專利名稱：用于峽谷區(qū)高拱壩壩身泄洪的分層多股非碰撞高效消能工結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于峽谷區(qū)高拱壩壩身泄洪的分層多股非碰撞高效消能工結構， 是一種應用于壩髙為200~300m、高水頭、大流速30 50m/s、大流量10000~ 50000mVs 、河谷狹窄、單寬流量大100 300mVs 'm的高拱壩的泄洪消能中。
技術背景在峽谷區(qū)高拱壩泄洪消能方面遇到的主要難題是河道狹窄、水頭高、泄量大、 射流水舌集中，給壩下消能防沖設計造成相當大的難度。為了有效地減輕下泄水舌對 水墊塘底板的動水沖擊壓力，須盡量擴散壩身下泄水流，減小入水射流單位面積上的 集中強度。因此壩身采用了分層多孔布置，出流水股在空中形成分層大差動，上下水 股碰撞分散與消能，壩下游設水墊塘，泄洪時安全可靠。但上下水股碰撞時造成的霧 化問題是卻十分突出。另外，由于地形的限制，水舌橫向擴散困難，傳統(tǒng)的使下泄水流沿橫向擴散以減 小其單寬流量的做法受到限制，因此，應尋求一種高效消能工使水流在豎向和縱向擴 散，以適應峽谷地形。發(fā)表在"水利水電技術"、第34巻、2003年第9期出版的關于《高拱壩表孔寬 尾墩跌流水舌運動特性研究》 一文中，作者探索了高拱壩壩身表孔溢流采用寬尾墩堰 頂收縮射流技術的可能性，在對水舌分散機理進行理論分析和實驗觀測表明，寬尾墩 堰頂收縮射流技術應用于高拱壩表孔溢流時，由于溢流的作用水頭較小，相應的出口 流速及出口佛勞德數較小，而出口斷面到下游水面的高差較大，因而采用挑流出口時 水舌的縱向分散效果并不好。 發(fā)明 內 容為了減輕在峽谷區(qū)進行泄洪時由于水舌碰撞引起的霧化問題，以及解決峽谷區(qū)拱 壩泄洪橫向擴散受到嚴重限制的問題，本發(fā)明提供一種用于峽谷區(qū)高拱壩壩身泄洪的 分層多股非碰撞高效消能工結構。該高效消能工結構結合表孔寬尾墩和深孔窄縫坎技 術，形成分層多股非碰撞射流。本發(fā)明公開了一種用于峽谷區(qū)高拱壩壩身泄洪的分層多股非碰撞高效消能工結 構，所述高效消能工結構采用寬尾墩與窄縫坎聯合泄洪消能。所述消能工結構在高拱 壩的壩頂設有多個表孔寬尾墩，相鄰寬尾墩之間為表孔溢流通道，以便形成表孔縱向 擴散水流；在高拱壩的壩身高度的1/2 2/3處設有多個深孔窄縫坎；深孔窄縫坎 的射流出口與表孔射流交錯；寬尾墩的墩頭與墩尾之間有順直段、擴散段，擴散段相對于順直段的擴散角P = arctan60-6 2/;順直段與擴散段的交線與溢流通道的溢流堰面的交點^與溢流堰面定型設計水頭/^之間的相關位置坐標為(=1。//^ ， 6=7。//^。窄縫坎的水流進口與水流出口之間有順直段、收縮段；收縮段相對于順 直段的收縮角-為12 15度，水流出口的寬度J與水流進口的寬度D之比應當滿足 0.3 0.7。本發(fā)明設計適用于壩高200~300m,大流速30 50m/s、大流量10000~ 50000m3/s 、大單寬流量100~300m3/(s . m)的狹窄河谷的高拱壩。
圖1是本發(fā)明高拱壩結構。圖1A是圖1的后視圖。圖2是本發(fā)明寬尾墩的立體圖。圖3是本發(fā)明窄縫坎的形貌圖。圖3A是圖3的俯視圖。圖4是溢流通道的剖視圖。圖5是寬尾墩、溢流通道的俯視圖。圖中 22.B邊墩 231.墩尾 3.窄縫坎l.高拱壩 23.A寬尾墩 232.墩頭 31冰流進口41.A表孔溢流通道 43.C表孔溢流通道ll.上游壩面 24.B寬尾墩 233.擴散段 32.水流出口 42.B表孔溢流通道 44.D表孔溢流通道12.下游壩面 25.C寬尾墩 234.順直段 33.收縮段21.A邊墩 26.D寬尾墩 235.交線 34.順直段具體實施方式
下面將結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。本發(fā)明是一種用于峽谷區(qū)高拱壩壩身泄洪的分層多股非碰撞高效消能工結構,該 消能工結構在高拱壩的壩頂設有多個表孔寬尾墩,在高拱壩的壩身設有多個深孔窄縫 坎。此種設計有表孔寬尾墩、深孔窄縫坎的高拱壩壩身泄洪方式有利于水舌在豎向和縱向方向上充分擴散，以適應狹窄河谷地形；相鄰兩個表孔寬尾墩之間形成表孔溢流 通道，下泄水流受到表孔溢流通道的橫向收縮，使得表孔水舌形成窄薄片狀射流；下 泄水流從深孔窄縫坎的水流進口 3l進入后，受到窄縫坎的橫向收縮，使得深孔水舌形成窄薄片狀射流。表孔水舌與深孔水舌交錯射入下游水墊塘，避免了表、深孔水舌 在空中碰撞，不僅可以消除碰撞濺水產生的霧化問題，同時可以提高水墊塘的消能效 率，大大降低了水墊塘底板的動水沖擊壓力。參見圖l所示，高拱壩1的壩頂面設有多個寬尾墩，相鄰寬尾墩之間為表孔溢 流通道。即A邊墩21與A寬尾墩23之間為A表孔溢流通道41 ， A寬尾墩23與B 寬尾墩24之間為B表孔溢流通道42， D寬尾墩26與C寬尾墩25之間為C表孔 溢流通道43， C寬尾墩25與B邊墩22之間為D表孔溢流通道44。在高拱壩1 的壩身高度的l/2~2/3處設有多個深孔窄縫坎；深孔窄縫坎的射流出口與表孔射 流交錯。窄縫坎的水流進口設在上游壩面11上，水流出口延伸出下游壩面12。即 窄縫坎3的水流進口 31設在上游壩面ll上，水流出口32延伸出下游壩面12,水 流出口 32的延伸段為10 15m。參見圖2所示，A寬尾墩23的墩頭232與墩尾231之間有順直段234、擴散 段233，擴散段233相對于順直段234的擴散角^為11.05 21.8度(圖5所示)。 參見圖4所示，順直段234與擴散段233的交線235與A溢流通道41的溢流堰 面411的交點^即為A溢流通道41的收縮點。x。表示溢流堰頂點o到收縮點^水 平距離，^表示溢流堰頂點o到收縮點^的垂直距離。收縮點^與溢流堰面定型設計 水頭A之間的相關位置坐標為^ = V A ,參見圖3、圖3A所示，窄縫坎3的水流進口 31與水流出口 32之間有順直段 34、收縮段33。針對窄縫坎3的構形，收縮段33相對于順直段34的收縮角/ 為 12 15度，收縮段33的長度s不應小于10m,水流出口 32的寬度"與水流進口 31的寬度"之比(收縮比5 = ^///))應當滿足0.3 0.7。參見圖5所示，A寬尾墩23的順直段234的寬度記為6 ，墩尾231的寬度記 為6。 ， A溢流通道42在相鄰寬尾墩的順直段的寬度記為5 ， A溢流通道42在相鄰 寬尾墩的擴散段末端的寬度記為A ,擴散段233相對于順直段234的擴散角記為0 ， 擴散段233的長度記為/。在本發(fā)明中，寬尾墩的擴散角滿足e-arctan^。溢流通道出口寬度5。與順直段寬度^滿足s = S = 1 。本發(fā)明設計的高效消能工結構適用于壩高200 300m,大流速30~50m/s、 大流量10000~50000m3/s 、大單寬流量100~300m3/(s 'm)的狹窄河谷的高 拱壩。將本發(fā)明的用于峽谷區(qū)高拱壩壩身泄洪的分層多股非碰撞高效消能工結構，分別 對l.O、 0.3、 0.4、 0.5等4種收縮比的寬尾墩構形在各種來流條件下的流態(tài)進行了實驗觀測。結果表明，與平尾墩條件下(收縮比為1.0)急流跌水不同，隨著收縮比 的減小和堰前水位的提高，在寬尾墩收縮式閘室內會出現急流沖擊波、水躍壅水、緩 流等流態(tài)。當寬尾墩始擴點位置參數^>0.85和^>0.37時，急流沖擊波、水躍壅水 兩種流態(tài)由于堰流仍有小于臨界水深的斷面出現，不會影響過堰流量。對不同泄流量和不同下游水墊深條件下，4種收縮比的表孔寬尾墩體型收縮射流 對水墊塘底板的動水沖擊壓力進行了試驗研究。通過對目前工程上常用的水墊塘設計 控制參數時均沖擊動水壓力、時均沖擊動水壓差和脈動壓力三個方面進行測量比較， 均可得出在薄高拱壩水墊塘消能中，合理地運用寬尾墩技術，不僅可以更加有效地 消剎下泄水流的巨大能量，而且可以顯著地減輕水墊塘底板的動水沖擊壓力。對表孔寬尾墩一深孔窄縫坎聯合泄洪形成的非碰撞、交錯入水布置的窄薄片狀交 錯射流在水墊塘內的流態(tài)及消能特征進行試驗研究，結果表明由于水舌縱向拉開， 有效地提高了消能效果，減輕了水墊塘底板的動水沖擊壓強。而且，表孔水舌、深孔 水舌在空中交錯穿插，不發(fā)生空中碰撞，可充分利用有限的溢流寬度和下游河道的縱 向空間，并可減少因水舌空中碰撞而導致的泄洪霧化的增強。本發(fā)明的適用于峽谷區(qū)高拱壩的分層多股非碰撞高效消能工結構的優(yōu)點在于 (1)突破因河谷狹窄、無法使水舌橫向充分擴散的限制，使水舌能夠在豎向和 縱向充分擴散；同時寬尾墩-窄縫坎收縮射流技術不僅可使水舌在橫向收縮，以適應 狹窄河谷地形，還可造成多股射流的效果，以增加消能效果和減輕對下游河床的沖刷;(2) 利用表孔寬尾墩一深孔窄縫坎消能工，使深孔水舌穿過表孔水舌之間的空 隙處射出，形成交錯入水的格局，避免碰撞，不僅可以消除水舌碰撞可能加劇的霧化 問題，同時可以提高水墊塘的消能效率，大大降低了水墊塘底板的動水沖擊壓力；(3) 對1.0、 0.3、 0.4、 0.5等4種收縮比的寬尾墩體型在各種來流條件下的 流態(tài)進行的實驗觀測表明寬尾墩收縮點^位置參數《>0.85和^,0.37時，急流沖 擊波、水躍壅水兩種流態(tài)由于堰流仍有小于臨界水深的斷面出現，不會影響過堰流量;(4) 寬尾墩收縮射流技術應用于高拱壩表孔溢流，當跌流的出口佛勞德數大于 1時，受斷面收縮形成的沖擊波的影響，跌流在出口斷面沿垂向不同深度的水質點出 射方向發(fā)生明顯的改變，水舌在縱向明顯的拉開，具有良好的分散特性；當跌流的出 口佛勞德數小于1時，表層水體的流速較低，慣性力減弱，主要受重力控制，跌流 離開閘室向下游流動的同時，即向兩側跌落，形成類似舌形坎的水舌流態(tài)，入塘水舌 成弓形，無論在縱向還是橫向均充分拉開，使入塘水舌的分散度大大增加。從而使水 舌作用于水墊塘底板上的動水沖擊壓力顯著降低；(5) 對表孔設置寬尾墩后，對不同泄流量和不同下游水墊深度下，不同收縮比 的表孔寬尾墩收縮射流對水墊塘底板的動水沖擊壓力進行了試驗研究。通過對目前工 程上常用的水墊塘設計控制參數時均沖擊動水壓力、時均沖擊動水壓差和脈動壓力三 個方面進行測量比較，結果表明高拱壩表孔采用寬尾墩收縮式消能工各項指標均明顯 優(yōu)于平尾墩和擴散坎；(6) 通過表孔寬尾墩一深孔窄縫坎聯合泄洪形成的分層多股非碰撞射流水墊塘 內復雜的水流特性和動水沖擊壓力特性的試驗研究表明在釆用合適的收縮比情況 下，表、深孔聯合泄洪基本可形成分層多股窄薄片狀交錯射流，射流在空中不發(fā)生碰 撞。
權利要求
1、一種用于峽谷區(qū)高拱壩壩身泄洪的分層多股非碰撞高效消能工結構，其特征在于所述消能工結構在高拱壩的壩頂設有多個表孔寬尾墩，相鄰寬尾墩之間為表孔溢流通道，以便形成表孔縱向擴散水流；在高拱壩的壩身高度的1/2～2/3處設有多個深孔窄縫坎；深孔窄縫坎的射流出口與表孔射流交錯。
2、 根據權利要求l所述的用于峽谷區(qū)高拱壩壩身泄洪的分層多股非碰撞高效消能工結構，其特征在于寬尾墩的墩頭與墩尾之間有順直段、擴散段，擴散段相對 于順直段的擴散角P = arctan^ ;順直段與擴散段的交線與溢流通道的溢流堰面的交點^與溢流堰面定型設計水頭i^之間的相關位置坐標為& =x。/i/rf ，
3、 根據權利要求1所述的用于峽谷區(qū)高拱壩壩身泄洪的分層多股非碰撞高效消能 工結構，其特征在于窄縫坎的水流進口與水流出口之間有順直段、收縮段；收 縮段相對于順直段的收縮角-為12 15度，水流出口的寬度J與水流進口的寬 度D之比應當滿足0.3 0.7。
4、 根據權利要求1所述的用于峽谷區(qū)高拱壩壩身泄洪的分層多股非碰撞高效消能工結構，其特征在于表孔溢流通道出口寬度A與順直段寬度^滿足<formula>formula see original document page 2</formula>
5、 根據權利要求1所述的用于峽谷區(qū)高拱壩壩身泄洪的分層多股非碰撞高效消能 工結構，其特征在于適用于壩高200 300m，大流速30 50m/s、大流量 10000 50000m3/s 、大單寬流量100~300m3/(s m)的狹窄河谷的高拱壩。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于峽谷區(qū)高拱壩壩身泄洪的分層多股非碰撞高效消能工結構，是采用表孔寬尾墩與深孔窄縫坎聯合泄洪消能。所述高效消能工結構在高拱壩的壩頂設有多個表孔寬尾墩，相鄰寬尾墩之間為表孔溢流通道，以便形成表孔縱向擴散水流；在高拱壩的壩身高度的1/2～2/3處設有多個深孔窄縫坎；深孔窄縫坎的射流出口與表孔射流交錯；寬尾墩的墩頭與墩尾之間有順直段、擴散段，擴散段相對于順直段的擴散角θ=arctan(b<sub>0</sub>-b)/2l；順直段與擴散段的交線與溢流通道的溢流堰面的交點A與溢流堰面定型設計水頭H<sub>d</sub>之間的相關位置坐標為ξ<sub>x</sub>＝x<sub>0</sub>/H<sub>d</sub>，ξ<sub>y</sub>＝y(tǒng)<sub>0</sub>/H<sub>d</sub>。窄縫坎的水流進口與水流出口之間有順直段、收縮段；收縮段相對于順直段的收縮角β為12～15度，水流出口的寬度d與水流進口的寬度D之比應當滿足0.3～0.7。
文檔編號E02B8/00GK101270574SQ20081010424
公開日2008年9月24日 申請日期2008年4月18日 優(yōu)先權日2008年4月18日
發(fā)明者劉沛清, 原平新, 張春滿, 焦愛萍, 鈕本良 申請人:北京航空航天大學