一种连接竖井与退水隧洞的消力井的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水利水电工程竖井溢洪道的泄洪消能领域，特别是一种连接竖井与退水隧洞的消力井。
【背景技术】
[0002]竖井溢洪道用于水利水电工程的泄洪消能，如图1所示，其主要组成部分为:溢流堰1、过渡段2、竖井3、消力井4、退水隧洞5。退水隧洞与消力井4连接。
[0003]竖井溢洪道的水流经过溢流堰，在溢流堰曲线下端形成高速水流；高速水流在过渡段脱离竖井井壁，并在竖井空腔内自由跌落，在跌落过程中与空气发生剪切和卷吸作用，挟带大量的气体射入消力井内的水体中，引发激烈的碰撞、剪切和掺混，消刹大量的能量；水流在消力井内以有压流或明流的方式转向进入退水隧洞，再流入下游河渠。
[0004]竖井内自由跌落的水流高速射入消力井，与消力井内的水体发生碰撞，产生强烈的激溅和弹射，水流表面翻滚涌动。激溅和弹射的水体拍击退水隧洞进口区段的顶部，对洞顶混凝土结构带来不利的影响。当翻滚涌动的水流以明流的方式转向进入退水隧洞时，退水隧洞内的水流流态极不稳定。
[0005]从消力井内水流的运动轨迹分析，由于圆筒型消力井的壁面对水流具有刚性的侧向约束力，水流的流入与流出发生在同一个空间位置，水流流入的动量与流出的动量方向相反，入流与出流发生正面冲撞，竖直向上的流出动量作用在流入的水体上，从而导致了水流强烈的激溅和弹射。为了确保退水隧洞混凝土结构的安全，同时使得退水隧洞内的水流流态平稳顺畅，竖井溢洪道内需要有一种稳定水流流态的结构。
【发明内容】
[0006]为了解决竖井内高速射入的水流与消力井内的水体发生碰撞，产生强烈的激溅和弹射的问题，本发明旨在提供一种连接竖井与退水隧洞的消力井，确保退水隧洞混凝土结构的安全，同时满足退水隧洞的泄流能力要求，保持水流流态平稳顺畅。
[0007]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:
一种连接竖井与退水隧洞的消力井，所述消力井的进水端与竖井的出水端连通，该消力井的出水端与退水隧洞的进水端连通；其结构特点是，所述消力井内设置有依次连接的激溅区段、缓冲区段和调整区段；所述激溅区段的进水端与竖井的出水端连通，所述调整区段的出水端与退水隧洞的进水端连通；所述调整区段进水端的底板高程不低于激溅区段和缓冲区段的底板高程；所述调整区段出水端的底板高程高于激溅区段和缓冲区段的底板高程；所述调整区段为出水端高于进水端的逆向坡面结构。
[0008]由此，本发明在消力井内设置激溅区段、缓冲区段和调整区段，三个区段的水体是连通的，且在空间位置上依序排列。高速水流从竖井射入消力井，水流的运动轨迹依次是激溅区段、缓冲区段和调整区段，消力井内水流的流入与流出不在同一个空间位置，避免了入流与出流的正面冲撞，水流竖直向下的动量转化为水平方向上的动量，不会作用在流入的水体上，从而大幅度地降低水流的激溅和弹射高度，避免水体拍击退水隧洞的顶部。
[0009]根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案:
优选地，所述激溅区段沿着水流方向的长度等于竖井直径，所述激溅区段的深度为退水隧洞最大泄流水深的2?4倍。所述深度是指退水隧洞进口底板高程与激溅区段底板高程之差。
[0010]优选地，所述缓冲区段沿着水流方向的长度为竖井直径的I?2倍，缓冲区段的深度为退水隧洞最大泄流水深的2?4倍。所述深度是指退水隧洞进口底板高程与缓冲区段底板高程之差。
[0011]优选地，所述调整区段沿着水流方向的长度为竖井直径的2?3倍，调整区段的深度沿着水流方向减小。
[0012]优选地，所述消力井沿着水流方向的整体长度为竖井直径的4?6倍，消力井的最大深度为退水隧洞最大泄流水深的2?4倍。所述最大深度是指退水隧洞进口底板高程与消力井底板高程之差。
[0013]优选地，所述消力井进水端的宽度等于竖井直径，所述消力井出水端的宽度等于退水隧洞的宽度。更进一步地，当消力井的宽度与退水隧洞的宽度不一致时，所述消力井的调整区段通过渐扩或渐缩与退水隧洞衔接。
[0014]所述消力井的调整区段的底板沿着水流方向整体为斜坡面型式、阶梯型式或交错排列的齿坎型式。
[0015]根据本发明的实施例，所述竖井进水端通过竖向布置的过渡段与溢流堰底部连通。进一步地，所述过渡段的下部渐扩与竖井进水端连通。
[0016]与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为:本发明的消力井解除了水流下游壁面的刚性约束，水流在激溅区段和缓冲区段内将竖直向下的动量转化为水平方向上的动量，避免入流与出流的正面冲撞，最大限度地减小水流竖直向上的动量交换，降低水流激溅和弹射的高度，确保退水隧洞混凝土结构的安全；水流在消力井的有限的激溅区段和缓冲区段的水体中，既能像常规消力井一样消刹一部分能量，又能留存一部分动能，使得水流保持一定的速度进入退水隧洞，最大限度地满足退水隧洞的泄流能力要求；通过调整区段阶梯或齿坎的稳定作用，水流能够平稳地进入退水隧洞，从而使得退水隧洞内的水流流态平稳顺畅。
【附图说明】
[0017]图1为现有的竖井溢洪道剖视图；
图2为本发明一种实施例的剖视图；
图3为本发明的一种消力井平面；
图4为本发明的另一种消力井平面图；
图5为本发明的又一种消力井平面图；
图6为本发明另一种实施例的剖视图；
图7为本发明又一种实施例的剖视图。
[0018]在图中，I一溢流堰，2—过渡段，3—竖井，4一消力井，5—退水隧洞，A—激溅区段，B—缓冲区段，C一调整区段。
【具体实施方式】
[0019]实施例1
如图2、图3所示，本实施例中包括消力井4，所述消力井4的进水端与竖井3的出水端连接，所述竖井3进水端通过过渡段2与溢流堰I底部连接，所述消力井4内设置有激溅区段A、缓冲区段B和调整区段C，并依次连接，所述消力井调整区段C的底板高程高于缓冲区段B的底板高程，在竖直平面上形成台阶，调整区段C的前半段为水平面，后半段为阶梯型式，末端与退水隧洞5连通。
[0020]如图4和图5所示，当消力井4的宽度与退水隧洞5的宽度不一致时，调整区段C通过渐扩或渐缩与退水隧洞5衔接。
[0021]本发明中，竖井溢洪道进口采用环型溢流堰，环型堰外周直径12m，堰顶上游曲线为1/4圆弧曲线，堰顶下游为1/4椭圆曲线；过渡段采用渐扩方式与竖井连接；竖井采用内径为4m的圆形竖井；消力井宽度为4m，深度为6m，长度为16m，其中:激溅区段、缓冲区段和调整区段的长度分别为4m、4m和Sm ;调整区段的水平面长度与阶梯段长度均为4m，深度为3m ;通过阶梯过渡至退水隧洞底部高程；退水隧洞与消力井宽度相等。
[0022]实施例2
如图6所示，本实施例的消力井调整区段C整体为阶梯型式的斜坡结构，余下结构与实施例I类同，不再赘述。
[0023]实施例3
如图7所示，本实施例的消力井调整区段C整体为斜坡结构，余下结构与实施例1类同，不再赘述。
[0024]上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。
【主权项】
1.一种连接竖井与退水隧洞的消力井，所述消力井(4)的进水端与竖井(3)的出水端连通，该消力井(4)的出水端与退水隧洞(5)的进水端连通；其特征在于，所述消力井(4)内设置有依次连接的激溅区段(A)、缓冲区段(B)和调整区段(C);所述激溅区段(A)的进水端与竖井(3)的出水端连通，所述调整区段(C)的出水端与退水隧洞(5)的进水端连通；所述调整区段(C)进水端的底板高程不低于激溅区段(A)和缓冲区段(B)的底板高程；所述调整区段(C)出水端的底板高程高于激溅区段(A)和缓冲区段(B)的底板高程；所述调整区段(C)为出水端高于进水端的逆向坡面结构。2.根据权利要求1所述的连接竖井与退水隧洞的消力井，其特征在于，所述激溅区段(A)沿着水流方向的长度等于竖井(3)直径，所述激溅区段(A)的深度为退水隧洞(5)最大泄流水深的2?4倍。3.根据权利要求1所述的连接竖井与退水隧洞的消力井，其特征在于，所述缓冲区段(B)沿着水流方向的长度为竖井(3)直径的I?2倍，缓冲区段(B)的深度为退水隧洞(5)最大泄流水深的2?4倍。4.根据权利要求1所述的连接竖井与退水隧洞的消力井，其特征在于，所述调整区段(C)沿着水流方向的长度为竖井(3)直径的2?3倍，调整区段(C)的深度沿着水流方向减小。5.根据权利要求1所述的连接竖井与退水隧洞的消力井，其特征在于，所述消力井(4)沿着水流方向的整体长度为竖井(3)直径的4?6倍，消力井(4)的最大深度为退水隧洞(5)最大泄流水深的2?4倍。6.根据权利要求1所述的连接竖井与退水隧洞的消力井，其特征在于，所述消力井(4)进水端的宽度等于竖井(3)直径，所述消力井(4)出水端的宽度等于退水隧洞(5)的宽度。7.根据权利要求6所述的连接竖井与退水隧洞的消力井，其特征在于，所述消力井(4)的调整区段(C)通过渐扩或渐缩与退水隧洞(5)衔接。8.根据权利要求1-7之一所述的连接竖井与退水隧洞的消力井，其特征在于，所述消力井(4)的调整区段(C)的底板沿着水流方向整体为斜坡面型式、阶梯型式或交错排列的齿坎型式。
【专利摘要】本发明公开了一种连接竖井与退水隧洞的消力井，其包括消力井，所述消力井的进水端与竖井的出水端连通，该消力井的出水端与退水隧洞的进水端连通；所述消力井内设置有依次连接的激溅区段、缓冲区段和调整区段；所述激溅区段的进水端与竖井的出水端连通，所述调整区段的出水端与退水隧洞的进水端连通；所述调整区段进水端的底板高程不低于激溅区段和缓冲区段的底板高程，调整区段出水端的底板高程高于激溅区段和缓冲区段的底板高程；所述调整区段为出水端高于进水端的逆向坡面结构。本发明能够避免激溅和弹射水体拍击退水隧洞顶部，确保混凝土结构的安全，最大限度地满足退水隧洞的泄流能力要求，同时使得退水隧洞内的水流流态平稳顺畅。
【IPC分类】E02B8/06
【公开号】CN105220663
【申请号】CN201510765424
【发明人】戴晓兵, 周琦, 苗宝广
【申请人】中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年11月11日