本發(fā)明屬于水利水電工程泄水設(shè)施領(lǐng)域，特別涉及一種適用于高弗勞德數(shù)(即Fr≥4.70)下的轉(zhuǎn)彎溢洪道。

背景技術(shù)：

溢洪道作為一種泄水設(shè)施普遍存在于水利樞紐工程中，岸邊式溢洪道是較主要的布置形式。在工程實(shí)踐中，常因地質(zhì)、地形、工程投資和樞紐整體布置等條件的限制，溢洪道在平面布置上不得不偏轉(zhuǎn)一個角度，布置成曲線型彎道的形式。溢洪道在面臨下泄流量較大且流速較高的水流時，弗勞德數(shù)Fr較高，當(dāng)Fr≥4.70時，溢洪道內(nèi)的水流經(jīng)過彎道段會受到邊墻的偏轉(zhuǎn)影響產(chǎn)生沖擊波，在彎道和彎道下游流道內(nèi)形成折沖水流、菱形沖擊波等不利流態(tài)。如不采取工程措施，彎道段的沖擊水流可能撞沖出泄槽并淘刷兩側(cè)岸體，從而影響溢洪道的運(yùn)行安全。因此，根據(jù)彎道急流沖擊波的水力特性研究彎道急流沖擊波的控制方法及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，對于新建和改、擴(kuò)建彎曲溢洪道的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

現(xiàn)有彎道控制方法及在溢洪道中相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括：渠底超高法、復(fù)合曲線法、導(dǎo)向翼法等。這些方法在不同的實(shí)際工程中均發(fā)揮了自身特性，取得了調(diào)節(jié)流態(tài)的效果，但各自存在一些問題。渠底超高法是將溢洪道泄槽底板設(shè)置成具有一定橫向坡度的斜底板，從而對水流施加向心的側(cè)力，使水流自由轉(zhuǎn)向，但該方法適用的流量范圍較小，超過其橫向坡度對應(yīng)的流量范圍后則無法得到平衡，且高流速條件下彎道后的銜接段易出現(xiàn)負(fù)壓，發(fā)生空蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)性較高，并且彎道段后仍會出現(xiàn)折沖水流，橫向斷面上流速分布不均且流速并未降低，給出口消能工布置帶來困難。復(fù)合曲線法適用的流量范圍也較小，且在高弗勞德數(shù)條件下難以運(yùn)用。導(dǎo)向翼法通常運(yùn)用于低弗勞德數(shù)和大轉(zhuǎn)彎半徑條件下，在高流速和高弗勞德數(shù)條件下，干擾建筑物結(jié)構(gòu)本身，易發(fā)生空蝕破壞，難以成功運(yùn)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于高弗勞德數(shù)下的轉(zhuǎn)彎溢洪道，以避免高弗勞德數(shù)下溢洪道的弧形轉(zhuǎn)彎段產(chǎn)生急流沖擊波，使水流在彎道及其下游平穩(wěn)泄流，保障溢洪道的安全運(yùn)行。

本發(fā)明所述適用于高弗勞德數(shù)下的轉(zhuǎn)彎溢洪道，從上游至下游依次由進(jìn)水段、控制段、泄槽、消能段銜接組成，所述泄槽從上游至下游依次為上游直線段、上游直線銜接段、弧形轉(zhuǎn)彎段、下游直線銜接段和下游直線段，所述上游直線銜接段、弧形轉(zhuǎn)彎段和下游直線銜接段的底板均為沿水流方向設(shè)置有多級階梯的底板；弧形轉(zhuǎn)彎段底板的每級階梯的梯面為斜面，朝著弧形轉(zhuǎn)彎段的圓心一側(cè)傾斜，且每級階梯傾斜的坡度相同；上游直線銜接段底板的每級階梯的梯面為斜面，朝著弧形轉(zhuǎn)彎段的圓心一側(cè)傾斜，且階梯傾斜的坡度從上游第一級階梯至下游最后一級階梯均勻增大至與弧形轉(zhuǎn)彎段底板的階梯坡度相同；下游直線銜接段底板的每級階梯的梯面為斜面，朝著弧形轉(zhuǎn)彎段的圓心一側(cè)傾斜，且階梯傾斜的坡度從上游第一級階梯至下游最后一級階梯均勻減小至與下游直線段的平直底板銜接。

上述適用于高弗勞德數(shù)下的轉(zhuǎn)彎溢洪道，所述弧形轉(zhuǎn)彎段底板的階梯梯面的坡度為0.20～0.45，所述上游直線銜接段底板的階梯梯面的坡度由0.04～0.10均勻增大至與弧形轉(zhuǎn)彎段底板的階梯梯面坡度相同，所述下游直線銜接段底板的階梯梯面的坡度由弧形轉(zhuǎn)彎段底板的階梯梯面坡度均勻減小至0～0.10與下游直線段的平直底板銜接。所述弧形轉(zhuǎn)彎段底板的階梯梯面的坡度優(yōu)選0.30，所述上游直線銜接段底板的階梯梯面的坡度優(yōu)選由0.05均勻增大至0.30，所述下游直線銜接段底板的階梯梯面的坡度優(yōu)選由0.30均勻減小至0。

上述適用于高弗勞德數(shù)下的轉(zhuǎn)彎溢洪道，所述上游直線段的下游端設(shè)置有摻氣減蝕設(shè)施。所述摻氣設(shè)施由挑坎和緊鄰挑坎末端并位于挑坎兩側(cè)的兩個通氣孔組成。

本發(fā)明所述適用于高弗勞德數(shù)下的轉(zhuǎn)彎溢洪道，其上游直線銜接段、弧形轉(zhuǎn)彎段、下游直線銜接段的階梯尺寸可依據(jù)溢洪道單寬流量來設(shè)計(jì)，應(yīng)保證在設(shè)計(jì)流量下可形成穩(wěn)定流態(tài)，且具有較高的消能率。所述上游直線銜接段、下游直線銜接段的長度可根據(jù)臨界水深、階梯高度和彎道橫向坡降等因素設(shè)計(jì)。

本發(fā)明所述轉(zhuǎn)彎溢洪道運(yùn)行時，在弧形轉(zhuǎn)彎段傾斜階梯底板的作用下，水流的重力分量增加了側(cè)向力，因而可抵消高流速下離心力的影響，保證水流的平衡；階梯相當(dāng)于水流中的突體，水流通過時產(chǎn)生漩滾、水流內(nèi)部紊動剪切、水流與階梯臺階之間的碰撞和水氣之間的動量交換消散能量，使弧形彎道內(nèi)水流速度明顯降低且較為恒定；上下游直線銜接段階梯的設(shè)置，縮短了水流橫向流速分布的調(diào)整距離，減小和避免了溢洪道內(nèi)非對稱水流對下游消能設(shè)施的影響；在上游直線段的下游端設(shè)置的摻氣減蝕設(shè)施，避免了溢洪道前幾級階梯因摻氣不充分而發(fā)生空蝕破壞。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明所述轉(zhuǎn)彎溢洪道，由于弧形轉(zhuǎn)彎段的底板為沿水流方向設(shè)置有多級階梯的底板，且每級階梯的梯面為斜面，朝著弧形轉(zhuǎn)彎段的圓心一側(cè)傾斜，因而在階梯水流的強(qiáng)紊動和局部超高的側(cè)向力共同作用下，水流橫斷面流速和水深均能保持均勻分布，避免了弧形轉(zhuǎn)彎段產(chǎn)生急流沖擊波，使水流在高弗勞德數(shù)下也能在彎道內(nèi)平穩(wěn)過渡，保證溢洪道安全運(yùn)行。

2、本發(fā)明所述轉(zhuǎn)彎溢洪道設(shè)置有上游直線銜接段和下游直線銜接段，并且上游直線銜接段和下游直線銜接段的底板設(shè)置有朝著弧形轉(zhuǎn)彎段的圓心一側(cè)傾斜的階梯，因而可使水流流態(tài)平穩(wěn)過渡，避免了弧形轉(zhuǎn)彎段后折沖水流的出現(xiàn)及發(fā)生空蝕破壞，并能顯著縮短弧形轉(zhuǎn)彎段后水流流態(tài)調(diào)整的距離。

3、本發(fā)明所述轉(zhuǎn)彎溢洪道，階梯上的滑移水流經(jīng)過一定距離后，在階梯的消能作用下水流基本達(dá)到均勻流，沿程流速不再增加，此時水流流速明顯降低，水流平穩(wěn)流過弧形轉(zhuǎn)彎段，有利于減小弧形轉(zhuǎn)彎段對階梯坡度的要求，有利于消力池規(guī)模的減小，從而減小施工難度并降低工程造價(jià)。

4、由于本發(fā)明所述轉(zhuǎn)彎溢洪道在上游直線段的下游端設(shè)置有摻氣減蝕設(shè)施，因而避免了上游直線銜接段前幾級階梯發(fā)生空蝕，增加了階梯溢洪道的應(yīng)用單寬流量。

5、本發(fā)明所述轉(zhuǎn)彎溢洪道結(jié)構(gòu)簡單，易于施工。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述適用于高弗勞德數(shù)下的轉(zhuǎn)彎溢洪道的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的俯視圖(轉(zhuǎn)彎溢洪道的平面布置圖)；

圖3是本發(fā)明所述適用于高弗勞德數(shù)下的轉(zhuǎn)彎溢洪道中泄槽的平面布置圖；

圖4是圖1中弧形轉(zhuǎn)彎段處的A-A的剖面圖；

圖5是圖1中上游直線銜接段處的B-B剖面圖；

圖6是圖1中下游直線銜接段處的C-C剖面圖；

圖7是本發(fā)明所述適用于高弗勞德數(shù)下的轉(zhuǎn)彎溢洪道中摻氣設(shè)施的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是實(shí)施例中的轉(zhuǎn)彎溢洪道在消能防沖流量下弧形轉(zhuǎn)彎段的流速分布矢量圖；

圖9是實(shí)施例中的轉(zhuǎn)彎溢洪道在設(shè)計(jì)流量下弧形轉(zhuǎn)彎段的流速分布矢量圖；

圖10是實(shí)施例中的轉(zhuǎn)彎溢洪道在校核流量下弧形轉(zhuǎn)彎段的流速分布矢量圖；

圖11是實(shí)施例中的轉(zhuǎn)彎溢洪道在消能防沖、設(shè)計(jì)和校核流量下弧形轉(zhuǎn)彎段的橫斷面水面線分布圖。

圖中，1—上游直線段，2—上游直線銜接段，3—弧形轉(zhuǎn)彎段，4—下游直線銜接段，5—下游直線段，6—進(jìn)水段，7—控制段，8—消能段，9—摻氣減蝕設(shè)施，9-1—摻氣挑坎，9-2—通氣孔，α—弧形轉(zhuǎn)彎段底板與水平面的夾角，β—上游直線銜接段底板與與水平面的夾角，γ—下游直線銜接段底板與與水平面的夾角。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖通過實(shí)施例對本發(fā)明所述適用于高弗勞德數(shù)下的轉(zhuǎn)彎溢洪道做進(jìn)一步說明。

實(shí)施例

本實(shí)施例中，以城鄉(xiāng)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪等綜合效益的中型水利工程設(shè)計(jì)和制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，所述中型水利工程為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，水庫總庫容1113萬m³。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、取水建筑物和上壩公路工程組成。水庫正常蓄水位為517.00m，設(shè)計(jì)洪水位517.00m，校核洪水位518.31m，最大壩高72.10m，壩頂寬度8.00m，壩軸線長142.95m。溢洪道緊靠大壩右壩端，采用底流消能形式，溢洪道軸線全長333.76m，從上游至下游依次由進(jìn)水段、控制段、泄槽、消能段銜接組成，其中，控制段采用有閘控制正堰，堰頂高程511m，設(shè)兩孔6m×6.5m平板閘，閘墩頂部尾部設(shè)交通橋，泄槽全長212.74m，寬度為10m，底板縱向坡度為1:3.5，泄槽所含弧形轉(zhuǎn)彎段的轉(zhuǎn)彎半徑為150m，轉(zhuǎn)彎角度為33.85°。消力池底板高程444.00m，消力池后接泄洪渠，將洪水排泄至下游河道。溢洪道消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水，相應(yīng)下泄流量為272m³/s；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水，下泄流量為304.0m³/s，相應(yīng)上游庫水位為517.00m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇洪水，下泄流量為448.0m³/s，校核洪水位為518.36m。

本實(shí)施例所述轉(zhuǎn)彎溢洪道試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，從上游至下游依次由進(jìn)水段6、控制段7、泄槽、消能段8銜接組成；所述泄槽如圖3所示，從上游至下游依次為上游直線段1、上游直線銜接段2、弧形轉(zhuǎn)彎段3、下游直線銜接段4和下游直線段5；所述上游直線銜接段、弧形轉(zhuǎn)彎段和下游直線銜接段的底板均為沿水流方向設(shè)置有多級階梯的底板，弧形轉(zhuǎn)彎段3的底板設(shè)有17級階梯，上游直線銜接段2的底板設(shè)有5級階梯，下游直線銜接段4的底板設(shè)有6級階梯，階梯高度按照局部超高方案測得的斷面水深，兼顧施工難度進(jìn)行設(shè)計(jì)；弧形轉(zhuǎn)彎段3底板的每級階梯的梯面為斜面，朝著弧形轉(zhuǎn)彎段的圓心一側(cè)傾斜(見圖3、圖4)，每級階梯高度均為1.5m，每級階梯梯面的坡度均為0.30；上游直線銜接段2底板的每級階梯的梯面為斜面，朝著弧形轉(zhuǎn)彎段的圓心一側(cè)傾斜(見圖3、圖5)，5級階梯梯面的坡度由0.05逐級均勻增至0.30；下游直線銜接段4底板的每級階梯的梯面為斜面，朝著弧形轉(zhuǎn)彎段的圓心一側(cè)傾斜(見圖3、圖6)，6級階梯梯面的坡度由0.30逐級均勻減小至0與下游直線段5的平直底板銜接。上游直線銜接段2、弧形轉(zhuǎn)彎段3和下游直線銜接段4底板的各級階梯在溢洪道中線位置處的長度均為5.25m。

為避免上游直線銜接段2底板的前幾級階梯因摻氣不充分而發(fā)生空蝕破壞，在上游直線段1下游端設(shè)置有摻氣減蝕設(shè)施9，所述摻氣設(shè)施由挑坎9-1和緊鄰挑坎末端并位于挑坎兩側(cè)的兩個通氣孔9-2組成(見圖7)，挑坎9-1末端距上游直線段1起始處50m處，挑坎的高度為0.5m、坡度為0.1，通氣孔9-2的橫截面尺寸為1m×1m。

進(jìn)行試驗(yàn)時，分別以消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)(下泄流量為272m³/s)、設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)(下泄流量為304.0m³/s)、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)(下泄流量為448.0m³/s)的水流下泄流量通過轉(zhuǎn)彎溢洪道試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

試驗(yàn)結(jié)果：弧形轉(zhuǎn)彎段的流速分布見圖8、圖9、圖10，從圖8-10可以看出，水流橫斷面流速分布均勻，且經(jīng)過一定距離后沿程流速不再增加，在消能防沖流量下，弧形轉(zhuǎn)彎段流速值穩(wěn)定在15～19m/s；在設(shè)計(jì)流量下，弧形轉(zhuǎn)彎段流速值穩(wěn)定在16～21m/s，在校核流量下，弧形轉(zhuǎn)彎段流速值穩(wěn)定在17～23m/s?；⌒无D(zhuǎn)彎段的橫斷面水面線分布見圖11，從圖11可以看出，在不同流量下階梯橫向斷面水深分布均勻，水面線與泄槽底板近于平行，未發(fā)生折沖水流現(xiàn)象。下游直線銜接段未出現(xiàn)負(fù)壓，水流平穩(wěn)，下游直線銜接段末端階梯處于消力池水躍紊動區(qū)內(nèi)，加劇躍首段紊動，消能效果良好。

對比例1

本對比例的工程概況和設(shè)計(jì)流量與實(shí)施例相同。

本對比例中的轉(zhuǎn)彎溢洪道模型為傳統(tǒng)平底板溢洪道模型，即整個泄槽的底板為平底板，弧形轉(zhuǎn)彎段底板的橫截面坡度為0。

進(jìn)行試驗(yàn)時，分別以消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)(下泄流量為272m³/s)、設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)(下泄流量為304.0m³/s)、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)(下泄流量為448.0m³/s)的水流下泄流量通過平底板轉(zhuǎn)彎溢洪道試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

試驗(yàn)結(jié)果：弧形轉(zhuǎn)彎段起始橫截面處的水流速度在消能防沖流量、設(shè)計(jì)流量和校核流量時分別為23.47m/s、24.13m/s、25.69m/s，弧形轉(zhuǎn)彎段產(chǎn)生彎道急流，造成溢洪道泄槽中形成折沖水流等較差流態(tài)，弧形轉(zhuǎn)彎段內(nèi)橫斷面水深比降大，甚至彎道內(nèi)側(cè)出現(xiàn)明顯無水區(qū)；弧形轉(zhuǎn)彎段后水流在消能防沖流量時的流速為27.07m/s，設(shè)計(jì)流量時為31.64m/s，校核流量時為35.21m/s，流速過大，水流折沖嚴(yán)重，導(dǎo)致消力池內(nèi)發(fā)生較高程度的遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，消能不充分。

對比例2

本對比例的工程概況和設(shè)計(jì)流量與實(shí)施例相同。

本對比例中的轉(zhuǎn)彎溢洪道模型按現(xiàn)有渠底超高法設(shè)計(jì)，弧形轉(zhuǎn)彎段的底板的橫向坡度為0.35，弧形轉(zhuǎn)彎段上游通過上游銜接段與上游直線段銜接，弧形轉(zhuǎn)彎段下游通過下游銜接段與下游直線段銜接，所述上游銜接段底板的橫向坡度從上游至下游由0光滑漸變至0.35與弧形轉(zhuǎn)彎段上游銜接，下游銜接段底板的橫向坡度從上游至下游由0.35光滑漸變至0與下游直線段的平直底板銜接。

進(jìn)行試驗(yàn)時，分別以消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)(下泄流量為272m³/s)、設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)(下泄流量為304.0m³/s)、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)(下泄流量為448.0m³/s)的水流下泄流量通過渠底超高法轉(zhuǎn)彎溢洪道試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

試驗(yàn)結(jié)果：消能防沖和設(shè)計(jì)流量下彎道內(nèi)基本未發(fā)生折沖水流現(xiàn)象，但當(dāng)流量增大至校核流量時，弧形轉(zhuǎn)彎段橫斷面流速、水深分布不勻，大流量下未能達(dá)到預(yù)期的平衡狀態(tài)?；⌒无D(zhuǎn)彎段后銜接處出現(xiàn)負(fù)壓，以設(shè)計(jì)流量為例，此處最大負(fù)壓為-2.5m(×9.8KPa)，此時的水流流速為31.64m/s，對應(yīng)此處的水流空化數(shù)為0.19，極易發(fā)生空蝕破壞?；⌒无D(zhuǎn)彎段后水流流速值與對比例1中相近，仍有折沖水流的出現(xiàn)，消力池仍未有效消能。