內(nèi)凹式尾坎消力池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種內(nèi)凹式尾坎消力池，設(shè)計方法是在常規(guī)消力池尾坎位置，將原本鉛直或者逆坡設(shè)置的尾坎迎水面以一定半徑從尾坎與消力池底板接縫處開始設(shè)置成一反弧曲面，以使從壩面下泄的高速臨底水流經(jīng)過該反弧曲面實現(xiàn)流速的反轉(zhuǎn)，從而給高速下泄的臨底水流提供了一個反向作用力，從而替代了原本通過挖深消力池底板或者增大尾坎高度的方案，既節(jié)省了工程耗資，也有效增大了常規(guī)消力池的消能效率。
【專利說明】內(nèi)凹式尾坎消力池
[0001]方法領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及水利水電工程中底流消能泄洪消能領(lǐng)域，具體涉及一種內(nèi)凹式尾坎消力池。
[0003]背景方法
[0004]水利水電工程建設(shè)中，泄水建筑物的主要水力設(shè)計任務(wù)即是選擇適當(dāng)?shù)南艽胧┮允乖谙掠屋^短距離內(nèi)消除高速水體相對于下游河道的余能，從而與之平順銜接。底流消能由于其結(jié)構(gòu)簡單、出池水流平順以及消能效率較高等突出優(yōu)勢而受到工程界的普遍認(rèn)可，它的消能機理是采用急流向緩流過渡引起的水躍造成的強烈旋滾與大量摻氣的方式來消能，其典型流態(tài)如圖3。
[0005]但是，在下游河道水深較淺而上游來流又相對較大的情況下，為了使下泄水流能夠在消力池內(nèi)部形成完整水躍，常常需要將消力池底板高程開挖得足夠深又或者通過加高消力池尾坎的形式來雍高消力池內(nèi)水深以保證水躍的完全以及高效發(fā)生。而通過上述方法會極大地增大開挖方量、增大工程耗資，而后一種方案則會使消力池出池水深過高從而形成與下游河道較高的水位落差，出現(xiàn)二次跌落并對下游河道造成較強的沖刷。為較好地協(xié)調(diào)二者之間的關(guān)系，工程上常常采取兩種方案相結(jié)合的方式，即適量降低底板高程的同時在一定程度上增大尾坎高度，但是該種方法沒有從根本上解決降低工程耗資與減輕河道沖刷二者之間的矛盾。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的主要目的在于提供一種內(nèi)凹式尾坎消力池，為解決上述問題，本發(fā)明提供的方案如下所述:
[0007]本發(fā)明提供的一種內(nèi)凹式尾坎消力池，是在傳統(tǒng)消力池尾坎位置，將尾坎迎水面以一定半徑從尾坎與消力池底板接縫處開始設(shè)置成一反弧曲面。
[0008]所述反弧曲面可以是圓弧曲面或橢圓曲面。
[0009]反弧曲面可以使從壩面下泄的高速臨底水流經(jīng)過該反弧曲面實現(xiàn)流速的反轉(zhuǎn)，從而給高速下泄的臨底水流提供了一個反向作用力，其可以有效縮短消力池長度與深度。
[0010]內(nèi)凹尾坎由于反弧曲面的緣故，可以實現(xiàn)高速下泄的水流急速轉(zhuǎn)向并向上游位置溯流的目的。前一時段的水體經(jīng)過內(nèi)凹式尾坎的空間轉(zhuǎn)向作用逐漸向上游位置移動，同時與后一時段的臨底區(qū)域流體形成空間相向分層排列，通過兩層水體之間逆向流動的相向作用形成強烈剪切作用。剪切消能可以極大地增強水體紊動強度，極大地增大能量的耗散，從而很大程度上提高了消力池的消能效率。
[0011]從泄水建筑物下泄的高速水流在內(nèi)凹尾坎內(nèi)產(chǎn)生十分激烈的逆時針旋滾，并在其表面形成流速較高的回流，可以與上游表層來流形成相向?qū)_，從而加劇水體的紊動，增強消能效率；同時通過表面強烈旋滾的強卷吸作用大量摻入空氣，增大水體空間體積，增大能量耗散。
[0012]反弧曲面的弧度Θ越大回溯水體與高速底流相向角度越小，其提供的反向力沿縱向的分量就越大，第二共軛水深就越淺，消能率越高，從而需要的下游水深就越淺；但是過大的弧度Θ會出現(xiàn)較大的懸臂結(jié)構(gòu)，于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定不利；反之，如果下游水深相對較大時，為實現(xiàn)躍后水流與下游水深的平順銜接，弧度Θ可適當(dāng)減小。一般來說反弧曲面的弧度Θ可取110°至140°之間。
[0013]內(nèi)凹式尾坎的高度H為反弧曲面的高度加鉛直段的厚度h，即H = (l-cos0)R+h,h為反弧曲面上部端點至尾坎最高位置距離，內(nèi)凹式尾坎的高度H的主要控制因素為反弧曲面半徑R值的選取，半徑R的選取可通過在使用具有直面迎水坡尾坎情況下，利用常規(guī)水力計算方法得出一個尾坎高度z，然后進(jìn)行一定的折算，得到R = (0.3?0.4) z ;同時為保證尾坎內(nèi)部水流能夠?qū)崿F(xiàn)順利的向上游回溯的目的，其反弧曲面的高度應(yīng)至少大于兩倍臨底高速水流厚度h。，即(Ι-cos Θ ) R>2hc0
[0014]鉛直段的主要作用為調(diào)整水流流態(tài)避免如果僅單獨設(shè)置反弧區(qū)段而可能出現(xiàn)的水體脫壁現(xiàn)象，同時在一定程度上增加尾坎壓重，其值不宜過大，大小為0.5至1.0m。
[0015]本發(fā)明的有益效果在于，通過利用內(nèi)凹式尾坎消力池，給高速下泄的臨底水流提供了一個反向作用力，從而極大地縮短了消力池開挖深度以及尾坎高度。既有效增大了能量耗散效率，又較大幅度地減小了消力池建造規(guī)模，節(jié)省了工程投資。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1所示為傳統(tǒng)尾坎消力池結(jié)構(gòu)意圖；
[0017]圖2所示為本發(fā)明實施內(nèi)凹式尾坎消力池結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3所示為傳統(tǒng)消力池典型流態(tài)示意圖；
[0019]圖4所示為本發(fā)明實施例內(nèi)凹式尾坎消力池典型流態(tài)示意圖。
[0020]圖5所示為本發(fā)明實施例內(nèi)凹式尾坎各參變量示意圖。

【具體實施方式】
[0021]下文將結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例。應(yīng)當(dāng)注意的是，下述實施例中描述的方法特征或者方法特征的組合不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是孤立的，它們可以被相互組合從而達(dá)到更好的方法效果。在下述實施例的附圖中，各附圖所出現(xiàn)的相同標(biāo)號代表相同的特征或者部件，可應(yīng)用于不同實施例中。
[0022]下面結(jié)合圖1，圖2對本發(fā)明內(nèi)凹式尾坎的結(jié)構(gòu)示意圖做進(jìn)一步說明:
[0023]一種內(nèi)凹式尾坎消力池，是在如圖1所示的傳統(tǒng)消力池尾坎5的位置，將尾坎I迎水面以一定半徑從尾坎I與消力池底2接縫處開始設(shè)置成一反弧曲面3，反弧曲面3上端為鉛直段4,如圖2所示；
[0024]所述反弧曲面3可以是圓弧曲面或橢圓曲面。
[0025]下面結(jié)合圖3和圖4對本發(fā)明內(nèi)凹式尾坎的消能原理做進(jìn)一步說明:
[0026]反弧曲面3可以使從壩面下泄的高速臨底水流經(jīng)過該曲面實現(xiàn)流速的反轉(zhuǎn)，從而給高速下泄的臨底水流提供了一個反向作用力，其流態(tài)圖如圖4所示，根據(jù)動量定理可知，其可以有效縮短消力池長度與深度。
[0027]如圖3和4所示參變量，根據(jù)動量定理可計算得出水躍方程-^-r + A^hr =氣,+ A 2h Λ 或者=/(Ilc)H ，式中h。"為水躍躍前斷面水深，
,g^ 2 " P%P%
即收縮斷面水深；h。"為第二共軛水深；F為回溯水體提供反向作用力)，而無反向力時水躍方程為JOi1) =j(h2)并且有無反向力時流量以及躍前水深均相同，故而j(h。" ) =JOO
PP
=J (h2),于是 J(I1e) = J(I1c)--= Ah )-—，從而 J(h"。)< J(h2),而根據(jù)水躍函數(shù)曲
PgPg
線的特性可知道，水躍函數(shù)隨著躍后水深的減小而減小，即h"。< h2，也就是說由于回溯水流施加的反向作用力可以使得躍后水深減小，并且一定程度上降低了尾坎I的高度，使得出池水流能夠與下游河道即使是較淺的水深也能實現(xiàn)良好的銜接；
[0028]內(nèi)凹尾坎I由于反弧曲面3的緣故，可以實現(xiàn)高速下泄的水流急速轉(zhuǎn)向并向上游位置溯流的目的。前一時段的水體經(jīng)過內(nèi)凹式尾坎I的空間轉(zhuǎn)向作用逐漸向上游位置移動，同時與后一時段的臨底區(qū)域流體形成空間相向分層排列，通過兩層水體之間逆向流動的相向作用形成強烈剪切作用。一般地，水躍的消能率相對較低，理想情況下約為60?70%，有時甚至更小，而根據(jù)一般挑流消能機理我們可以知道，剪切消能可以極大地增強水體紊動強度，極大地增大能量的耗散，從而很大程度上提高了消力池的消能效率；
[0029]從泄水建筑物下泄的高速水流在內(nèi)凹尾坎I內(nèi)產(chǎn)生十分激烈的逆時針旋滾，并在其表面形成流速較高的回流，可以與上游表層來流形成相向?qū)_，從而加劇水體的紊動，增強消能效率；同時通過表面強烈旋滾的強卷吸作用大量摻入空氣，增大水體空間體積，增大能量耗散。
[0030]下面結(jié)合圖5說明內(nèi)凹式尾坎各參變量的選取:
[0031]反弧曲面3弧度Θ選取原則:反弧曲面3的弧度Θ越大回溯水體與高速底流相向角度越小，其提供的反向力沿縱向的分量就越大，第二共軛水深就越淺，消能率越高，從而需要的下游水深就越淺；但是過大的弧度Θ會出現(xiàn)較大的懸臂結(jié)構(gòu)，于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定不利；反之，如果下游水深相對較大時，為實現(xiàn)躍后水流與下游水深的平順銜接，弧度Θ可適當(dāng)減小。一般來說，反弧曲面的弧度Θ為110°至140°。原則上，下游水深較小時，0可取較大值，下游水深較大時，Θ可取較小值；
[0032]內(nèi)凹式尾坎I的高度H為反弧曲面3的高度加鉛直段4的厚度h，即H = (Ι-cos Θ )R+h，h為反弧曲面3上部端點至尾坎I最高位置距離，內(nèi)凹式尾坎I的高度H的主要控制因素為反弧曲面3半徑R值的選取，半徑R的選取可通過在使用具有直面迎水坡尾坎情況下，利用常規(guī)水力計算方法得出一個尾坎高度z，然后進(jìn)行一定的折算，得到R = (0.3?0.4)z ;同時為保證尾坎I內(nèi)部水流能夠?qū)崿F(xiàn)順利的向上游回溯的目的，其反弧曲面3的高度應(yīng)至少大于兩倍臨底高速水流厚度h。，即(Ι-cos Θ )R>2h。；
[0033]鉛直段4的厚度h的主要作用為調(diào)整水流流態(tài)避免如果僅單獨設(shè)置反弧區(qū)段而可能出現(xiàn)的水體脫壁現(xiàn)象，同時在一定程度上增加尾坎I壓重，其值不宜過大，大小為0.5至
1.0m0
[0034]本文雖然已經(jīng)給出了本發(fā)明的一些實施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明精神的情況下，可以對本文的實施例進(jìn)行改變。上述實施例只是示例性的，不應(yīng)以本文的實施例作為本發(fā)明權(quán)利范圍的限定。
【權(quán)利要求】
1.一種內(nèi)凹式尾坎消力池，包括底板和尾坎，其特征在于，將尾坎迎水面以一定半徑從尾坎與消力池底板接縫處開始設(shè)置成一反弧曲面。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)凹式尾坎消力池，其特征在于，所述反弧曲面為圓弧曲面。
3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)凹式尾坎消力池，其特征在于，所述反弧曲面為橢圓曲面。
4.如權(quán)利要求2或3所述的內(nèi)凹式尾坎消力池，其特征在于，所述的反弧曲面的弧度為110。至 140。。
5.如權(quán)利要求4所述的內(nèi)凹式尾坎消力池，其特征在于，所述的反弧曲面的半徑等于直面迎水坡尾坎高度的0.3至0.4倍。
6.如權(quán)利要求5所述的內(nèi)凹式尾坎消力池，其特征在于，所述反弧曲面的高度至少高于兩倍臨底高速水流厚度。
7.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)凹式尾坎消力池，其特征在于，所述反弧曲面上端的鉛直段的厚度為0.5至1.0m0
【文檔編號】E02B8/06GK104264640SQ201410528167
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】鄧軍, 劉 文, 田忠, 張法星, 許唯臨, 劉善均, 張建民, 王韋, 曲景學(xué), 周茂林 申請人:四川大學(xué)