一種側(cè)向出流旋滾消能的消力池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種側(cè)向出流旋滾消能的消力池，由位于設(shè)置在上游河道內(nèi)的溢流壩后方部分槽池和與該部分槽池相接位于下游河道水流入口前方部分槽池構(gòu)成，兩部分槽池的軸線相交，整體在平面方向呈折彎結(jié)構(gòu)，流經(jīng)溢流壩的水流進(jìn)入消力池產(chǎn)生水躍后側(cè)向旋滾地流出消力池，使水流得以消能。本發(fā)明顛覆了傳統(tǒng)消力池平面布置結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)中缺少適于在河道彎道建造消力池空白，同時解決了傳統(tǒng)消力池開挖工程量大、消能效果不理想的等問題。
【專利說明】一種側(cè)向出流旋滾消能的消力池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水利水電工程泄洪消能【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種適用于設(shè)置在河道轉(zhuǎn)彎處的樞紐整體需要消能的消力池。
【背景技術(shù)】
[0002]消力池為促使在河道下游或者泄水建筑物下游產(chǎn)生底流式水躍的消能設(shè)施。消力池能使下泄急流迅速變?yōu)榫徚?，一般可將下泄水流的動能消?0%?70%，并可縮短護(hù)坦長度，是一種有效而經(jīng)濟(jì)的消能設(shè)施。水利工程中消力池的設(shè)計，其長度是影響消力池消能效果非常重要的一個因素，而消力池的長度與水躍長度密切相關(guān)。常規(guī)消力池通過設(shè)計尾坎在水躍段上施加與水流方向相反的反擊力，可以有效減小水躍長度，進(jìn)而達(dá)到減小消力池長度，降低工程施工量的目的。設(shè)計有尾坎的消力池水躍長度一般為消力池不設(shè)置尾坎情況下的水躍長度(即平底渠道自由水躍長度)的70%?80%。盡管通過設(shè)置尾坎可以降低消力池的長度，但消力池的長度仍然較長。
[0003]設(shè)置有尾坎的傳統(tǒng)消力池，實際上仍只能在消力池首部形成水躍并形成回流，水流從急流變?yōu)榫徚?，變?yōu)榫徚骱蟮乃魑蓜尤暂^劇烈，消能效果很差，且在其底部的水流速度仍很大；由于上述兩個原因，為了增加消能效果，需要將消力池建的很長，使水流在消力池內(nèi)完成水躍后再經(jīng)過較充分的調(diào)整，使水流速度分布更加均勻，并且紊動能進(jìn)一步消耗后才能進(jìn)入下游河道，否則容易對下游河道造成比較嚴(yán)重的沖刷。因此，傳統(tǒng)的消力池需要布置于河道兩側(cè)邊坡地質(zhì)條件比較理想的位置，并且需要沿河道直段方向布置，才能達(dá)到消力池設(shè)計所需要的長度和深度，保證下泄水流消能充分，與下游河道平穩(wěn)銜接，避免對下游河道的沖刷等問題。
[0004]由于許多溢流壩消力池修建在高山峽谷處，岸邊邊坡地質(zhì)條件比較復(fù)雜，河流轉(zhuǎn)彎也是比較普遍遇到的工程條件，而河流直段處兩側(cè)岸邊邊坡的地質(zhì)條件有時很難保證滿足工程建設(shè)要求，因此建在高山峽谷處的傳統(tǒng)消力池很難滿足消能要求。如果河道在大壩后很短距離內(nèi)轉(zhuǎn)彎，由于彎道的直段部分很窄，不能滿足傳統(tǒng)消力池的長度要求，根本無法采用傳統(tǒng)消力池的布置形式，需要尋找一種新的消力池布置形式解決河道彎道部分的消能問題。
[0005]且傳統(tǒng)消力池進(jìn)出口方向均沿河流河道方向，對于河道上游高水頭環(huán)境,下泄水流的速度很高，挾帶的能量很大，為達(dá)到充分消能的效果，消力池的深度和長度均需很大，才能保證出池水流與下游河道水流的平穩(wěn)銜接，這將大大增加建造消力池的成本。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]針對傳統(tǒng)消力池的技術(shù)現(xiàn)狀及不足，本發(fā)明的目的旨在提供一種顛覆傳統(tǒng)消力池平面布置結(jié)構(gòu)的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，以填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)中缺少適于在河道彎道建造消力池空白，同時解決傳統(tǒng)消力池開挖工程量大、消能效果不理想等問題。
[0007]本發(fā)明的上述目的，可以通過由下述技術(shù)方案構(gòu)成的側(cè)向出流旋滾消能的消力池來實現(xiàn)。
[0008]本發(fā)明提供的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，由位于設(shè)置在上游河道內(nèi)的溢流壩后方部分槽池和與該部分槽池相接位于下游河道水流入口前方部分槽池構(gòu)成，兩部分槽池的軸線相交，整體在平面方向呈折彎結(jié)構(gòu)，流經(jīng)溢流壩的水流進(jìn)入消力池產(chǎn)生水躍后側(cè)向旋滾地流出消力池，使水流得以消能。
[0009]在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，溢流壩后方部分槽池的軸線與下游河道水流入口前方部分槽池的軸線所呈夾角具體大小可以根據(jù)河道轉(zhuǎn)彎情況靈活調(diào)整，為了提高下游河道水流入口前方部分槽池的外側(cè)邊墻對水躍后水流的反向作用，溢流壩后方部分槽池的軸線與下游河道水流入口前方部分槽池的軸線一般控制呈60°?120°相交，進(jìn)一步地，溢流壩后方部分槽池的軸線與下游河道水流入口前方部分槽池的軸線優(yōu)先考慮呈90°相交。
[0010]在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，為了進(jìn)一步減小消力池出口處底流的速度，使消力池內(nèi)水流與下游河道內(nèi)水流平穩(wěn)銜接，在下游河道水流入口前方部分槽池的尾部可以考慮設(shè)置一尾坎。
[0011]在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，為了滿足工程運行需要，構(gòu)成槽池的邊墻高度不小于設(shè)計洪水位高度。
[0012]在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，構(gòu)成槽池的邊墻，根據(jù)河道環(huán)境地質(zhì)條件可以考慮設(shè)計為垂直結(jié)構(gòu)邊墻，也可以設(shè)計為向外側(cè)傾斜的階梯結(jié)構(gòu)邊墻或斜坡結(jié)構(gòu)邊墻。
[0013]在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，為了在實現(xiàn)水躍消能的同時，進(jìn)一步縮短消力池水躍長度，構(gòu)成溢流壩后方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻的長度優(yōu)先考慮大于消力池水躍長度，更進(jìn)一步優(yōu)先考慮為消力池水躍長度的1.1?1.3倍。所述消力池水躍長度可以由以下公式給出，如公式Lj = (0.42?0.64) XLk，其中Lj為側(cè)向出流旋滾消能的消力池水躍長度，Lk為平底渠道自由水躍長度，Lk的計算公式為現(xiàn)有公式，可以直接從教科書《水力學(xué)》中查到。
[0014]在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，消力池底板優(yōu)先考慮設(shè)計為平底結(jié)構(gòu)；構(gòu)成所述下游河道水流入口前方部分槽池的池底優(yōu)先考慮設(shè)計為不低于河床，進(jìn)一步優(yōu)先考慮設(shè)計為與河床齊平。
[0015]本發(fā)明提供的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，配合樞紐整體中其它泄水建筑物的使用，既可以滿足消力池建設(shè)在河道轉(zhuǎn)彎處，又能夠通過增加水躍后水流的旋滾來提高消力池的消能效果，可供在河道轉(zhuǎn)彎處建設(shè)水利水電工程時選用。本發(fā)明提供的側(cè)向出流旋滾消能的消力池完全顛覆了傳統(tǒng)消力池的布置方式，帶來了以下十分突出的技術(shù)效果:
[0016]1、由于構(gòu)成消力池的下游河道水流入口前方部分槽池的外側(cè)邊墻能夠?qū)⑺S后水流前進(jìn)方向全部阻斷，約束效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)消力池中末端尾坎對于水躍的約束效果，由此形成對水躍段的反方向約束，從而使水躍長度縮短為平底渠道自由水躍長度的42%?64%,與傳統(tǒng)消力池相比，可將水躍長度進(jìn)一步縮短20?40%，在更小的范圍內(nèi)達(dá)到消能效果；同時由于消力池下游河道水流入口前方部分槽池外側(cè)邊墻的存在，與傳統(tǒng)消力池相t匕，在保證相同淹沒程度的情況下，還可以將消力池底板高程適當(dāng)抬高，從而減小開挖工程量，并減小施工難度，降低建設(shè)成本。
[0017]2、在溢流壩后方部分槽池與下游河道水流入口前方部分槽池相接的部位，由于水躍的存在，不會對下游河道水流入口前方部分槽池的外側(cè)邊墻產(chǎn)生過大的沖擊壓力。另外，水流與下游河道水流入口前方部分槽池的外側(cè)邊墻相互作用，在橫向方向上形成旋滾，同時會通過卷吸作用卷入大量空氣，增加水體的紊動，將水體的一部分機(jī)械能在紊動過程中以紊動能形式消耗掉，增加消力池的消能效果。
[0018]3、水流在溢流壩后方部分槽池內(nèi)產(chǎn)生水躍后，以旋滾形式進(jìn)入下游河道水流入口前方部分槽池，在該部分槽池內(nèi)，以螺旋流的形式前進(jìn)，在此過程中，其流過的路徑將比傳統(tǒng)沿一個方向的水流路徑長很多，將消耗大量的能量，具有很好的消能效果。
[0019]4、流經(jīng)溢流壩的水流進(jìn)入消力池產(chǎn)生水躍后側(cè)向旋滾地流出消力池，消耗大量能量后的水流在出池的流速會更低，對下游的防沖保護(hù)更加有力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為在河道直段布置的傳統(tǒng)消力池的平面示意圖。
[0021]圖2為在河道直段布置的傳統(tǒng)消力池進(jìn)口軸向水流流態(tài)示意圖。
[0022]圖3A為實施例1給出的側(cè)向出流旋滾消能的消力池的平面示意圖。
[0023]圖3B為實施例2給出的側(cè)向出流旋滾消能的消力池的平面示意圖。
[0024]圖3C為實施例4給出的側(cè)向出流旋滾消能的消力池的平面示意圖。
[0025]圖3D為實施例5給出的側(cè)向出流旋滾消能的消力池的平面示意圖。
[0026]圖4A為實施例1給出的下游河道水流入口前方部分槽池的外側(cè)邊墻垂直情況下，側(cè)向出流旋滾消能的消力池進(jìn)口軸向水流流態(tài)示意圖。
[0027]圖4B為實施例3給出的下游河道水流入口前方部分槽池的外側(cè)邊墻向外傾斜情況下，側(cè)向出流旋滾消能的消力池進(jìn)口軸向水流流態(tài)示意圖。
[0028]在上述附圖中，各附圖標(biāo)號標(biāo)識的對象分別為:1-上游河道；2_下游河道；3-溢流現(xiàn)；4-尾坎；5_消力池左側(cè)邊墻；6_消力池右側(cè)邊墻；7_溢流現(xiàn)現(xiàn)頂；8_水躍；9_溢流壩后方部分槽池；10-下游河道水流入口前方部分槽池；11-溢流壩后方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻；12_溢流壩后方部分槽池的外側(cè)邊墻；13_下游河道水流入口前方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻；14_下游河道水流入口前方部分槽池的外側(cè)邊墻。
【具體實施方式】
[0029]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。
[0030]實施例1
[0031]本實施例給出的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，如圖3A所示，由位于設(shè)置在上游河道內(nèi)的溢流壩后方部分槽池9和與該部分槽池相接位于下游河道水流入口前方部分槽池10構(gòu)成，兩部分槽池的軸線呈90°相交，流經(jīng)溢流壩3的水流進(jìn)入消力池產(chǎn)生水躍8后側(cè)向旋滾地流出消力池，使水流得以消能。在下游河道水流入口前方部分槽池10的尾部設(shè)置有尾坎4。消力池的溢流壩后方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻11、外側(cè)邊墻12，和下游河道水流入口前方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻13和外側(cè)邊墻14均為垂直結(jié)構(gòu)邊墻，且它們的高度等于設(shè)計洪水位高度。構(gòu)成下游河道水流入口前方部分槽池10的池底其位置與河床齊平。
[0032]本實施例給出的側(cè)向出流旋滾消能的消力池進(jìn)口軸向水流流態(tài)示意圖如圖4A所示，上游河道I內(nèi)的水流經(jīng)溢流壩3壩頂7進(jìn)入消力池，在溢流壩3底部與消力池底板相接的地方產(chǎn)生水躍8，水流前行過程中與下游河道水流入口前方部分槽池的外側(cè)邊墻14相互作用，在轉(zhuǎn)彎處下游河道水流入口前方部分槽池的外側(cè)邊墻14的反向作用力下形成回流。消力池水躍長度由以下公式確定，h = (0.42?0.64) XLk，其中h為所述側(cè)向出流旋滾消能的消力池水躍長度，Lk為平底渠道自由水躍長度。本實施例中溢流壩后方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻11的長度L=L ILjo下游河道水流入口前方部分槽池的外側(cè)邊墻14垂直于水平面。本實施例給出的側(cè)向出流旋滾消能的消力池水躍長度為平底渠道自由水躍長度的42%?64%，與傳統(tǒng)消力池相比，可將水躍長度進(jìn)一步縮短20?40%。產(chǎn)生的水躍長度縮短表明在更小的范圍內(nèi)達(dá)到消能效果，明顯減小消力池溢流壩后方部分槽池9的工程開挖量。
[0033]在溢流壩后方部分槽池9與下游河道水流入口前方部分槽池10相接的部位，由于水躍8的存在，不會對下游河道水流入口前方部分槽池的外側(cè)邊墻14產(chǎn)生過大的沖擊壓力。另外，水流與下游河道水流入口前方部分槽池的外側(cè)邊墻14相互作用，在橫向方向上形成旋滾，以旋滾形式進(jìn)入下游河道水流入口前方部分槽池10。在下游河道水流入口前方部分槽池10內(nèi)，以螺旋流的形式前進(jìn)，在此過程中，其流過的路徑將比傳統(tǒng)沿一個方向的水流路徑長很多，將消耗大量的能量，因此其出池流速會更低，對下游的防沖保護(hù)更加有力。
[0034]此外，水流與下游河道水流入口前方部分槽池的外側(cè)邊墻14相互作用，在橫向方向上形成旋滾，同時會通過卷吸作用卷入大量空氣，增加水體的紊動，將水體的一部分機(jī)械能在紊動過程中以紊動能形式消耗掉，增加消力池的消能效果。
[0035]實施例2
[0036]本實施例給出的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，其結(jié)構(gòu)如圖3B所示，與實施例1所述的側(cè)向出流旋滾消能的消力池基本相同，所不同的地方是溢流壩后方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻11的長度為消力池水躍長度的1.2倍，下游河道水流入口前方部分槽池的尾部不設(shè)置尾坎4,構(gòu)成消力池的溢流壩后方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻11、外側(cè)邊墻12和下游河道水流入口前方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻13、外側(cè)邊墻14的高度等于設(shè)計洪水位高度的1.2倍。
[0037]實施例3
[0038]本實施例給出的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，其結(jié)構(gòu)如圖3B所示，與實施例1所述的側(cè)向出流旋滾消能的消力池基本相同，所不同的地方是溢流壩后方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻11的長度為消力池水躍長度的1.2倍，下游河道水流入口前方部分槽池的尾部不設(shè)置尾坎4,構(gòu)成消力池的溢流壩后方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻11、外側(cè)邊墻12和下游河道水流入口前方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻13、外側(cè)邊墻14均為向外側(cè)傾斜的斜坡結(jié)構(gòu)邊墻，且它們的高度等于設(shè)計洪水位高度的1.1倍。
[0039]本實施例給出的側(cè)向出流旋滾消能的消力池進(jìn)口軸向水流流態(tài)示意圖如圖4B所
/Jn ο
[0040]實施例4
[0041]本實施例給出的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，其結(jié)構(gòu)如圖3C所示，與實施例1所述的側(cè)向出流旋滾消能的消力池基本相同，所不同的地方是溢流壩后方部分槽池9和下游河道水流入口前方部分槽池10的軸線呈120°相交；溢流壩后方部分槽池9的外側(cè)邊墻12為垂直結(jié)構(gòu)邊墻，內(nèi)側(cè)邊墻11為向外垂直階梯結(jié)構(gòu)邊墻，下游河道水流入口前方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻13為垂直結(jié)構(gòu)邊墻，外側(cè)邊墻14為斜坡結(jié)構(gòu)邊墻；溢流壩后方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻11的長度為消力池水躍長度的1.3倍；構(gòu)成消力池的溢流壩后方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻
11、外側(cè)邊墻12和下游河道水流入口前方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻13、外側(cè)邊墻14的高度等于設(shè)計洪水位高度的1.5倍；構(gòu)成下游河道水流入口前方部分槽池10的池底其位置略高于河床。
[0042]實施例5
[0043]本實施例給出的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，其結(jié)構(gòu)如圖3D所示，與實施例4所述的側(cè)向出流旋滾消能的消力池基本相同，所不同的地方是，下游河道水流入口前方部分槽池10的尾部不設(shè)置尾坎4 ;構(gòu)成消力池的溢流壩后方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻11、外側(cè)邊墻12和下游河道水流入口前方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻13、外側(cè)邊墻14的高度等于設(shè)計洪水位高度的1.05倍。
【權(quán)利要求】
1.一種側(cè)向出流旋滾消能的消力池，其特征在于，由位于設(shè)置在上游河道(I)內(nèi)的溢流壩后方部分槽池(9)和與該部分槽池相接位于下游河道水流入口前方部分槽池(10)構(gòu)成，兩部分槽池的軸線相交，整體在平面方向呈折彎結(jié)構(gòu)，流經(jīng)溢流壩的水流進(jìn)入消力池產(chǎn)生水躍后側(cè)向旋滾地流出消力池，使水流得以消能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，其特征在于，所述溢流壩后方部分槽池的軸線與下游河道水流入口前方部分槽池的軸線呈60°~120°相交。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，其特征在于，在所述下游河道水流入口前方部分槽池的尾部設(shè)置有尾坎(4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，其特征在于，構(gòu)成所述槽池的邊墻高度不小于設(shè)計洪水位高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，其特征在于，構(gòu)成所述槽池的邊墻為垂直結(jié)構(gòu)邊墻、階梯結(jié)構(gòu)邊墻或斜坡結(jié)構(gòu)邊墻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，其特征在于，構(gòu)成所述溢流壩后方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻(11)的長度大于水流進(jìn)入消力池產(chǎn)生的水躍長度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，其特征在于，構(gòu)成所述溢流壩后方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻的長度大于水流進(jìn)入消力池產(chǎn)生的水躍長度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，其特征在于，構(gòu)成所述溢流壩后方部分槽池的內(nèi)側(cè)邊墻的長度為水流進(jìn)入消力池產(chǎn)生的水躍長度1.1~1.3倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，其特征在于，所述消力池水躍長度由下述公式確定:
Lj = (0.42 ~0.64) X Lk 其中h為所述側(cè)向出流旋滾消能的消力池水躍長度，Lk為平底渠道自由水躍長度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或所述的側(cè)向出流旋滾消能的消力池，其特征在于，構(gòu)成所述下游河道水流入口前方部分槽池的池底不低于河床。
【文檔編號】E02B8/06GK103966985SQ201410198412
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】鄧軍, 許唯臨, 劉善均, 曲景學(xué), 王韋, 張建民, 田忠, 張法星, 衛(wèi)望汝 申請人:四川大學(xué)