本发明涉及水工建筑物技术领域，尤其涉及一种用于水垫塘的强力返流墩二道坝以及由此组成的水垫塘。
背景技术：
混凝土大坝的泄洪大多采用坝身泄洪，这样的泄洪方式通常需要在大坝下游设置消能设施。特别是混凝土高拱坝，在大坝下游设置水垫塘作为消能设施最为常见。水垫塘一般由大坝、二道坝和两岸岸边围成，其底部为水垫塘底板。塘内一般有几米至几十米深的水体作为坝身泄洪水流的水垫和消能水体，水体深度则主要由二道坝高度决定。当泄洪水流砸入塘内水体时，塘内有一个水舌落点处的主消能漩滚区将泄洪水流的动能转换为剪切变形能以达到消能目的，剩余的部分动能会冲击二道坝并沿着二道坝并最终翻越二道坝后流向下游河道。
目前各工程通常采用的二道坝上游侧面基本上都是斜平面型式，在这种结构下，翻越二道坝处的层面水流和二道坝上游侧斜坡面的水流为同向斜交情况，也就是两股水流会发生接近于同向斜碰撞作用；而斜碰撞的消能效果不佳，因此导致目前所采用上游侧面为斜平面型的二道坝结构的消能效果不佳的问题。另外，现有的水垫塘，其水垫深度由二道坝坝高决定，并且通常情况下，坝高高度基本等于水垫塘的水垫深度，因此在设计需要特定水垫深度的情况下，需要修建对应高度的二道坝，因此其成本相对较高。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是提供一种可提高水垫塘消能效果，尤其是提高水垫塘内的二次碰撞消能效果的一种用于水垫塘的强力返流墩二道坝。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于水垫塘的强力返流墩二道坝，所述强力返流墩二道坝设置在水垫塘的下游，在强力返流墩二道坝上朝向水垫塘的一侧为上游侧面，所述上游侧面从强力返流墩二道坝的底端至强力返流墩二道坝顶端为呈内凹的弧形曲面状。
进一步的是：在强力返流墩二道坝的任一横截面上，所述呈弧形曲面状的上游侧面对应形成为呈内凹的弧形曲线，所述弧形曲线在位于强力返流墩二道坝底端一端的底端切线与该端部对应的水垫塘底板相切。
进一步的是：在强力返流墩二道坝的任一横截面上，所述弧形曲面状的上游侧面对应形成为内凹的弧形曲线，所述弧形曲线在位于强力返流墩二道坝顶端一端的顶端切线与该端部对应的水平面垂直。
进一步的是：在强力返流墩二道坝的任一横截面上，所述弧形曲面状的上游侧面对应形成为内凹的弧形曲线，所述弧形曲线呈钩状，所述弧形曲线在位于强力返流墩二道坝顶端一端的顶端切线沿朝向向上的方向为偏向水垫塘倾斜。
进一步的是：所述的弧形曲线为圆形的部分曲线或者椭圆形的部分曲线。
进一步的是：所述弧形曲线为圆形的部分曲线，其弧形曲线对应的半径r小于强力返流墩二道坝的坝高h。
进一步的是：在强力返流墩二道坝的坝顶具有坝顶平面，在强力返流墩二道坝上背向水垫塘的一侧为下游侧面，在坝顶平面和上游侧面相交处设置有圆弧倒角，在坝顶平面和下游侧面相交处设置有圆弧倒角；所述坝顶平面的宽度l为5m；所述圆弧倒角的半径为2m。
进一步的是：所述下游侧面为倾斜设置的斜平面，所述斜平面的斜面坡比为1﹕0.7。
进一步的是：上游侧面对应的表层为一层抗冲耐磨混凝土层，所述抗冲耐磨混凝土层的厚度为50cm。
另外，本发明还提供一种水垫塘，所述水垫塘由大坝、边墙、强力返流墩二道坝和水垫塘底板围成，所述强力返流墩二道坝设置在大坝下游，其中所述强力返流墩二道坝采用本发明所述的一种用于水垫塘的强力返流墩二道坝；所述强力返流墩二道坝的坝轴线与大坝的泄洪水流的冲击方向垂直。
本发明的有益效果是：本发明采用上游侧面呈内凹的弧形曲面状的强力返流墩二道坝，通过弧形曲面可改变强力返流墩二道坝上游侧面对应的水流方向；这样在水舌落点处首先形成主消能漩滚区，然后水流顺着向下游流动至强力返流墩二道坝被改变方向后进一步与塘内水体发生强有力的二次碰撞消能，有效地提高了水垫塘内水体消能效果。并且通过设置强力返流墩二道坝上游侧面的形状，可使得水流沿强力返流墩二道坝上游侧面流动后折返朝向上游翻滚，进而可再次形成第二个消能漩滚区，水流至强力返流墩二道坝后折返并与塘体内水体发生强有力的二次碰撞消能，可更加有效地提高水垫塘内水体消能效果；并且由于有效地提高了消能效果，因此减少了对二道坝的冲击作用，可进一步减小水垫塘长度，以及更适应下游地形的变化。另外，在上游侧面表层采用50cm厚的抗冲耐磨混凝土以增加坝面抗冲性。另外，通过上述水体的二次碰撞作用后还可进一步增加塘内水体堵塞效果，进而可臃高塘内水体，使得塘内水垫深度增加，实现塘内水垫高度明显高于二道坝坝顶高度的情况；这样，可在实现相同水垫深度的情况下，采用本发明所述的上游侧面为内凹的弧形曲面的强力返流墩二道坝时的坝体高度可低于传统的上游侧面为斜平面的二道坝的坝体高度，也可减小水垫塘长度，进而可有效地减少工程投资。
附图说明
图1为本发明所述的水垫塘的结构示意图；
图2为图1中局部区域a的放大示意图，同时也为强力返流墩二道坝的截面示意图；
图3为强力返流墩二道坝上游侧面对应的弧形曲线为圆形的部分曲线时的示意图；
图4为强力返流墩二道坝上游侧面对应的弧形曲线为椭圆形的部分曲线时的示意图；
图中标记为：强力返流墩二道坝1、上游侧面11、坝顶平面12、下游侧面13、圆弧倒角14、坝轴线15、水垫塘2、弧形曲线3、底端切线4、顶端切线5、水垫塘底板6、大坝7、边墙8、泄洪水流91、第一漩滚水流92、底部水流93、上升水流94、层面水流95、碰撞后水流96、第二漩滚水流97、水平面10。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1至图4中所示，本发明所述的一种用于水垫塘的强力返流墩二道坝，所述强力返流墩二道坝1设置在水垫塘2的下游，在强力返流墩二道坝1上朝向水垫塘2的一侧为上游侧面11，所述上游侧面11从强力返流墩二道坝1的底端至强力返流墩二道坝1顶端为呈内凹的弧形曲面状。
其中，通过设置强力返流墩二道坝1的上游侧面11为上述的内凹的弧形曲面状，在泄洪时，沿二道坝1的上游侧面11的表面从底端至顶端，将使水垫塘2内经过第一漩滚水流92后形成的底部水流93沿上游侧面11逐渐改变方向后形成上升水流94，具体可参照附图1中所示的箭头流向所示。上升水流94将与强力返流墩二道坝顶部的层面水流95发生强有力的二次碰撞，形成碰撞后水流96。设置上游侧面11为内凹的弧形曲面状，其目的是为使沿水垫塘2底部的底部水流93在流至上游侧面11时将随上游侧面11从底端至顶端逐渐改变水流方向后形成上升水流94，并最终从上游侧面11的顶端边沿流出后与流经强力返流墩二道坝顶部的层面水流95可形成接近相对垂直的同向斜碰撞、垂直碰撞或者相向斜碰撞；其中，所谓接近相对垂直，指的是上升水流94与层面水流95的流向呈接近垂直的状态，例如本专利中认为二者流向的夹角在80°至100°的范围内即为上述接近垂直的状态。通过上述碰撞后可有效地提高对水体在强力返流墩二道坝处的二次碰撞消能效果；同时，底部上升水流94与层面水流95碰撞后部分水流会返回塘内，在强力返流墩上游形成反流对冲区，既形成第二漩滚水流97，通过第二次翻滚对冲将再次将强对水体的消能效果。另外，通过上述碰撞作用后还可进一步增加塘内水体堵塞效果，进而可臃高塘内水体，使得塘内水垫深度增加，实现塘内水垫高度明显高于强力返流墩二道坝1坝顶高度的情况；这样，可在实现相同水垫深度的情况下，采用本发明所述的上游侧面11为内凹的弧形曲面的强力返流墩二道坝1时的坝体高度可低于传统的上游侧面为斜平面的二道坝的坝体高度，进而可有效地减少工程投资。
更具体的，本发明中可优选设置所述的弧形曲线3为圆形的部分曲线或者椭圆形的部分曲线；其中弧形曲线3可参照附图2中所示，其指的是在强力返流墩二道坝1的任一横截面上，所述呈弧形曲面状的上游侧面11对应形成为呈内凹的弧形曲线3。其中附图3中所示，其弧形曲线3约为圆形的四分之一曲线，而附图4中所示约为椭圆形的四分之一曲线。另外，当弧形曲线3为圆形的部分曲线时，本发明中进一步设置其弧形曲线3对应的半径r小于二道坝1的坝高h；这样设置的目的是为了使得最终从弧形曲线3顶端一端向外延伸的顶端切线5沿朝向向上的方向为偏向水垫塘2倾斜；最终实现上升水流94与层面水流95的反向碰撞；更有利于形成第二漩滚水流97，以进一步加强第二次水体翻滚对水体的消能效果。
更具体的，为了使得强力返流墩二道坝1的上游侧面11的底端与水垫塘底板6实现平滑连接，以减低对水流的阻挡作用，本发明进一步采用如下设置：设置弧形曲线3在位于二道坝1底端一端的底端切线4与该端部对应的水垫塘底板6相切。
更具体的，本发明中对于上游侧面11可优选采用如下设置：设置弧形曲线3在位于强力返流墩二道坝1顶端一端的顶端切线5与该端部对应的水平面10垂直。通过上述具体结构的设置，可使得从上游侧面11的顶端边沿流出的上升水流94与强力返流墩二道坝顶部的层面水流95形成垂直碰撞效果。另外，本发明中对于上游侧面11也可优选采用如下设置：设置弧形曲线3呈钩状，所述弧形曲线3在位于强力返流墩二道坝1顶端一端的顶端切线5沿朝向向上的方向为偏向水垫塘2倾斜；这样，可使得从上游侧面11的顶端边沿流出的上升水流94与二道坝顶部的层面水流95形成相向斜碰撞效果；将更有利于形成第二漩滚水流97，以进一步加强第二次水体翻滚对水体的消能效果；同理通过设置相应的弧形曲线3后可实现上升水流94与层面水流95形成同向斜碰撞效果。
不失一般性，一般在强力返流墩二道坝1的坝顶具有坝顶平面12，在强力返流墩二道坝1上背向水垫塘2的一侧为下游侧面13，为了避免在相应表面的相交边沿形成锐利的边角结构，本发明中优选在坝顶平面12和上游侧面11相交处设置有圆弧倒角14，在坝顶平面12和下游侧面13相交处设置有圆弧倒角14，以起到平滑连接的作用。
更具体的，通常情况下，强力返流墩二道坝1的相关尺寸等可根据实际情况进行设置，并没有严格限制。例如可根据实际情况，进一步设置所述坝顶平面12的宽度l为5m；而对于圆弧倒角14的半径可根据不同的位置设置不同的值或者设置相同的值，例如设置坝顶平面12和上游侧面11之间的圆弧倒角14以及坝顶平面12和下游侧面13之间的圆弧倒角14的半径均优选设置为2m。另外，在下游侧面13为倾斜的斜平面时，本发明中也可优选设置其斜平面的斜面坡比为1﹕0.7。
更具体的，考虑到上游侧面11需要受到泄洪水流的冲击作用，因此为了提高该表层的抗冲耐磨效果；本发明中进一步在上游侧面11对应的表层设置为一层抗冲耐磨混凝土层111，即该混凝土层采用抗冲刷、耐磨的混凝土材料浇注而成，而将强力返流墩二道坝1的其余部分采用普通的混凝土材料浇注而成即可；例如设置抗冲耐磨混凝土层111由改性硅粉混凝土材料浇注而成，而其余部分则采用常态混凝土材料(及常规使用的普通的混凝土材料即可)浇注而成。更具体的，本发明中进一步优选设置所述抗冲耐磨混凝土层111的厚度为50cm。
另外，本发明还提供一种水垫塘，水垫塘2整体由大坝7、边墙8、强力返流墩二道坝1和水垫塘底板6围成，所述强力返流墩二道坝设置在大坝7下游，其中该水垫塘对应的强力返流墩二道坝1采用本发明中所述的一种用于水垫塘的强力返流墩二道坝1，即其强力返流墩二道坝1的上游侧面采用内凹的弧形曲面状。并且在水垫塘的结构中，可进一步优选设置所述强力返流墩二道坝1的坝轴线15与大坝7的泄洪水流91的冲击方向垂直；具体可参照附图1中所示。这样，从大坝7上的泄洪孔泄下的泄洪水流91将沿垂直于强力返流墩二道坝的坝轴线15的方向冲向强力返流墩二道坝1，更有利于强力返流墩二道坝1的上游侧面11改变底部水流93的流向。
当然，不失一般性，大坝7与强力返流墩二道坝1之间的距离，因应当至少满足第一旋流区的要求，即能有效地形成第一漩滚水流92。更优选地，可预留有相应的距离，确保强力返流墩二道坝1上游侧能形成第二漩滚水流97；即充分利用强力返流墩二道坝1所产生的强有力的二次碰撞消能效果。至于具体大坝7与强力返流墩二道坝1之间的距离，则和大坝7上的泄洪水流的水舌落点关系较大，具体可根据实际工程项目而定。