[發(fā)明專利]一種擴(kuò)散型反臺階整流消能方法及消力池

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510079171.2
• 申請日: 2015-02-13
• 公開（公告）號: CN104695391A
• 公開（公告）日: 2015-06-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳時強(qiáng);王芳芳;吳修鋒;周杰;王威;戴江玉;薛萬云;吳越杰;陳惠玲
• 申請（專利權(quán)）人: 水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院;河海大學(xué)
• 主分類號: E02B8/06
• 分類號: E02B8/06
• 代理公司: 南京利豐知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 任立

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水利水電工程泄洪消能領(lǐng)域，涉及一種消能方法及消力池。

背景技術(shù)

在水利水電泄水建筑物中，泄流與下游天然河道相銜接時，必然需要消能與調(diào)整流速分布。高水頭、高Fr數(shù)（Fr數(shù)稱之為弗汝德數(shù)，是水力參數(shù)，后文簡稱為“Fr數(shù)”）泄水條件，可用挑流加水墊塘，亦可用底流、面流加消力池等措施，達(dá)到消能防沖目的。但對于低水頭、大單寬、低Fr數(shù)水流消能問題一直成為難點(diǎn)，尤其是單寬流量極大（大于300m²/s）、Fr數(shù)極低（1~2）情況下，出口消能區(qū)域受限時，水流消能難度極大。

從消能角度，無論哪種消能形式，在消能段能出現(xiàn)完整穩(wěn)定水躍，對消能極為有利。但穩(wěn)定水躍形成對來流Fr數(shù)、單寬流量、上下游水位差及變化等條件要求較高。很多情況下，尤其是低水頭、大單寬、低Fr數(shù)水流，上下游水位組合復(fù)雜多變、水躍產(chǎn)生區(qū)地形地質(zhì)條件受限，水躍產(chǎn)生形態(tài)不穩(wěn)定，甚至不能形成水躍現(xiàn)象，不能夠保證流道出口高效消能。目前，為了利用水躍消能，常采用輔助消能工（墩、坎等）及收縮擴(kuò)散等方式強(qiáng)迫水流產(chǎn)生水躍現(xiàn)象，但是，對于單寬流量極大（大于300m²/s）、Fr數(shù)極低（1~2），上下游水位差較小，下游水位較低，出口地形地質(zhì)條件受限（消能區(qū)域較短）等情況，消能難度較大，由于出口單寬流量大、流速高，難以形成水躍，消能率極低，造成下游沖刷嚴(yán)重。

臺階消能方式已在水利工程、景觀設(shè)計、河流防沙及魚道工程等領(lǐng)域得到應(yīng)用，水利工程中常在壩面、溢洪道等處采用臺階進(jìn)行消能，通過對底流加糙，增加摻氣、旋滾、碰撞，達(dá)到消能摻氣的目的，且多為正向（即每個臺階平面高程沿水流方向逐級降低）臺階。對于反臺階（即每個臺階平面高程沿水流方向逐級升高）消能方式，目前多采用單個臺階型式（如坎、墩等），用以整流或促使水躍產(chǎn)生，但是消能效果還有待提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對低水頭、大單寬流量、低Fr數(shù)水流，出口消能區(qū)域受限、來流及出流順直情況，提供一種擴(kuò)散型反臺階整流消能方法及消力池，可有效縮短消力池池長，提高消能率。

本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案：

一種擴(kuò)散型反臺階整流消能方法，其特征是在消力池的末端設(shè)置連續(xù)反臺階尾坎，，消力池兩側(cè)邊墻對稱分布且向外水平擴(kuò)散，連續(xù)反臺階尾坎由對稱且寬度隨消力池邊墻擴(kuò)散而變化的臺階組成，臺階順?biāo)鞣较蚋叱讨鸺壣撸B續(xù)反臺階尾坎與來流分層碰撞，分層消減能量，同時使水流橫向擴(kuò)散，在池內(nèi)充分摻混、紊動，可增加出池阻力，提高池內(nèi)水躍第二共軛水深，實(shí)現(xiàn)整流消能的目的。

本發(fā)明還提供了應(yīng)用上述消能方法的消力池，消力池由前端的跌坎、底部的底板、兩側(cè)的邊墻及末端的尾坎組成，其特征是所述消力池兩側(cè)邊墻對稱分布且向外水平擴(kuò)散，尾坎采用連續(xù)反臺階尾坎，由對稱且寬度隨消力池邊墻擴(kuò)散而變化的臺階組成，臺階順?biāo)鞣较蚋叱讨鸺壣摺?/p>

優(yōu)選地，所述尾坎階數(shù)為2~5階；

優(yōu)選地，所述尾坎單階高度為2~5m。（各階臺階高度可以相等，也可以不相等。）

優(yōu)選地，消力池邊墻擴(kuò)散角度為5°~15°。

優(yōu)選地，跌坎的跌落高度為1/6~1/3h，h為進(jìn)流水深。

本發(fā)明反臺階尾坎各階踏步深度可根據(jù)實(shí)際流態(tài)調(diào)整需要結(jié)合反臺階的階數(shù)及單階臺階高度綜合考慮設(shè)計。消力池兩側(cè)邊墻可以是平面的也可以是曲面的，根據(jù)實(shí)際流態(tài)調(diào)整需要決定。

本發(fā)明的擴(kuò)散型反臺階整流消能方法及消力池利用末端的連續(xù)反臺階尾坎代替?zhèn)鹘y(tǒng)尾坎體型，使水流與尾坎分層碰撞，分層消減能量，增強(qiáng)出池前水流碰撞、摻混、紊動流態(tài)，實(shí)現(xiàn)碰撞消能；邊墻橫向擴(kuò)散，減小單寬流量，均化流速分布；并在前端進(jìn)口設(shè)置跌坎增加池內(nèi)水深，使水流豎向擴(kuò)散，促使池內(nèi)形成水躍消能流態(tài)，可有效縮短池長，提高消能率，達(dá)到消能和調(diào)整流速分布的作用，使出池水流與下游水面平順銜接，減輕下游沖刷。本發(fā)明適用于低水頭、大單寬、低Fr數(shù)水流狀態(tài)，進(jìn)出流均勻，出口后河道軸線與水流同軸，遠(yuǎn)離岸邊，主流無需偏轉(zhuǎn)情況。消力池具體尺寸及體型要求與來流條件及下游水位相適應(yīng)。

附圖說明

???????圖1為平面擴(kuò)散型反臺階消力池立體圖；

圖2為平面擴(kuò)散型反臺階消力池平面圖；

圖3為曲面擴(kuò)散型反臺階消力池平面圖；

圖4為魚鱗狀“伸舌”圖；

圖5為鋸齒狀“伸舌”圖。

具體實(shí)施方式

???????實(shí)施例一