一種高水頭底孔泄洪消能結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種高水頭底孔泄洪消能結構，包括沿水流泄洪方向依次降低設置的底孔和消力池1，所述底孔包括有壓式泄水段3和明流泄槽段2，有壓式泄水段3的出口連接明流泄槽段2的入口，明流泄槽段2的出口連接消力池1；所述有壓式泄水段3的出口與明流泄槽段2的入口的連接處設有跌槽11，所述跌槽11包括一平行于有壓式泄水段3呈階梯設置的底板和沿底板兩側布置的兩側墻，所述跌槽11的底板寬于有壓式泄水段3的出口寬度；所述明流泄槽段2的出口與消力池1的連接處設有用于減速過渡的階梯狀跌坎4。本實用新型的底孔中跌槽11的設置達到了摻氣減蝕的效果，消力池跌坎4的設置大大降低了消力池底板遭受空蝕和沖蝕的破壞。
【專利說明】一種高水頭底孔泄洪消能結構
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及水利樞紐的泄洪消能領域，具體地，涉及一種高水頭底孔泄洪消能結構。
【背景技術】
[0002]泄洪消能建筑物是水利樞紐主要建筑物，泄洪底孔和消能結構是其中重要的兩個組成部分。由于水利樞紐上通過泄洪底孔弧形工作門的水流速度極高，所以水流下的空化空蝕問題也及其嚴重，因此泄洪底孔體型的設計要充分考慮到這一問題。再者，從泄洪底孔流出的水流具有極高的動能和勢能，不能直接將其注入下游河流中，必須經過消能處理。壩身泄洪孔消能通常采用挑流、面流和底流3種消能型式，根據工程底孔布置接近河床高程及下游水位變化幅度等特點，選擇相應的消能型式，而本實用新型主要是在底流消能型式基礎上做出改進。現有技術中平底消力池是最為常用的一種消能結構，所謂平底消力池，即是泄洪底孔出口明流泄槽段經一段圓弧與消力池底板平順相接。但是平底消力池存在如下問題:1)底孔泄洪水流入消力池時，水體主流與池內水體形成強烈剪切流，在閘墩出口區域形成明顯的立軸漩渦，并有初生至發展階段的蒸汽型空化，消力池底板容易發生空蝕破壞；2)消力池進口處底部流速大，測量顯示不同工況下反弧段處底部最大臨底流速達36m/s，對該部位底板抗沖性能要求較高。
[0003]因此，對泄洪底孔及其消力池的空化空蝕、摻氣減蝕、閘門流激振動、消能防沖、抗沖耐磨材料等方面問題的研究解決，不僅為今后樞紐運行提供技術保證，也為樞紐發揮經濟效益和安全運用奠定了基礎。
實用新型內容
[0004]為了解決上述問題，本實用新型提供了一種高水頭底孔泄洪消能結構，具體地，采用如下技術方案:
[0005]一種高水頭底孔泄洪消能結構，包括沿水流泄洪方向依次降低設置的底孔和消力池，所述底孔包括有壓式泄水段和明流泄槽段，有壓式泄水段的出口連接明流泄槽段的入口，明流泄槽段的出口連接消力池；所述有壓式泄水段的出口與明流泄槽段的入口的連接處設有跌槽，所述跌槽包括一平行于有壓式泄水段呈階梯設置的底板和沿底板兩側布置的兩側墻，所述跌槽的底板寬于有壓式泄水段的出口寬度；所述明流泄槽段的出口與消力池的連接處設有用于減速過渡的階梯狀的跌坎。
[0006]進一步地，所述跌槽的底板寬度是有壓式泄水段的底板寬度的1.13?1.27，所述跌槽的底板高度是有壓式泄水段的底板高度的0.995?0.996。
[0007]進一步地，所述跌槽的兩側墻底部設有通氣孔。
[0008]進一步地，所述跌坎的底板高度是明流泄槽段的出口處底板高度的0.977?
0.978。
[0009]進一步地，所述消力池內兩側設置導墻，所述導墻與跌坎具有一定距離。[0010]進一步地，所述消力池的底板尾部連接向上凸起的尾坎。
[0011]進一步地，所述尾坎后連接護坦。
[0012]進一步地，所述明流泄槽段的底板、消力池的底板和導墻上設有抗蝕涂層。
[0013]進一步地，明流泄槽段的出口設有向內凹陷的反弧調順段與跌坎平滑連接。
[0014]進一步地，所述有壓式泄水段的入口處設有反鉤檢修門，所述有壓式泄水段的出口處設有弧形工作門，所述有壓式泄水段的入口與出口之間設有事故檢修門。
[0015]本實用新型采用了不同于之前的技術方案，達到了如下技術效果:
[0016]I)本實用新型的底孔中有壓式泄水段的出口與明流泄槽段的入口的連接處跌槽的設置，形成了一種突擴突跌摻氣的體型，能夠達到摻氣減蝕效果，避免了空蝕破壞，同時也滿足高水頭弧形閘門止水要求。
[0017]2)本實用新型的消力池與明流泄槽段的出口的連接處設有用于減速過渡的階梯狀的跌坎，能夠顯著降低閘墩尾部立軸漩渦對跌坎立面和消力池底板的空蝕破壞，同時消力池內臨底流速大幅降低，底板發生沖蝕破壞的可能性大大減小。
[0018]3)本實用新型的消力池內兩側導墻位置后移，同時在邊底孔外側增加一扭曲面折流器使閘墩尾部的橫軸漩渦對導墻的空蝕破壞大大降低。
[0019]4)本實用新型的底孔出口流速較高，底孔出口明流泄槽段、消力池底板及導墻上設有抗蝕涂層，可對泄洪消能區予以保護。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1本實用新型的剖面圖；
[0021]圖2本實用新型的底孔結構剖面圖；
[0022]圖3本實用新型的底孔結構平面圖。
[0023]附圖中標號說明:1-消力池2-明流泄槽段3-有壓式泄水段4-跌坎5-尾坎6-護坦7-反鉤檢修門8事故檢修門9-弧形工作門10-通氣孔11-跌槽。
【具體實施方式】
[0024]如圖1、圖2及圖3所示，本實用新型提供的一種高水頭底孔泄洪消能結構，包括沿水流泄洪方向依次降低設置的底孔和消力池1，底孔布置在河床中間的重力壩底部，底孔出口連接消力池。所述底孔包括有壓式泄水段3和明流泄槽段2，有壓式泄水段3采用平進口，呈與水流方向平行設置，有壓式泄水段3的入口處設有反鉤檢修門7，有壓式泄水段3的出口處設有弧形工作門9，所述有壓式泄水段3的入口與出口之間設有事故檢修門8，有壓式泄水段3的出口連接明流泄槽段2的入口，明流泄槽段2為具有一定坡度的傾斜槽，明流泄槽段2的底坡坡度大小根據泄洪水頭的變幅設置，泄洪水頭的變幅較大的底孔通常要求明流泄槽段2的底坡較陡，坡度越陡，底空腔越大，摻氣越穩定，但明流泄槽段2的底坡過陡時，水流容易對下游反弧調順段底板造成強烈沖擊，影響水流流態，同時對底板的沖擊力增大，明流泄槽段2的出口連接消力池1，消力池I水平布置，消力池I是泄洪水流的主要消能裝置。所述有壓式泄水段3的出口與明流泄槽段2的入口的連接處設有跌槽11，所述跌槽11包括一平行于有壓式泄水段3呈階梯設置的底板和沿底板兩側布置的兩側墻，跌槽11的底板高度是有壓式泄水段3的底板高度的0.995?0.996，這樣可以在有壓式泄水段3的出口與明流泄槽段2的入口的連接處形成穩定的底空腔，所述跌槽11的底板寬于有壓式泄水段3的出口寬度，跌槽11的底板寬度是有壓式泄水段(3)的底板寬度的1.13?1.27，這樣可以在有壓式泄水段3的出口與明流泄槽段2的入口的連接處形成穩定的側空腔，有壓式泄水段3的出口與明流泄槽段2的入口的連接處形成的側空腔與底空腔相互貫通，便于通氣孔10的布置，達到摻氣減蝕的效果。所述明流泄槽段2的出口與消力池I的連接處設有用于減速過渡的階梯狀的跌坎4，跌坎4的底板高度是明流泄槽段2的出口處底板高度的0.977?0.978，消力池I的前端設置跌坎4可使泄洪水流的流速在進入消力池I之前明顯降低，減小了對消力池I的底板的沖蝕破壞，同時由于明流泄槽段2的底板末端和閘墩尾部跌坎區仍然存在強烈的剪切流，并形成立軸漩渦，而跌坎4的設置可有效避免立軸漩渦觸及消力池I的底板，避免了消力池底板遭受空蝕破壞。所述消力池I的底板尾部連接向上凸起的尾坎5，使泄洪水流在消力池尾部產生水躍進一步消除其所含有的能量。尾坎5后連接護坦6，護坦6的作用是進一步削減泄洪水流的剩余動能，保護河床免受泄洪水流的危害性沖刷。
[0025]再者，所述跌槽11的兩側墻底部設有通氣孔10，通氣孔10的設置可取得理想的摻氣效果，降低了空蝕的破壞。衡量通氣孔10尺寸大小是否合適的主要指標是孔內風速，在布置條件許可下，通氣孔優先選擇較大尺寸以降低孔內風速，取得良好的摻氣效果。
[0026]再者，所述消力池I內兩側設置導墻，跌坎4的設置使得在閘墩尾部形成了橫軸漩渦，橫軸漩渦增加了消力池I內兩側導墻空化空蝕破壞的可能性，因此將兩側導墻后移，使導墻與跌坎4具有一定距離，大大降低了橫軸漩渦對其空蝕破壞。與此同時，由于消力池I的兩側導墻位置后移，在邊底孔外側增加扭曲折流器，保證泄洪水流進入消力池I。
[0027]再者，底孔出口流速較高，為了安全考慮，所述明流泄槽段2的底板、消力池I的底板和導墻上設有抗蝕涂層。
[0028]最后，明流泄槽段2的出口設有向內凹陷一定弧度的反弧調順段與跌坎4平滑連接，可有效的調整泄洪水流的流向，在一定程度上降低其流速，使其能夠更加平緩的進入消力池I,減輕對消力池底板和兩側墻的沖刷破壞。
[0029]實施例
[0030]某大型水利樞紐工程裝機1100麗，壩型采用混凝土重力壩，重力壩壩軸線總長995.4m，壩頂高程465m，最大壩高116m。工程樞紐布置為:河床中間布置8個表孔、5個底孔及消能建筑物，底孔(兼作排砂孔)布置在表孔左側，河床左側布置壩后式電站廠房，河床右側布置垂直升船機，上閘首長42m，兩岸布置非溢流壩段。其中布置于河床中部的5個永久性泄洪底孔，承擔著泄洪、排沙等工程任務，底孔校核工況下水頭89.07m,總泄洪量9800m3/
So
[0031]如圖2及圖3所示，底孔進口有壓式泄水段3分有壓短管和有壓長管兩種型式，從工程布置、造價、工期和簡化施工等方面進行了比較分析，確定底孔進口有壓式泄水段3采用有壓短管型式，有壓式泄水段3長度29.50m，布置3道閘門，即進口反鉤檢修門7，中部事故檢修門8，出口弧形工作門9。底孔采用平進口，孔口尺寸6X9m (寬X高)，共5孔。有壓式泄水段3的進口頂曲線及側曲線均采用I / 4橢圓線，頂曲線長軸12.3m，短軸4.1m ；側曲線長軸4.5m，短軸1.5m，有壓式泄水段3的出口處孔頂壓坡段，與明流泄槽段2的入口相接。事故檢修門8前孔頂壓坡坡比1:5，事故檢修門8與弧形工作門9間孔頂壓坡坡比1:4ο
[0032]該水利樞紐泄洪底孔弧形工作門區存在高速水流下的空化空蝕問題和高水頭弧形閘門止水問題，所以在有壓式泄水段3的出口與明流泄槽段2的入口的連接處設有跌槽11，所述跌槽11包括一平行于有壓式泄水段3呈階梯設置的底板和沿底板兩側布置的兩側墻，跌槽11的底板低于有壓式泄水段3的底板1.6m設置，可在有壓式泄水段3的出口與明流泄槽段2的入口的連接處形成穩定的底空腔，所述跌槽11的底板寬于有壓式泄水段3的出口寬度0.4m?0.8m設置，優選選用0.5m,這樣可以在有壓式泄水段3的出口與明流泄槽段2的入口的連接處形成穩定的側空腔，所形成的側空腔與底空腔相互貫通，便于通氣孔10的布置，衡量通氣孔10尺寸大小是否合適的主要指標是孔內風速，在布置條件許可下，通氣孔優先選擇較大尺寸以降低孔內風速，取得良好的摻氣效果，該水利樞紐的底孔布置的2個直徑1.0m的通氣孔尺寸偏小，應適當加大，借鑒類似工程經驗，將通氣孔直徑加大至1.5m。采用該技術方案之后該水利樞紐的底孔設置既達到摻氣減蝕的目的，同時能夠適應高水頭弧形閘門布設偏心餃或液壓伸縮式止水的要求。
[0033]該水利樞紐的消力池I設計為平底消力池，所謂平底消力池，即是底孔出口明流泄槽段經一段圓弧與消力池底板平順相接。根據水力學消能設計計算成果，該工程底孔消力池結構尺寸:底板高程354.0m，池長170m。通過水力學模型試驗，發現平底消力池存在如下問題:1)底孔泄洪水流入消力池時，水體主流與池內水體形成強烈剪切流，在閘墩出口區域形成明顯的立軸漩渦，并有初生至發展階段的蒸汽型空化，消力池底板容易發生空蝕破壞；2)消力池進口處底部流速大，測量顯示不同工況下反弧段處底部最大臨底流速達36m/s，對該部位底板抗沖性能要求較高。如圖1所示，針對以上兩個問題，在明流泄槽段2的出口與消力池I的連接處設有用于減速過渡的階梯狀的跌坎4，跌坎4的底板與明流泄槽段2的出口處底板高度差為Sm，消力池I的前端設置跌坎4可使泄洪水流的流速在進入消力池I之前明顯降低，減小了對消力池I的底板的沖蝕破壞，同時避免了消力池底板遭受空蝕破壞。該水利樞紐明流泄槽段2的出口與消力池I的連接處設置跌坎4之后，平底消力池存在的兩個水力學問題基本解決，跌坎4的設置使得在閘墩尾部形成了橫軸漩渦，橫軸漩渦增加了消力池I內兩側導墻空化空蝕破壞的可能性，因此將兩側導墻后移，該工程導墻由于受布置條件限制，最大后移距離只有2.7m，使導墻與跌坎4具有一定距離，大大降低了橫軸漩渦對其空蝕破壞。與此同時，由于消力池I的兩側導墻位置后移，在邊底孔外側增加扭曲折流器，折流器長度15m，高度12m，出口底寬1.5m，保證泄洪水流進入消力池I。所述消力池I的底板尾部連接向上凸起的尾坎5，尾坎5的高程為367.0m，使泄洪水流在消力池尾部產生水躍進一步消除其所含有的能量。尾坎5后連接護坦6，護坦6的作用是進一步削減泄洪水流的剩余動能，保護河床免受泄洪水流的危害性沖刷。
[0034]最后，該水利樞紐底孔出口流速較高，為安全考慮，明流泄槽段2、消力池I的底板及導墻邊墻宜采用抗蝕材料對泄洪消能區予以保護。
[0035]以上所述僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上的限制，雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本實用新型，任何熟悉本專利的技術人員在不脫離本實用新型技術方案范圍內，當可利用上述提示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本實用新型技術方案的內容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實用新型方案的范圍內。
【權利要求】
1.一種高水頭底孔泄洪消能結構，包括沿水流泄洪方向依次降低設置的底孔和消力池(I)，所述底孔包括有壓式泄水段(3)和明流泄槽段(2)，有壓式泄水段(3)的出口連接明流泄槽段(2)的入口，明流泄槽段(2)的出口連接消力池(I);其特征在于，所述有壓式泄水段(3 )的出口與明流泄槽段(2 )的入口的連接處設有跌槽(11)，所述跌槽(11)包括一平行于有壓式泄水段(3)呈階梯設置的底板和沿底板兩側布置的兩側墻，所述跌槽(11)的底板寬于有壓式泄水段(3)的出口寬度；所述明流泄槽段(2)的出口與消力池(I)的連接處設有用于減速過渡的階梯狀的跌坎(4 )。
2.根據權利要求1所述的一種高水頭底孔泄洪消能結構，其特征在于，所述跌槽(11)的底板寬度是有壓式泄水段(3)的底板寬度的1.13?1.27，所述跌槽(11)的底板高度是有壓式泄水段(3)的底板高度的0.995?0.996。
3.根據權利要求1或2所述的一種高水頭底孔泄洪消能結構，其特征在于，所述跌槽(II)的兩側墻底部設有通氣孔(10)。
4.根據權利要求1所述的一種高水頭底孔泄洪消能結構，其特征在于，所述跌坎(4)的底板高度是明流泄槽段(2)的出口處底板高度的0.977?0.978。
5.根據權利要求1或4所述的一種高水頭底孔泄洪消能結構，其特征在于，所述消力池(O內兩側設置導墻，所述導墻與跌坎(4)具有一定距離。
6.根據權利要求5所述的一種高水頭底孔泄洪消能結構，其特征在于，所述消力池(I)的底板尾部連接向上凸起的尾坎(5 )。
7.根據權利要求6所述的一種高水頭底孔泄洪消能結構，其特征在于，所述尾坎(5)后連接護坦(6)。
8.根據權利要求5所述的一種高水頭底孔泄洪消能結構，其特征在于，所述明流泄槽段(2)的底板、消力池(I)的底板和導墻上設有抗蝕涂層。
9.根據權利要求1所述的一種高水頭底孔泄洪消能結構，其特征在于，明流泄槽段(2)的出口設有向內凹陷的反弧調順段與跌坎(4 )平滑連接。
10.根據權利要求1所述的一種高水頭底孔泄洪消能結構，其特征在于，所述有壓式泄水段(3)的入口處設有反鉤檢修門(7)，所述有壓式泄水段(3)的出口處設有弧形工作門(9),所述有壓式泄水段(3)的入口與出口之間設有事故檢修門(8)。
【文檔編號】E02B8/06GK203530942SQ201320684756
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年10月31日 優先權日:2013年10月31日
【發明者】潘明, 熊雄, 張小春, 林學峰, 曾令華 申請人:嘉陵江亭子口水利水電開發有限公司