一种山体水流消能的水工隧洞结构的制作方法

本实用新型属于水利水电工程中山体水工隧洞消能技术领域，具体涉及一种山体水流消能的水工隧洞结构。

背景技术：

水利工程中，在山体水工隧洞常用于泄水。由于山体上下游水位势能差较大，隧洞中宣泄出来水流流速很大，不可避免的对下游河床产生冲刷破坏，工程中通常采取必要的措施以消除宣泄水流的部分能量，降低危害。以往的措施是通过在水流出流部位采取工程措施，为消能池、跌坎、消能戽斗、挑流鼻坎结合冲刷坑这四种工程措施消能。其他的方式还有，通过采取螺旋阶梯式的方式延长隧洞长度达到增大水流沿程的能量损失，以消除部分水流余能；以及在山体内部修建两条独立的水工隧洞路线，在出流之后相互冲击，以达到消能的目的。这两种方式，由于隧洞较长，其工程量和工程成本相对较大，对山体的安全稳定也会产生安全隐患。同时，以上的方法均只采用了一次消能的方法，为了达到理想的消能效果，需要采取大量的工程措施，增加了工程量和投入成本。

技术实现要素：

针对以上问题所存在的不足，本实用新型提供一种山体水流消能的水工隧洞结构，通过对山体水流的进行两次消能，达到既定的消能目的，且所述两次消能不包括水体发散在空气中消散的较小能量。通过两次消能，实现水流在不同流向上的消能：第一次消能通过采取合适的出流方向，实现水流对冲消能，主要是在铅直方向上减小水流流速，消除一部分能量；第二次通过在河道下游修建冲刷坑消能，主要是在水平方向上减小水流流速，实现第二次消能。这样，可以适当的减小消能防冲措施的工程量，节省经济成本。

本实用新型的第一目的是提供一种山体水流消能的水工隧洞结构，具体的方案如下：

一种山体水流消能的水工隧洞结构，包括沿水流方向设置在山体上的隧洞入流孔和设置在山体内且与所述的隧洞入流孔连通的主隧洞，所述的主隧洞的下游设置有上、下两个分支隧洞，上分支隧洞的出口为使水流向下射流的向下倾斜坎，下分支隧洞的出口为使水流向上挑流的挑流鼻坎。

进一步的，该结构中所述的上分支隧洞的纵向截面为沿水流方向向下倾斜的直线结构。

进一步的，该结构中所述的下分支隧洞的纵向截面为沿水流方向向下倾斜的且在接近出口处呈凹陷的圆弧结构。

进一步的，该结构中所述的主隧洞的纵向截面为沿水流方向向下的倾斜的直线结构。

进一步的，该结构中在山体外的下游河道设有冲刷坑。

本实用新型的第二目的是提供一种山体水流消能方法，具体的方案如下：

一种山体水工隧洞消能方法，在水流上游端的山体较高处修建隧洞入流孔，在山体内修建与隧洞入流孔连通的主隧洞和两个分支隧洞，所述的两个分支隧洞是从主隧洞的下游分出来的两个上、下分支隧洞；上、下分支隧洞宣泄的水流在出口处分为上、下两部分，分别沿同一铅直面上不同高程两个水工隧洞宣泄出去；上部的水流从上分支隧洞斜向下射流，下部的水流从下分支隧洞挑流出去，两束高速水流在山体外交汇撞击，实现第一次消能；撞击后合成一束水流继续向下游抛射，最后跌落到下游河道的冲刷坑内，使碰撞后跌落的水流在冲刷坑内产生激烈的漩滚，并通过坑内的涌浪以及底部漩滚而获得较大的消能效果，从而进一步消散余能；最终实现两次能量的消散，最后水流以较小的流速向下游河流行进，与下游河道中正常的缓流实现相互衔接。

进一步的，该方法中，所述的上分支隧洞的出口为使水流向下射流的向下倾斜坎；下分支隧洞的出口为使水流向上挑流的挑流鼻坎；所述的向下倾斜坎和挑流鼻坎控制水流泄流方向，实现水流在交汇点冲撞消能；

进一步的，该方法中所述的上分支隧洞的纵向截面为沿水流方向向下倾斜的直线结构。

进一步的，该方法中所述的下分支隧洞的纵向截面为沿水流方向向下倾斜的且在接近出口处呈凹陷的圆弧结构。

进一步的，该方法中所述的主隧洞的纵向截面为沿水流方向向下的倾斜的直线结构。

上分支隧洞的出口修建倾斜坎，以实现宣泄水体下射流；上分支隧洞的出口修建挑流鼻坎，以实现宣泄水体斜向上挑流；上部的水流从上分支隧洞斜向下射流，下部的水流从下分支隧洞挑流出去，两束高速水流在山体外交汇撞击，实现第一次消能；交汇流点抛射的水流跌落到位于下游河道的流消冲刷坑内，并在坑内形成涌浪以及底部漩滚水流区进一步消散余能，实现第二次消能。

实施本实用新型的技术方案，至少有以下有益效果：

通过将主隧洞分为上分支隧洞和下分支隧洞形成宣泄水流相互撞击首先实现一部分能量的消除，减小了在河道下游修建消能措施的工程量，改变了一般在下游河道修建消能工程的单一措施；对于少数采用在山体内分开修建两条隧洞以实现水流冲撞消能的工程，本实用新型可有效减少开挖量，对山体稳定性影响小。综合来说，本技术方案可以减小对于河床的冲刷，增大消能效果，降低流速，既满足消能防冲的要求，同时施工方便且经济。

附图说明

结合附图以及实施例对本实用新型进一步说明。

图1为一种山体水工隧洞消能方法及结构纵剖面示意图；

图2为上分支隧道碰撞前流速矢量示意图；

图3为下分支隧道碰撞前流速矢量示意图；

图4为水流碰撞后流速矢量示意图；

图5为倾斜坎的示意图；

图6为挑流鼻坎的示意图；

其中：1主隧洞，2上分支隧洞，3下分支隧洞，4交汇点，5消能冲刷坑，6山体，7上游河道，8下游河道，21倾斜坎，31挑流鼻坎。

具体实施方式

为了使本实用新型的技术特征、目的和效果更加清晰的理解，现对照附图对本实用新型的具体实施方式详细说明。

如图1所示，山体水流消能的水工隧洞结构，包括沿水流方向设置在山体6上的隧洞入流孔和设置在山体内且与所述的隧洞入流孔连通的主隧洞1，所述的主隧洞1的下游设置有上、下两个分支隧洞，上分支隧洞2的出口为使水流向下射流的向下倾斜坎21，下分支隧洞3的出口为使水流向上射流的挑流鼻坎31。向下倾斜坎21和挑流鼻坎31控制水流泄流方向，实现水流在交汇点4冲撞消能；实现第一次消能；撞击后合成一束水流继续向下游抛射，最后跌落到下游河道的冲刷坑内，并在坑内形成涌浪以及底部漩滚水流区进一步消散余能；最终实现两次能量的消散，最后水流以较小的流速向下游河流行进，与下游河道中正常的缓流实现相互衔接。

进一步的，该结构中所述的上分支隧洞2的纵向截面为沿水流方向向下倾斜的直线结构。

进一步的，该结构中所述的下分支隧洞3的纵向截面为沿水流方向向下倾斜的且在接近出口处呈凹陷的圆弧结构。

进一步的，该结构中所述的主隧洞1的纵向截面为沿水流方向向下倾斜的直线结构，也可以出现部分弯曲，只要不影响水流向下流动即可。

进一步的，该结构中在山体外的下游河道8设有冲刷坑。

具体的消能方法如下：

本实用新型上游河道7水流通过山体6内部的主隧洞1以及分支的上分支隧洞2和下分支隧洞3宣泄的水流在出口分为上下两部分，两束水流沿同一铅直面上不同高程的上分支隧洞2和下分支隧洞3宣泄出去；上部的水流从上分支隧洞2斜向下射流，下部的水流从下分支隧洞3挑流出去；高速水流在岩体外汇点4撞击，实现第一次消能；撞击后合成一束水流向下游抛射，最后跌落到下游河道的冲刷坑5内，并在坑内形成涌浪以及底部漩滚水流区进一步消散余能。最终实现两次能量的消散，两次消能后的水流以较小的流速向下游河流行进，实现与下游河道8中正常的缓流相互衔接。

该方法中，所述的上分支隧洞的出口为使水流向下射流的向下倾斜坎21；下分支隧洞的出口为使水流向上射流的挑流鼻坎31；所述的向下倾斜坎和挑流鼻坎控制水流泄流方向，实现水流在交汇点冲撞消能；

倾斜坎21和挑流鼻坎31控制水流泄流方向，实现水流在交汇点冲撞消能；

如图5所示，上分支隧洞2出口修建倾斜坎21，与水平线夹角为γ₁，以实现宣泄水体下射流；

如图6所示，下分支隧洞3出口修建挑流鼻坎31，与水平线夹角为γ₂，以实现宣泄水体斜向上挑流；

如图2、3、4所示，上分支隧洞2和下分支隧洞3于汇流点4相会撞击，实现第一次消能，根据动量守恒定律和能量定理，推导出消除能量为：

其中，ΔE为第一次碰撞消除能量，m₁为隧洞1出流质量，m₂为上分支隧洞2出流质量，v₁为主隧洞1水流碰撞前流速，v₂为上分支隧洞2流碰撞前流速，α为主隧洞1出流水流与水平线的夹角，β为上分支隧洞2流水流与水平线的夹角；

所述一种山体水工隧洞消能方法及结构，其特征在于汇流点4抛射的水流跌落到位于下游河道8的流消冲刷坑5内，并在坑内形成涌浪以及底部漩滚水流区进一步消散余能。

本实用新型附图中的上分支隧洞2和下分支隧洞3是从主隧洞的同一节点同时分支出来的两个分支隧洞，保证上分支隧洞2的出口为使水流向下射流的向下倾斜坎21，下分支隧洞3的出口为使水流向上挑流的挑流鼻坎31即可。

需要说明的是，该实施例仅为该消能方式的示意图，具体的主隧洞的长度与直径，分流隧洞的长度、坡度、直径，应根据具体的工程的实际情况采取模型试验确定。

所述仅为本实用新型的优选实施例而已，对于本技术领域的专业人员，可以对本实用新型进行修改，优化，以及与其他消能方式组合。只要在本实用新型消能的原理之内，进行的任何改进，等同替换等，均应包含在本实用新型的权利要求的范围以内。