的消力池与明流泄槽段的出口的连接处设有用于减速过渡的阶梯状的跌坎，能够显著降低闸墩尾部立轴漩涡对跌坎立面和消力池底板的空蚀破坏，同时消力池内临底流速大幅降低，底板发生冲蚀破坏的可能性大大减小。
[0018]3)本实用新型的消力池内两侧导墙位置后移，同时在边底孔外侧增加一扭曲面折流器使闸墩尾部的横轴漩涡对导墙的空蚀破坏大大降低。
[0019]4)本实用新型的底孔出口流速较高，底孔出口明流泄槽段、消力池底板及导墙上设有抗蚀涂层，可对泄洪消能区予以保护。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1本实用新型的剖面图；
[0021]图2本实用新型的底孔结构剖面图；
[0022]图3本实用新型的底孔结构平面图。
[0023]附图中标号说明:1-消力池2-明流泄槽段3-有压式泄水段4-跌坎5-尾坎6-护坦7-反钩检修门8事故检修门9-弧形工作门10-通气孔11-跌槽。
【具体实施方式】
[0024]如图1、图2及图3所示，本实用新型提供的一种高水头底孔泄洪消能结构，包括沿水流泄洪方向依次降低设置的底孔和消力池1，底孔布置在河床中间的重力坝底部，底孔出口连接消力池。所述底孔包括有压式泄水段3和明流泄槽段2，有压式泄水段3采用平进口，呈与水流方向平行设置，有压式泄水段3的入口处设有反钩检修门7，有压式泄水段3的出口处设有弧形工作门9，所述有压式泄水段3的入口与出口之间设有事故检修门8，有压式泄水段3的出口连接明流泄槽段2的入口，明流泄槽段2为具有一定坡度的倾斜槽，明流泄槽段2的底坡坡度大小根据泄洪水头的变幅设置，泄洪水头的变幅较大的底孔通常要求明流泄槽段2的底坡较陡，坡度越陡，底空腔越大，掺气越稳定，但明流泄槽段2的底坡过陡时，水流容易对下游反弧调顺段底板造成强烈冲击，影响水流流态，同时对底板的冲击力增大，明流泄槽段2的出口连接消力池1，消力池I水平布置，消力池I是泄洪水流的主要消能装置。所述有压式泄水段3的出口与明流泄槽段2的入口的连接处设有跌槽11，所述跌槽11包括一平行于有压式泄水段3呈阶梯设置的底板和沿底板两侧布置的两侧墙，跌槽11的底板高度是有压式泄水段3的底板高度的0.995?0.996，这样可以在有压式泄水段3的出口与明流泄槽段2的入口的连接处形成稳定的底空腔，所述跌槽11的底板宽于有压式泄水段3的出口宽度，跌槽11的底板宽度是有压式泄水段(3)的底板宽度的1.13?1.27，这样可以在有压式泄水段3的出口与明流泄槽段2的入口的连接处形成稳定的侧空腔，有压式泄水段3的出口与明流泄槽段2的入口的连接处形成的侧空腔与底空腔相互贯通，便于通气孔10的布置，达到掺气减蚀的效果。所述明流泄槽段2的出口与消力池I的连接处设有用于减速过渡的阶梯状的跌坎4，跌坎4的底板高度是明流泄槽段2的出口处底板高度的0.977?0.978，消力池I的前端设置跌坎4可使泄洪水流的流速在进入消力池I之前明显降低，减小了对消力池I的底板的冲蚀破坏，同时由于明流泄槽段2的底板末端和闸墩尾部跌坎区仍然存在强烈的剪切流，并形成立轴漩涡，而跌坎4的设置可有效避免立轴漩涡触及消力池I的底板，避免了消力池底板遭受空蚀破坏。所述消力池I的底板尾部连接向上凸起的尾坎5，使泄洪水流在消力池尾部产生水跃进一步消除其所含有的能量。尾坎5后连接护坦6，护坦6的作用是进一步削减泄洪水流的剩余动能，保护河床免受泄洪水流的危害性冲刷。
[0025]再者，所述跌槽11的两侧墙底部设有通气孔10，通气孔10的设置可取得理想的掺气效果，降低了空蚀的破坏。衡量通气孔10尺寸大小是否合适的主要指标是孔内风速，在布置条件许可下，通气孔优先选择较大尺寸以降低孔内风速，取得良好的掺气效果。
[0026]再者，所述消力池I内两侧设置导墙，跌坎4的设置使得在闸墩尾部形成了横轴漩涡，横轴漩涡增加了消力池I内两侧导墙空化空蚀破坏的可能性，因此将两侧导墙后移，使导墙与跌坎4具有一定距离，大大降低了横轴漩涡对其空蚀破坏。与此同时，由于消力池I的两侧导墙位置后移，在边底孔外侧增加扭曲折流器，保证泄洪水流进入消力池I。
[0027]再者，底孔出口流速较高，为了安全考虑，所述明流泄槽段2的底板、消力池I的底板和导墙上设有抗蚀涂层。
[0028]最后，明流泄槽段2的出口设有向内凹陷一定弧度的反弧调顺段与跌坎4平滑连接，可有效的调整泄洪水流的流向，在一定程度上降低其流速，使其能够更加平缓的进入消力池I,减轻对消力池底板和两侧墙的冲刷破坏。
[0029]实施例
[0030]某大型水利枢纽工程装机1100丽，坝型采用混凝土重力坝，重力坝坝轴线总长995.4m，坝顶高程465m，最大坝高116m。工程枢纽布置为:河床中间布置8个表孔、5个底孔及消能建筑物，底孔(兼作排砂孔)布置在表孔左侧，河床左侧布置坝后式电站厂房，河床右侧布置垂直升船机，上闸首长42m，两岸布置非溢流坝段。其中布置于河床中部的5个永久性泄洪底孔，承担着泄洪、排沙等工程任务，底孔校核工况下水头89.07m,总泄洪量9800m3/
So
[0031]如图2及图3所示，底孔进口有压式泄水段3分有压短管和有压长管两种型式，从工程布置、造价、工期和简化施工等方面进行了比较分析，确定底孔进口有压式泄水段3采用有压短管型式，有压式泄水段3长度29.50m，布置3道闸门，即进口反钩检修门7，中部事故检修门8，出口弧形工作门9。底孔采用平进口，孔口尺寸6X9m (宽X高)，共5孔。有压式泄水段3的进口顶曲线及侧曲线均采用I / 4椭圆线，顶曲线长轴12.3m，短轴4.1m ；侧曲线长轴4.5m，短轴1.5m，有压式泄水段3的出口处孔顶压坡段，与明流泄槽段2的入口相接。事故检修门8前孔顶压坡坡比1:5，事故检修门8与弧形工作门9间孔顶压坡坡比1:4ο
[0032]该水利枢纽泄洪底孔弧形工作门区存在高速水流下的空化空蚀问题和高水头弧形闸门止水问题，所以在有压式泄水段3的出口与明流泄槽段2的入口的连接处设有跌槽11，所述跌槽11包括一平行于有压式泄水段3呈阶梯设置的底板和沿底板两侧布置的两侧墙，跌槽11的底板低于有压式泄水段3的底板1.6m设置，可在有压式泄水段3的出口与明流泄槽段2的入口的连接处形成稳定的底空腔，所述跌槽11的底板宽于有压式泄水段3的出口宽度0.4m?0.8m设置，优选选用0.5m,这样可以在有压式泄水段3的出口与明流泄槽段2的入口的连接处形成稳定的侧空腔，所形成的侧空腔与底空腔相互贯通，便于通气孔10的布置，衡量通气孔10尺寸大小是否合适的主要指标是孔内风速，在布置条件许可下，通气孔优先选择较大尺寸以降低孔内风速，取得良好的掺气效果，该水利枢纽的底孔布置的2个直径1.0m的通气孔尺寸偏小，应适当加大，借鉴类似工程经验，将通气孔直径加大至1.5m。采用该技术方案之后该水利枢纽的底孔设置既达到掺气减蚀的目的，同时能够适应高水头弧形闸门布设偏心饺或液压伸缩式止水的要求。
[0033]该水利枢纽的消力池I设计为平底消力池，所谓平底消力池，即是底孔出口明流泄槽段经一段圆弧与消力池底板平顺相接。根据水力学消能设计计算成果，该工程底孔消力池结构尺寸:底板高程354.0m，池长170m。通过水力学模型试验，发现平底消力池存在如下问题:1)底孔泄洪水流入消力池时，水体主流与池内水体形成强烈剪切流，在闸墩出口区域形成明显的立轴漩涡，并有初生至发展阶段的蒸汽型空化，消力池底板容易发生空蚀破坏；2)消力池进口处底部流速大，测量显示不同工况下反弧段处底部最大临底流速达36m/s，对该部位底板抗冲性能要求较高。如图1所示，针对以上两个问题，在明流泄槽段2的出口与消力池I的连接处设有用于减速过渡的阶梯状的跌坎4，跌坎4的底板与明流泄槽段2的出口处底板高度差为Sm，消力池I的前端设置跌坎4可使泄洪水流的流速在进入消力池I之前明显降低，减小了对消力池I的底板的冲蚀破坏，同时避免了消力池底板遭受空蚀破坏。该水利枢纽明流泄槽段2的出口与消力池I的连接处设置跌坎4之后，平底消力池存在的两个水力学问题基本解决，跌坎4的设置使得在闸墩尾部形成了横轴漩涡，横轴漩涡增加了消力池I内两侧导墙空化空蚀破坏的可能性，因此将两侧导墙后移，该工程导墙由于受布置条件限制，最大后移距离只有2.7m，使导墙与跌坎4具有一定距离，大大降低了横轴漩涡对其空蚀破坏。与此同时，由于消力池I的两侧导墙位置后移，在边底孔外侧增加扭曲折流器，折流器长度15m，高度12m，出口底宽1.5m，保证泄洪水流进入消力池I。所述消力池I的底板尾部连接向上凸起的尾坎5，尾坎5的高程为367.0m，使泄洪水流在消力池尾部产生水跃进一步消除其所含有的能量。尾坎5后连接护坦6，护坦6的作用是进一步削减泄洪水流的剩余动能，保护河床免受泄洪水流的危害性冲刷。
[0034]最后，该水利枢纽底孔出口流速较高，为安全考虑，明流泄槽段2、消力池I的底板及导墙边墙宜采用抗蚀材料对泄洪消能区予以保护。
[0035]以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型方案的范围内。
【权利要求】
1.一种高水头底孔泄洪消能结构，包括沿水流泄洪方向依次降低设置的底孔和消力池(I)，所述底孔包括有压式泄水段(3)和明流泄槽段(2)，有压式泄水段(3)的出口连接明流泄槽段(2)的入口，明流泄槽段(2)的出口连接消力池(I);其特征在于，所述有压式泄水段(3 )的出口与明流泄槽段(2 )的入口的连接处设有跌槽(11)，所述跌槽(11)包括一平行于有压式泄水段(3)呈阶梯设置的底板和沿底板两侧布置的两侧墙，所述跌槽(11)的底板宽于有压式泄水段(3)的出口宽度；所述明流泄槽段(2)的出口与消力池(I)的连接处设有用于减速过渡的阶梯状的跌坎(4 )。
2.根据权利要求1所述的一种高水头底孔泄洪消能结构，其特征在于，所述跌槽(11)的底板宽度是有压式泄水段(3)的底板宽度的1.13?1.27，所述跌槽(11)的底板高度是有压式泄水段(3)的底板高度的0.995?0.996。
3.根据权利要求1或2所述的一种高水头底孔泄洪消能结构，其特征在于，所述跌槽(II)的两侧墙底部设有通气孔(10)。
4.根据权利要求1所述的一种高水头底孔泄洪消能结构，其特征在于，所述跌坎(4)的底板高度是明流泄槽段(2)的出口处底板高度的0.977?0.978。
5.根据权利要求1或4所述的一种高水头底孔泄洪消能结构，其特征在于，所述消力池(O内两侧设置导墙，所述导墙与跌坎(4)具有一定距离。
6.根据权利要求5所述的一种高水头底孔泄洪消能结构，其特征在于，所述消力池(I)的底板尾部连接向上凸起的尾坎(5 )。
7.根据权利要求6所述的一种高水头底孔泄洪消能结构，其特征在于，所述尾坎(5)后连接护坦(6)。
8.根据权利要求5所述的一种高水头底孔泄洪消能结构，其特征在于，所述明流泄槽段(2)的底板、消力池(I)的底板和导墙上设有抗蚀涂层。
9.根据权利要求1所述的一种高水头底孔泄洪消能结构，其特征在于，明流泄槽段(2)的出口设有向内凹陷的反弧调顺段与跌坎(4 )平滑连接。
10.根据权利要求1所述的一种高水头底孔泄洪消能结构，其特征在于，所述有压式泄水段(3)的入口处设有反钩检修门(7)，所述有压式泄水段(3)的出口处设有弧形工作门(9),所述有压式泄水段(3)的入口与出口之间设有事故检修门(8)。
【文档编号】E02B8/06GK203530942SQ201320684756
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】潘明, 熊雄, 张小春, 林学峰, 曾令华 申请人:嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司