分级入池的高坝泄洪底流消能工与消能方法
【专利摘要】分级入池的高坝泄洪底流消能工，包括重力坝和消力池，重力坝坝体内至少两个不同高程处分别设置有向下游延伸的泄流通道，泄流通道出口下方带有跌坎，跌坎内设置通气廊道和通气孔，消力池内从上游至下游依次设置有至少三级台阶；当坝顶和坝内同时过流时，各泄流通道的出口按其高程从高至低依次位于消力池内从上游至下游相应级数台阶的竖面；当仅坝内过流时，各泄流通道的出口按其高程从高至低依次位于消力池内第一级台阶起始处的竖面、消力池内从上游至下游相应级数台阶的竖面。使用上述消能工，使库区内的水从不同高程的泄流通道或从重力坝顶部及不同高程的泄流通道进入消力池并分别分散在消力池内从上游至下游相应级数的阶面上进行消能。
【专利说明】分级入池的高坝泄洪底流消能工与消能方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水利水电工程泄洪【技术领域】，特别涉及高坝泄洪底流消能工与消能方法。
【背景技术】
[0002]早期的高坝泄洪底流消能工由重力坝和消力池组成(见图1)，利用坝顶溢流、下游接消力池的方式实现消能,下泄水流在消力池内产生水跃,主流冲击消力池内水体,表面产生旋滚，池内水流产生的强烈掺混、剪切、掺气，从而把下泄水流的动能转化为热能而使水流流速降低，流态由急流变为缓流，水流出消力池后与下游水流平顺衔接。随着重力坝高的增加，消力池临底流速变大，而混凝土的抗冲耐磨性能不能满足要求，需要降低消力池临低流速，因而出现了设有跌坎的消力池(见图2)及采用差动式水平射流方式与消力池设跌坎相组合的技术方案〔见图3 (a)、(b)〕。当在多沙河流上修建重力坝，考虑到排沙和降低库水位的要求，则采用了进口高程低的中孔或者底孔泄洪，下游利用消力池消能(见图4)。尽管如此，从国内外的已建工程来看，采用底流消能的高水头、大流量泄水建筑物在运行中发生破坏的实例不少。究其原因，主要是现有高坝泄洪底流消能工存在“水流在同一断面集中入池”的问题，由于水流在同一断面集中入池，消力池前部的消能负荷大，中后部大量水体没有被利用来消能，这样强紊动水流对消力池前部底板产生强烈的脉动荷载作用，该荷载可能直接造成板块失稳破坏，或者造成板块间止水的破坏后，因高速水流动水压力的传递引起板块失稳破坏。再则,水流进入消力池后，高速主流位于底部,容易对消力池底板产生磨蚀破坏(见图1、图2、图4)。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供分级入池的高坝泄洪底流消能工与消能方法，以解决高水头、大流量底流消能存在的问题，提高高坝泄洪底流消能工的使用寿命和消能率。
[0004] 本发明所述分级入池的高坝泄洪底流消能工，包括重力坝和消力池，所述重力坝坝体内至少两个不同高程处分别设置有向下游延伸的泄流通道，所述泄流通道出口下方带有跌坎，跌坎内设置通气廊道和通气孔，所述消力池内从上游至下游依次设置有至少三级台阶；当坝顶和坝内同时过流时，各泄流通道的出口按其高程从高至低依次位于消力池内从上游至下游相应级数台阶的竖面，即第一高程(又称最高高程)泄流通道的出口位于消力池内最上游第一级台阶的竖面，第二高程泄流通道的出口位于消力池内第二级台阶的竖面，……，第η高程泄流通道的出口位于消力池内第η级台阶的竖面；当仅坝内过流时，各泄流通道的出口按其高程从高至低依次位于消力池内第一级台阶起始处的竖面、消力池内从上游至下游相应级数台阶的竖面，即第一高程(又称最高高程)泄流通道的出口位于消力池内最上游第一级台阶起始处的竖面，第二高程泄流通道的出口位于消力池内最上游第一级台阶的竖面，第三高程泄流通道的出口位于消力池内第二级台阶的竖面，……，第η高程泄流通道的出口位于消力池内第(η-l)级台阶的竖面。
[0005]上述高坝泄洪底流消能工，在进行泄流通道设计时，需满足的条件是:高程最高的泄流通道进口的中心线与水库水面之间的距离Ii1应使该进口处不形成吸气漩涡，高程最低的泄流通道进口底部应不低于水库死水位。对于高程最高的泄流通道与高程最低的泄流通道之间的泄流通道，无特殊要求，一般以分布均匀进行设计。为了提高消能率，位于同一高程的泄流通道至少为两条。
[0006]所述泄流通道的具体尺寸需要综合考虑水流流量、水流流速和下游水域的体积等参数、根据消能多少和下游水流流态要求由水力学模型试验确定。不同高程的泄流通道尺寸可以相同，也可以不同，同一高程的泄流通道尺寸也可以相同、可以不同。泄流通道的横截面一般为圆形，壁面光滑，采用混凝土或者钢板衬砌。
[0007]上述分级入池的高坝泄洪底流消能工，其消力池内每一级台阶面向下游延伸的长度以该台阶面上的水流动量沿该台阶面的横向扩散均匀为准。
[0008]上述分级入池的高坝泄洪底流消能工，其泄流通道进口处设置有控制水流进入泄流通道的阀门，当下泄常年洪水时，可根据水库水温分层的自然规律，开启不同高程的泄流通道放水，以满足下游生物对下泄水温的要求。
[0009]上述分级入池的高坝泄洪底流消能工，所述跌坎的高度与泄流通道横截面的尺寸(直径或高度)有关，一般为泄流通道横截面直径或高度的0.5倍?2倍。跌坎内设置的通气孔的截面为圆形或方形，内壁面优选螺纹状，以利于水流被卷吸走，从而方便空气进入。跌坎内设置的通气廊道的截面为圆形、城门洞型(直墙顶拱型)或者方形，也可为两种断面形式的组合，主要由施工是否方便决定。
[0010]上述分级入池的高坝泄洪底流消能工，其消力池内的各级台阶及台阶下游的底板一般为钢筋混凝土结构，表面要求光滑，可以采用钢板衬砌。
[0011]本发明所述分级入池的高坝泄洪底流消能方法，使用上述分级入池的高坝泄洪底流消能工，使库区内的水从不同高程的泄流通道或从重力坝顶部及不同高程的泄流通道进入消力池并分别分散在消力池内从上游至下游相应级数的台阶面上进行消能，位于各台阶面的水体携带的动量沿其台阶面的横向扩散，趋于均匀分布，从而实现消能。
[0012]每一级台阶的消能机理相同，即充分利用来自泄流通道的射流与下游水流间的剪切层，形成数量众多的多级漩涡，动能由大尺度漩涡向小尺度漩涡单向传递，当最小一级漩涡的尺度与科莫格罗夫尺度相当时，水流粘性消耗该尺度小漩涡的动能，转换为热能，从而达到减小水体动能、转换能量的目的。每一级台阶转换的动能主要由相邻两级台阶的高差、泄流通道内水流流量和出口水流流速等参数决定。
[0013]本发明具有以下有益效果:
[0014](I)由于本发明所述分级入池的高坝泄洪底流消能工可将库区内的水流通过不同高程的泄流通道输送至消力池内的不同台阶面处，分散了下泄水流的巨大动能，大大减小了水流入池处消力池底板所承受的脉动荷载，因而使消力池底板的破坏得到遏制，可提高使用寿命。
[0015](2)由于本发明所述分级入池的高坝泄洪底流消能工的泄流通道出口下方带有跌坎，跌坎内设置通气廊道和通气孔，因而当泄流通道过流时，射流卷吸泄流通道内的水流，导致通气廊道内气压降低，压差驱动空气进入射流下游水体，可减小高速水流对下游水域边壁的空蚀风险。
[0016](3)使用本发明所述分级入池的高坝泄洪底流消能工，可使库区内的水从不同高程的泄流通道或从重力坝顶部及不同高程的泄流通道进入消力池并分别分散在消力池内的各级台阶面上进行消能，因而提高了消能率。
[0017](4)由于本发明所述分级入池的高坝泄洪底流消能工的泄流通道进口处设置有控制水流进入泄流通道的阀门，因而当下泄常年洪水时，可根据水库水温分层的自然规律，开启不同高程的泄流通道放水，以满足下游生物对下泄水温的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是现有技术中的坝顶过流式底流消能工的第一种结构示意图。
[0019]图2是现有技术中的坝顶过流式底流消能工的第二种结构示意图。
[0020]图3(a)是现有技术中的坝顶和坝内同时过流式底流消能工的第三种结构示意图。
[0021]图3 (b)是图3 (a)的A-A剖面图。
[0022]图4是现有技术中的坝内过流式底流消能工的一种结构示意图。
[0023]图5是本发明所述分级入池的高坝泄洪底流消能工的一种结构示意图。
[0024]图6是图5的俯视图。
[0025]图7是跌坎、通气廊道和通气孔的设置位置及形状、构造的一种示意图。
[0026]图8是下泄水流携带的动量沿台阶面横向扩散后趋于均匀分布的示意图。
[0027]图9是本发明所述分级入池的高坝泄洪底流消能工的又一种结构示意图。
[0028]图10是图9的俯视图。
[0029]图中:1 一库区；2—重力现；3 —消力池；4一尾坎；5—泄流通道；6—跌坎；7—第一级台阶；8—第二级台阶；9一第三级台阶；10—第四级台阶；11 一闸阀；12—水库死水位；13—通气廊道；14一通气孔屯一高程最高的泄流通道进口的中心线与水库水面之间的距离⑷、d2、屯一为不同高程的泄流通道直径山一第一级台阶长度；12—第二级台阶长度；I3—第三级台阶长度；14一第四级台阶长度；L一消力池长度出一消力池宽度。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图通过实施例对本发明所述分级入池的高坝泄洪底流消能工及消能方法作进一步说明。
[0031]实施例1
[0032]本实施例中，库区的最大泄水量为10578m3/s，坝顶和坝内同时过流，重力坝最大坝高103m,重力坝最高水位到死水位的落差为67m,下游河床抗冲能力弱,可供修建消力池的河道宽度约40m。
[0033]本实施例所述分级入池的高坝泄洪底流消能工的结构如图5、图6所示。在消力池3内从上游至下游依次设置有四级台阶，第一级台阶的长度I1S 11.0m，第二级台阶的长度I2和第三级台阶的长度I3均为9.5m，第四级台阶的长度I4为12.0m，第一级台阶起始处的竖面高度为6m (即跌坎高度)，第一级台阶、第二级台阶和第三级台阶竖面的高度均为15m，消力池的长度L为80m，宽度B为40m。在重力坝顶部，通过设置闸墩形成坝顶过流通道；在重力坝坝体内的三个不同高程处分别设置有向下游延伸的泄流通道5，将高程最高的泄流通道命名为第一高程泄流通道，将高程次高的泄流通道命名为第二高程泄洪通道，将高程最低的泄流通道命名为第三高程泄洪通道，第一高程泄流通道进口的中心线与水库水面之间的距离4=23!!!，第三高程泄洪通道进口底部与水库死水位12平齐，第二高程泄洪通道进口的中心线与第一高程泄流通道中心线之间的距离为20m ;第一高程泄流通道的出口位于第一级台阶7的竖面，第二高程泄流通道的出口位于第二级台阶8的竖面，第三高程泄流通道的出口位于第三级台阶9的竖面。第一高程泄流通道为三条，在水平投影面沿消力池宽度方向均匀布置，相邻第一高程泄流通道之间的间距为4m，其中位于中间的一条第一高程泄流通道中心线与消力池中线重合；第二高程泄流通道为两条，沿水流方向，位于左侧的一条第二高程泄流通道中心线与消力池左侧边墙之间的距离为14m，位于右侧的一条第二高程泄流通道中心线与消力池右侧边墙之间的距离为14m ;第三高程泄流通道为两条，沿水流方向，位于左侧的一条第三高程泄流通道中心线与消力池左侧边墙之间的距离为8m，位于右侧的一条第三高程泄流通道中心线与消力池右侧边墙之间的距离为8m ;各高程的泄流通道横截面均为圆形，三条第一高程泄流通道的直径均为Cl1，两条第二高程泄流通道的直径均为d2，两条第三高程泄流通道的直径均为d3，所述Cl1 = d2 = d3 = 8.0m。各高程的泄流通道5出口下方均带有跌坎6 (跌坎与相应台阶的竖面重合)，所述跌坎的高度为6m，所述跌坎内设置通气廊道13和通气孔14，通气廊道13的断面为城门洞形，高3.5m，顶拱圆心角为120°通气孔14的断面为宽lm、高Im的方形，如图7所示。各高程的泄流通道进口处均设置有控制水流进入泄流通道的阀门11。
[0034]使用本实施例所述分级入池的高坝泄洪底流消能工，库区I内的水分别从重力坝2顶部、第一高程泄流通道、第二高程泄流通道和第三高程泄流通道进入消力池2，并分别分散在消力池内的 第一级台阶面7、第一级台阶面8、第三级台阶面9、第四级台阶面10上进行消能，位于各台阶面的水体携带的动量沿其台阶面的横向扩散，趋于均匀分布(见图8)，从而实现消能。
[0035]水工模型试验结果表明，使用本实施例所述分级入池的高坝泄洪底流消能工，消能率高达87%，与图3所示现有底流消能工相比，消能率提高7%~12%。由于分散泄水、分区消能，消力池最大临底流速低于18m/s，没有形成高强度漩涡，底板附近水流脉动压强均方根比传统消力池的显著降低。
[0036]本实施例所述分级入池的高坝泄洪底流消能工在满足消能防冲的同时，泄放常遇洪水时，能根据环保部门对下泄水温的要求，开启不同高程的泄水孔，泄放不同温度的水流满足下游的生态环境对水温的要求。
[0037]实施例2
[0038]本实施例中，库区的最大泄水量为7200m3/s，仅坝内过流，重力坝最大坝高73m，重力坝最高水位到死水位的落差为50m，下游河床抗冲能力弱，可供修建消力池的河道宽度约38m。
[0039]本实施例所述分级入池的高坝泄洪底流消能工的结构如图9、图10所示。在消力池3内从上游至下游依次设置有三级台阶，第一级台阶的长度I1为8.0m，竖面的高度为14.8m，第二级台阶的长度I2为9.0m，竖面的高度为14.6m，第三级台阶的长度I3为10.5m，竖面的高度为14.4m,消力池的长度L为57m，宽度B为43m。在重力坝坝体内的三个不同高程处分别设置有向下游延伸的泄流通道5，将高程最高的泄流通道命名为第一高程泄流通道，将高程次高的泄流通道命名为第二高程泄洪通道，将高程最低的泄流通道命名为第三高程泄洪通道，第一高程泄流通道进口的中心线与水库水面之间的距离匕=^!!!，第三高程泄洪通道进口底部高于水库死水位12,且与水库死水位12之间的距离为Im,第二高程泄洪通道进口的中心线与第一高程泄流通道中心线之间的距离为15m ;第一高程泄流通道的出口位于第一级台阶7起始处的竖面，第二高程泄流通道的出口位于第一级台阶7的竖面，第三高程泄流通道的出口位于第二级台阶8的竖面。第一高程泄流通道为三条，相邻第一高程泄流通道之间的间距为4m，其中位于中间的一条第一高程泄流通道中心线与消力池中线重合；第二高程泄流通道为两条，沿水流方向，位于左侧的一条第二高程泄流通道中心线与消力池左侧边墙之间的距离为13m，位于右侧的一条第二高程泄流通道中心线与消力池左侧边墙之间的距离为13m ;第三高程泄流通道为两条，沿水流方向，位于左侧的一条第三高程泄流通道中心线与消力池左侧边墙之间的距离为8.2m，位于右侧的一条第三高程泄流通道中心线与消力池左侧边墙之间的距离为8.2m ;各高程的泄流通道横截面均为圆形，三条第一高程泄流通道的直径均为Cl1，所述Cl1 = 8.2m，两条第二高程泄流通道的直径均为d2，所述d2 = 8.0m，两条第三高程泄流通道的直径均为d3，所述d3 = 7.Sm。各高程的泄流通道5出口下方均带有跌坎6 (跌坎与相应台阶的竖面重合)，所述跌坎的高度为5.6m，所述跌坎内设置通气廊道13和通气孔14，通气廊道13的断面为城门洞形，直墙高2.5m，顶拱圆心角为180°，通气孔14的断面为宽lm、高Im的方形，如图7所示。各高程的泄流通道进口处均设置有控制水流进入泄流通道的阀门(11)。[0040]使用本实施例所述分级入池的高坝泄洪底流消能工，库区I内的水分别从第一高程泄流通道、第二高程泄流通道和第三高程泄流通道进入消力池2，并分别分散在消力池内的第一级台阶面7、第一级台阶面8、第三级台阶面9上进行消能，位于各台阶面的水体携带的动量沿其台阶面的横向扩散，趋于均匀分布(见图8)，从而实现消能。
[0041]水工模型试验结果表明，使用本实施例所述分级入池的高坝泄洪底流消能工，消能率高达89%，与图4所示现有底流消能工相比，消能率提高8%~12%。由于分散泄水、分区消能，消力池最大临底流速低于15m/s，没有形成高强度漩涡，底板附近水流脉动压强均方根比传统消力池的显著降低。
[0042]本实施例所述分级入池的高坝泄洪底流消能工在满足消能防冲的同时，泄放常遇洪水时，能根据环保部门对下泄水温的要求，开启不同高程的泄水孔，泄放不同温度的水流满足下游的生态环境对水温的要求。
【权利要求】
1.分级入池的高坝泄洪底流消能工，包括重力坝(2)和消力池(3)，其特征在于所述重力坝坝体内至少两个不同高程处分别设置有向下游延伸的泄流通道(5)，所述泄流通道(5)出口下方带有跌坎(6)，跌坎内设置通气廊道(13)和通气孔(14)，所述消力池(3)内从上游至下游依次设置有至少三级台阶； 当坝顶和坝内同时过流时，各泄流通道(5)的出口按其高程从高至低依次位于消力池内从上游至下游相应级数台阶的竖面；当仅坝内过流时，各泄流通道(5)的出口按其高程从高至低依次位于消力池内第一级台阶起始处的竖面、从上游至下游相应级数台阶的竖面。
2.根据权利要求1所述分级入池的高坝泄洪底流消能工，其特征在于高程最高的泄流通道进口的中心线与水库水面之间的距离(Ii1)应使该进口处不形成吸气漩涡，高程最低的泄流通道进口底部不低于水库死水位。
3.根据权利要求1或2所述分级入池的高坝泄洪底流消能工，其特征在于位于同一高程的泄流通道(5)至少为两条。
4.根据权利要求1或2所述分级入池的高坝泄洪底流消能工，其特征在于消力池(3)内每一级台阶面向下游延伸的长度以该台阶面上的水流动量沿该台阶面的横向扩散均匀为准。
5.根据权利要求3所述分级入池的高坝泄洪底流消能工，其特征在于消力池(3)内每一级台阶面向下游延伸的长度以该台阶面上的水流动量沿该台阶面的横向扩散均匀为准。
6.根据权利要求1或2所述分级入池的高坝泄洪底流消能工，其特征在于泄流通道(5 )进口处设置有控制水流进入泄流通道的阀门(11)。
7.根据权利要求3所述分级入池的高坝泄洪底流消能工，其特征在于泄流通道(5)进口处设置有控制水流进入泄流通道的阀门(11)。
8.根据权利要求4所述分级入池的高坝泄洪底流消能工，其特征在于泄流通道(5)进口处设置有控制水流进入泄流通道的阀门(11)。
9.根据权利要求5所述分级入池的高坝泄洪底流消能工，其特征在于泄流通道(5)进口处设置有控制水流进入泄流通道的阀门(11)。
10.一种分级入池的高坝泄洪底流消能方法，其特征在于使用权利要求1至9中任一权利要求所述消能工，使库区内的水从不同高程的泄流通道(5)或从重力坝(2)顶部及不同高程的泄流通道(5)进入消力池并分别分散在消力池内从上游至下游相应级数的台阶面上进行消能，位于各台阶面的水体携带的动量沿其台阶面的横向扩散，趋于均匀分布，从而实现消能。
【文档编号】E02B8/06GK103898882SQ201410159036
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】许唯临, 张法星, 邓军, 田忠, 张建民, 刘善均, 王韦, 曲景学 申请人:四川大学