[發明專利]一種變角度挑坎及百葉窗式消力池尾坎聯合消能結構及其使用方法

有效

• 申請號: 201710913859.5
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107724347B
• 公開（公告）日: 2020-02-07
• 發明（設計）人: 楊具瑞;湯建青;郭瑩瑩
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: E02B8/06
• 分類號: E02B8/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種變角度挑坎及百葉窗式消力池尾坎聯合消能結構及其使用方法，本發明寬尾墩墩尾連接挑坎首部，挑坎尾部與階梯溢流壩的首級臺階相連，消力池尾坎的迎水面與背水面為百葉窗式，挑坎為變角度挑坎。本發明通過對挑坎角度以及百葉窗式消力池尾坎迎水與背水面的葉片開度這兩個方面的優化，第一，各級流量的消能率都有很大程度的提升，盡管臺階后負壓略大，但仍在規范內；第二，可以增大底部階梯的摻氣濃度，通過前置挑坎保護前幾級階梯，抗空蝕性能明顯提高，消能效果明顯；第三，改變了消力池內的水流流態，對底板脈動荷載與消力池的消能效率有較大的提高；最后，改善了泄流時產生的霧化現象，并且使得出池水流更加平穩。

技術領域

本發明涉及一種變角度挑坎及百葉窗式消力池尾坎聯合消能結構及其使用方法，屬于水利水電工程中水工建筑物泄洪消能領域。

背景技術

在壩工設計中，泄洪和消能是泄水建筑物承擔的兩大任務，即安全宣泄多余洪水的同時嚴格控制下泄水流對壩體及下游基坑的沖刷，防止壩體破壞和壩基失穩。尤其對于高水頭、大流量泄洪工程，存在著底板臨底流速和脈動壓力較大，抗沖保護難度大，且所需消力池尺寸大，造價高等問題，因此對這種消能形式的研究和工程應用一直存在局限性。

針對傳統消能工的基礎上，引入了階梯溢流壩進行消能，結合寬尾墩和消力池，形成一體化的消能設施，這種消能形式兼有寬尾墩消能和階梯溢流壩消能的優點，它既利用階梯式溢流面進一步增進了寬尾墩的消能率，又利用寬尾墩后的無水區從水舌底部向階梯壩面通氣來避免空化和空蝕破壞，從而使階梯式溢流壩向高水頭大單寬流量方向發展。

雖然對于寬尾墩與階梯溢流壩聯合消能形式的消能機理的研究已經相對比較充分，但在高水頭、大單寬流量條件下，階梯面上水深加大，底部缺乏摻氣條件，僅僅依靠階梯的摩阻作用不能將巨大的能量消除，壩面會出現嚴重的空蝕破壞。為了減小或消除階梯面負壓，需要為水舌底部創造摻氣條件，增大摻氣空腔和摻氣濃度，從而增強減免空化空蝕的力度。為此，實際工程應用中常在寬尾墩下的WES曲面與階梯溢流壩連接處往往設置前置摻氣坎，以增加摻氣效果，改變水流特性和消能特性。

常見的摻氣坎形式分為兩種：一種是堰面與階梯溢流面相切，然后在堰面上加設一坎形成摻氣挑坎的形式，另一種是堰面末端與階梯面之間存在一定高差，直接利用這一高差形成摻氣跌坎的形式。但前置摻氣坎的這種過渡銜接方式僅僅是依靠工程設計經驗選定，這種連接方式對壩面的水流流態、摻氣特性、壓強分布、空化空蝕及消能機理等的影響和過渡連接段的合適角度并沒有一個最優的結果。

從技術角度看，由于底流消力池是通過大尺度水躍進行消能，水流紊動強烈，能量耗散主要集中在消力池前半區，該區域內消力池底板所受荷載往往比較集中，臨底流速高，初步估算，當上下游水位差高于60m時，消力池最大臨底流速即可達到30m/s以上。在高水頭大流量條件下，采用底流消力池方案，由于臨底流速與脈動壓強等水力學指標較高，容易造成消力池底板板塊的失穩破壞。其主要破壞模式為：（1）高速水流可直接誘發底板的空化空蝕破壞；（2）高速含沙水流對消力池的磨蝕發展到一定程度后出現空化空蝕破壞；（3）脈動荷載造成板塊間止水的破壞后，因高速水流動水壓力的傳遞引起板塊失穩破壞；（4）強烈的脈動荷載在瞬間直接造成板塊失穩破壞。上述四種破壞模式在國內外已建工程中均出現過，實地調研與分析研究均表明，盡管上述工程的破壞原因各不相同，但都與消力池臨底水力學指標過高有直接關系。可見，在高水頭大流量條件下采用底流消能方式，尚存在較大的技術風險。

發明內容

針對目前水工建筑物泄流消能設計當中摻氣方面的不足與壩面空化空蝕等問題，本發明提供了一種變角度挑坎及百葉窗式消力池尾坎聯合消能結構及其使用方法。

本發明的技術方案是：一種變角度挑坎及百葉窗式消力池尾坎聯合消能結構，寬尾墩1墩尾連接挑坎2首部，挑坎2尾部與階梯溢流壩3的首級臺階相連，消力池尾坎5的迎水面6與背水面7為百葉窗式，挑坎2為變角度挑坎。