一种反台阶消力池整流消能方法及消力池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水利水电工程泄洪消能领域，涉及一种消能方法及消力池。
【背景技术】
[0002]在水利水电泄水建筑物中，泄流与下游天然河道相衔接时，必然需要消能与调整流速分布。高水头、高Fr数(Fr数称之为弗汝德数，是水力参数，后文简称为“Fr数”)泄水条件，可用挑流加水垫塘，亦可用底流、面流加消力池等措施，达到消能防冲目的。采用底流消能多采用消力池形成水跃消能流态，消力池尾坎体型对池内流态影响较大。现阶段尾坎迎水面多采用直墙式或者带有较陡的斜坡式，当上下游水位组合不利时，有可能由于尾坎碰撞产生涌浪流态，而且尾坎受水流冲击剧烈，尾坎顶水流翻滚剧烈，常与下游水位衔接不畅，出现不利水流流态。
[0003]台阶消能方式已在水利工程、景观设计、河流防沙及鱼道工程等领域得到应用，水利工程中常在坝面、溢洪道等处采用台阶进行消能，通过加糙，增加掺气、旋滚、碰撞，达到消能掺气的目的，且多为正向(即每个台阶平面高程沿水流方向逐级降低)台阶，对于反台阶(即每个台阶平面高程沿水流方向逐级升高)消能方式，目前多采用一个台阶型式(如坎、墩等)，用以整流或产生强迫水跃，但是消能效果还有待提高。而连续反台阶可与来流分层碰撞，缓冲来流冲击力，抬高尾水水位，与池面其他消能工相结合，利于池内形成稳定多元水跃消能流态。
【发明内容】
[0004]本发明针对中、高水头及高Fr数水流，进出流均匀，出口后河道轴线与水流同轴的情况(无需改变水流方向)，提供一种反台阶消力池整流消能方法及消力池，可有效缩短消力池池长，提闻消能率。
[0005]本发明具体采用如下技术方案:
一种反台阶消力池整流消能方法，其特征是在消力池的末端设置连续反台阶尾坎，台阶顺水流方向高程逐级升高，来流与连续反台阶尾坎分层碰撞，使水流在池内充分掺混、紊动，可增加出池阻力，提高池内水跃第二共轭水深，实现整流消能的目的。
[0006]本发明还提供了应用上述消能方法的消力池，消力池由前端的跌坎、底部的底板、两侧的边墙及末端的尾坎组成，其特征是所述尾坎为连续反台阶尾坎，台阶顺水流方向高程逐级升高。
[0007]优选地，所述消力池两侧边墙对称分布，消力池等宽，所述尾坎由对称且与消力池等宽的台阶组成；
优选地，所述尾坎阶数为2~3阶；
优选地，所述尾坎单阶高度为3~6m。(各阶台阶高度可以相等，也可以不相等。)
优选地，尾坎的顶部台阶顺水流方向可延伸至消力池外，呈舌头状伸出。
[0008]本发明反台阶尾坎各阶踏步深度可根据实际流态调整需要结合反台阶的阶数及单阶台阶高度综合考虑设计。
[0009]本发明的反台阶消力池整流消能方法及消力池利用末端的连续反台阶尾坎代替传统尾坎体型，使水流与尾坎分层碰撞，增强出池前水流碰撞、掺混、紊动流态，通过碰撞消能和抬高水跃共轭水深，可有效缩短池长，提高消能率，达到消能和调整流速分布的作用，使出池水流与下游水面平顺衔接，减轻下游冲刷。本发明适用于中、高水头、高Fr数、下游接消力池，且进出流均匀，出口后河道轴线与水流同轴的情况。消力池具体尺寸及体型要求与来流条件及下游水位相适应。
【附图说明】
[0010]图1为反台阶消力池立体图；
图2为反台阶消力池侧视图；
图3为直线型“伸舌”示意图；
图4为鱼鳞状“伸舌”示意图。
【具体实施方式】
[0011]实施例一
如图1、图2所示，反台阶消力池由前端的跌坎1、底部的底板2、两侧的边墙3及末端的尾坎4组成，其尾坎4设置成连续反台阶尾坎，连续反台阶的台阶顺水流方向高程逐级升高，来流与尾坎4的台阶分层碰撞，使出池前水流充分碰撞、掺混、紊动，减小出池流速，雍高尾水水位，提高水跃共轭水深，增加池内消能效率。
[0012]两侧边墙3为平面，并以消力池中轴线对称分布形成对称等宽消力池，尾坎4由对称且与消力池等宽的台阶组成。
[0013]尾坎4的阶数为3阶，单阶高度为4m。
[0014]实施例二
反台阶消力池由前端的跌坎1、底部的底板2、两侧的边墙3及末端的尾坎4组成，其尾坎4设置成连续反台阶尾坎，连续反台阶的台阶顺水流方向高程逐级升高，来流与尾坎的台阶分层碰撞，使出池前水流充分碰撞、掺混、紊动，减小出池流速，雍高尾水水位，提高水跃共轭水深，增加池内消能效率。
[0015]两侧边墙3为平面，并以消力池中轴线对称分布形成对称等宽消力池，尾坎4由对称且与消力池等宽的台阶组成。
[0016]尾坎4的阶数为2阶，单阶高度为5m。
[0017]实施例三
反台阶消力池由前端的跌坎1、底部的底板2、两侧的边墙3及末端的尾坎4组成，其尾坎4设置成连续反台阶尾坎，连续反台阶的台阶顺水流方向高程逐级升高，来流与尾坎的台阶分层碰撞，使出池前水流充分碰撞、掺混、紊动，减小出池流速，雍高尾水水位，提高水跃共轭水深，增加池内消能效率。
[0018]两侧边墙3为平面，并以消力池中轴线对称分布形成对称等宽消力池，尾坎4由对称且与消力池等宽的台阶组成。
[0019]尾坎4的阶数为3阶，底层台阶高度均为3m，顶两层台阶高度均为2m。
[0020]实施例四
反台阶消力池由前端的跌坎1、底部的底板2、两侧的边墙3及末端的尾坎4组成，其尾坎4设置成连续反台阶尾坎，连续反台阶的台阶顺水流方向高程逐级升高，来流与尾坎的台阶分层碰撞，使出池前水流充分碰撞、掺混、紊动，减小出池流速，雍高尾水水位，提高水跃共轭水深，增加池内消能效率。
[0021]两侧边墙3为平面，并以消力池中轴线对称分布形成对称等宽消力池，尾坎4由对称且与消力池等宽的台阶组成。
[0022]尾坎4的阶数为2阶，单阶高度为6m。
[0023]本发明的反台阶消力池，其连续反台阶尾坎的顶部台阶可以顺水流方向延伸至消力池外，呈“舌头”状伸出，出池水流在此“舌头”交错跌落，具有观赏价值，特别是水体较薄时更为明显。“舌头”形状可为图3的直线型，或图4的鱼鳞状，或锯齿状等别的形状。反台阶结构外形及水流流态可纳入枢纽景观。
【主权项】
1.一种反台阶消力池整流消能方法，其特征是在消力池的末端设置连续反台阶尾坎，台阶顺水流方向高程逐级升高，来流与连续反台阶尾坎分层碰撞，使水流在池内充分掺混、紊动，增加出池阻力，提高池内水跃第二共轭水深，实现整流消能。
2.如权利要求1所述的反台阶消力池整流消能方法，其特征是所述消力池两侧边墙对称分布，消力池等宽，所述连续反台阶尾坎由对称且与消力池等宽的台阶组成。
3.如权利要求1或2所述的反台阶消力池整流消能方法，其特征是所述连续反台阶尾坎阶数为2~3阶。
4.如权利要求1或2所述的反台阶消力池整流消能方法，其特征是所述连续反台阶尾坎单阶高度为3~6m。
5.一种反台阶消力池，由前端的跌坎(I)、底部的底板(2)、两侧的边墙(3)及末端的尾坎(4)组成，其特征是所述尾坎(4)为连续反台阶尾坎，台阶顺水流方向高程逐级升高。
6.如权利要求5所述的反台阶消力池，其特征是消力池两侧边墙(3)对称分布，消力池等宽，所述尾坎(4)由对称且与消力池等宽的台阶组成。
7.如权利要求5或6所述的反台阶消力池，其特征是所述尾坎(4)阶数为2~3阶。
8.如权利要求5或6所述的反台阶消力池，其特征是所述尾坎(4)单阶高度为3~6m。
9.如权利要求5或6所述的反台阶消力池，其特征是尾坎(4)的顶部台阶顺水流方向延伸至消力池外，呈舌头状伸出。
【专利摘要】本发明公开了一种反台阶消力池整流消能方法及消力池，利用末端的连续反台阶尾坎代替传统尾坎体型，使水流与尾坎分层碰撞，避免池内由于直墙式或陡坡式尾坎碰撞产生的涌浪现象和较集中的水流冲击力，可增强出池前水流碰撞、掺混、紊动流态，通过碰撞消能和抬高水跃共轭水深，有效缩短池长，提高消能率，达到消能和调速的作用。本发明适用于中高水头、高Fr数、下游接消力池，且进出流均匀，出口后河道轴线与出池水流同轴的情况。
【IPC分类】E02B8-06
【公开号】CN104674773
【申请号】CN201510083336
【发明人】吴时强, 王芳芳, 王威, 吴修锋, 周杰, 戴江玉, 薛万云, 吴越杰, 陈惠玲
【申请人】水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院, 河海大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月13日