一种应用于水垫塘的挑流消能试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种应用于水垫塘的挑流消能试验装置，属于高坝泄洪消能技术领域。

背景技术：

近年来，随着国家西部大开发和西电东送战略的实施，西部高山峡谷地区兴建了一批200～300m级的高坝。这些工程一般具有高水头，大流量的特点，增加了泄水建筑物布置的难度。因此，高坝消能问题是消能工研究的重点和难点。

目前，高拱坝多采用挑流加水垫塘的的消能方式。实际工程中，常利用下游河床自然形成的冲坑或人工修建水垫塘形成一定厚度和一定体积的水垫来消散跌入下游河道水流的能量，同时依靠冲刷坑或水垫塘底部抗冲层护底，达到防冲的目的。随着对水垫塘消能机理和冲刷特性认识的不断深入，一些学者尝试使用水垫塘内的水体和散粒块石堆积体构成的抗冲体系共同消能的方式，这种消能方式是在水垫塘内放置一定量的散粒块石，通过溢流坝下泄的高速水舌冲击散粒块石的粗糙表面时消耗一部分能量，水流的部分动能传递给散粒块体，使散粒块体之间相互碰撞摩擦，将动能转化成热能消耗，同时，水流在散粒块体间的通道内产生紊动，并伴有大量空气掺入，水流之间、水流与散粒块体之间以及水流与空气之间互相碰撞混掺，消耗大量能量。由于目前还无法准确地建立散粒块石在自然堆积状态下的数值模型，因此对这种新型消能方法的探索主要是通过实验研究，目前已取得一些成果，这些研究成果为建立安全可靠、简单实用、经济合理的新型防冲护底方法打下了基础。

技术实现要素：

为了更进一步研究散粒堆积体在水垫塘中的消能防冲机理，为相关科研和教学提供试验条件，有必要设计并制作一种应用于水垫塘的挑流消能试验装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出以下技术方案：一种应用于水垫塘的挑流消能试验装置，它包括水循环系统、溢流系统和消能系统，所述水循环系统用于为试验提供连续、稳定的循环水流，满足试验供水要求；所述溢流系统用于为试验提供流态稳定的挑射水流；所述消能系统模拟实际工程中水垫塘两侧的地形，并利用水垫塘内的水体和散粒块石堆积体构成的抗冲体系共同消能。

所述水循环系统包括下游集水槽，所述下游集水槽通过回水管与回水管进口相连通，并与二道坝下游的消力塘相连通，所述回水管进口位于集水槽的底板上，回水管出口位于下集水箱的侧壁上并且相连通；下集水箱顶部安装有水泵，上水管的上水管进水口与水泵相连，上水管出水口与上集水箱底部连通；所述上集水箱用稳流挡板和稳流孔板间隔，上集水箱出水口与溢流系统的边墩及坝顶曲线段形成的入水口相通；所述框型支架支撑上集水箱并固定水泵，上集水箱顶部设有顶盖。

所述溢流系统包括中墩，所述中墩的墩头和墩尾采用半圆形，两侧边墩的上下游端均采用1/4圆形，边墩和堰顶曲线段与上集水箱出水口相连通，水流从顶部曲线段沿坝面下泄形成面流；所述溢流堰顶部曲线型式采用WES曲线，中间直线段与顶部曲线段和下部反弧段平滑连接，下部反弧段与水平鼻坎段也采用平滑连接，水流通过鼻坎段形成挑射水流，跌落至下游水垫塘中。

所述消能系统包括水垫塘的底板、两侧斜坡、水平马道、二道坝、水垫塘内的散粒块体及下游消力塘；所述水垫塘底板为水平底板，两侧设置一定坡率的斜坡，并分别设置水平马道；所述二道坝上游坡面垂直于底板，下游坡面为一定坡率的斜坡面；所述散粒块体随机投放在水垫塘中。

所述消能系统中二道坝与下游两侧斜坡形成消力塘，对挑射水流进行二次消能。

本实用新型提供了一种利用散粒堆积体在水垫塘中消能防冲的试验装置，具有以下有益效果：

本实用新型考虑了实际工程中水垫塘两侧的地形条件，将水垫塘两侧设置成一定坡率的斜坡，并分别设置水平马道，形成断面形状为上大下小的复合梯形断面，使试验更符合实际情况，增加试验结果的可靠性。

本实用新型中的消能系统模拟了水垫塘内的水体和散粒块石堆积体构成的抗冲体系共同消能的方法，为研究散粒块石堆积体在水垫塘中的消能防冲机理提供支撑，也可应用于水利工程相关专业实验教学，加强学生对对新型消能防冲方法的认识。

本实用新型中水垫塘内投放的散粒块石可采用不同材料、不同形状及尺寸的试样，为研究散粒体的容重、形状、粒径等因素对消能效果影响等提供装置条件。

本实用新型装置还可应用于散粒堆积体在水力冲刷作用下，堆积体系的稳定性与孔隙率及应力分布的关系等相关研究。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型的透视图

图2是本实用新型的主剖视图。

图3是本实用新型的立体图。

图中： 4下游集水槽、5回水管进口、6回水管、7回水管出口、8下集水箱、9上水管、10上水管进口、11水泵、12上水管出口、13框型支架、14上集水箱、15稳流挡板、16稳流孔板、17上集水箱出水口、18水箱顶盖、19边墩、20中墩、21顶部曲线段、22中间直线段、23下部反弧段、24水平鼻坎段、25底板、26两侧斜坡、27水平马道、28二道坝、30水垫塘、31下游消力塘。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式做进一步的说明。

如图1-3，一种应用于水垫塘的挑流消能试验装置，它包括水循环系统、溢流系统和消能系统，所述水循环系统用于为试验提供连续、稳定的循环水流，满足试验供水要求；所述溢流系统用于为试验提供流态稳定的挑射水流；所述消能系统模拟实际工程中水垫塘两侧的地形，并利用水垫塘内的水体和散粒块石堆积体构成的抗冲体系共同消能。

进一步的，所述水循环系统包括下游集水槽4，所述下游集水槽4通过回水管6与回水管进口5相连通，并与二道坝下游的消力塘31相连通，所述回水管进口5位于集水槽4的底板上，回水管出口7位于下集水箱8的侧壁上并且相连通；下集水箱8顶部安装有水泵11，上水管9的上水管进水口10与水泵11相连，上水管出水口12与上集水箱14底部连通；所述上集水箱14用稳流挡板15和稳流孔板16间隔，上集水箱出水口17与溢流系统的边墩19及坝顶曲线段21形成的入水口相通；所述框型支架13支撑上集水箱14并固定水泵11，上集水箱14顶部设有顶盖18。

进一步的，所述溢流系统包括中墩20，所述中墩20的墩头和墩尾采用半圆形，两侧边墩19的上下游端均采用1/4圆形，边墩19和堰顶曲线段21与上集水箱出水口17相连通，水流从顶部曲线段21沿坝面下泄形成面流；所述溢流堰顶部曲线型式采用WES曲线，中间直线段22与顶部曲线段21和下部反弧段23平滑连接，下部反弧段23与水平鼻坎段24也采用平滑连接，水流通过鼻坎段24形成挑射水流，跌落至下游水垫塘中。

进一步的，所述消能系统包括水垫塘30的底板25、两侧斜坡26、水平马道27、二道坝28、水垫塘内的散粒块体及下游消力塘31；所述水垫塘底板25为水平底板，两侧设置一定坡率的斜坡26，并分别设置水平马道27；所述二道坝28上游坡面垂直于底板25，下游坡面为一定坡率的斜坡面；所述散粒块体随机投放在水垫塘30中。

进一步的，所述消能系统中二道坝28与下游两侧斜坡26形成消力塘31，对挑射水流进行二次消能。

进一步的，所述水垫塘30两侧设置成一定坡率的斜坡26，并分别设置水平马道27，形成断面形状为上大下小的复合梯形断面。

进一步的，所述水垫塘30中投放的散粒块体为某一材料制成的一定形状及尺寸的试样，对于不同研究可采用不同材料、不同形状及尺寸的试样进行试验。

进一步的，所述散粒块体可以为矩形块，三棱锥块，六面体不同形状。

实施例2：

在本实施例中，水循环系统中下游集水槽的尺寸为0.3m×1.2m×0.8m，回水管的直径为0.1m，下集水箱的尺寸为1.0m×1.25m×0.6m，上水管的直径为0.05m，上集水箱的尺寸为1.0m×0.7m×1.0m，用稳流挡板和稳流孔板间隔，框型支架采用边长0.05m的角钢制成，支撑上水箱和水泵。溢流坝分为3孔，单孔净宽0.175m，中墩宽0.05m，边墩宽0.037m，坝顶与下游水垫塘底板的高差为1.69m。水垫塘长2.3m，底宽0.6m，深0.8m，两侧边坡比1:0.3；在水垫塘内投放的散粒块体为预制的正四面体和立方体混凝土块，分别有三种不同粒径；其中，立方体混凝土块的边长分别为3cm、4cm、5cm；正四面体混凝土块的棱长分别为6.12cm、8.16cm、10.20cm。水垫塘材料采用透明有机玻璃制作，以便观察装置内水流现象和冲刷情况。

通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。