一种改善扩散型分流池水力流态的方法与流程

本发明属于泵闸合建枢纽工程技术领域，具体涉及一种改善扩散型分流池水力流态的方法。

背景技术：

为综合解决城市河道防洪排涝、通航、水质改善以及生态环境等问题，建造了大量的泵闸枢纽工程。传统泵闸枢纽工程中的水闸与泵站通常分开布置，虽然这对枢纽工程上下游的水流平顺衔接有利，但传统的布置方式过于疏散、占地面积大，在城市水利建设中易造成拆迁和移民安置等问题。而泵闸合建枢纽工程，因其布置紧凑、节约土地资源而成为平原地区普遍采用的一种枢纽布置形式。泵闸合建布置形式解决了大规模征地问题，但因建筑物布置较为紧凑，泵闸合建枢纽进水系统内容易产生不良流态，尤其是进水系统中的分流池内流动比较紊乱，易引起剧烈的螺旋流、回流以及横向流，恶化了泵站和水闸进水流态，从而降低水闸的泄流能力、泵站的运行效率以及机组的运行稳定性，严重时还会淘刷岸坡、护坦等，危及泵闸合建枢纽工程的安全。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提出一种改善扩散型分流池水力流态的方法。

为实现本发明的目的，采用如下技术方案：

一种改善扩散型分流池水力流态的方法，用于改善泵闸合建枢纽进水系统的分流池的水力流态，分流池的进口侧与进水涵渠相连、出口侧与泵闸合建枢纽的前池相接，分流池的进口侧与进水涵渠相连、出口侧与泵闸合建枢纽的前池相接，分流池沿水流主流方向呈扩散型，通过在扩散型分流池内设置由v形底坎和v形组合梁构成的复合式整流装置，v形底坎和v形组合梁的开口均朝向进水涵渠，利用v形底坎对扩散型分流池正向进流进行整流以实现水流充分扩散，改善水流在平面上的流速分布，通过v形组合梁对水流进一步调整，均化水流在立面上的流速分布和池底水流在平面上的流速分布，全面改善扩散型分流池内水力流态，为泵闸合建枢纽提供良好的进流条件；

所述扩散型分流池的长度为l、扩散角为α，分流池内水深为h，扩散型分流池的进口宽度为w1、出口宽度w2=2(sin(α/2)·l)+w1；

所述v形底坎靠近进水涵渠设置，v形底坎包括两块呈v形设置的底板，v形底坎的两端分别与扩散型分流池的两侧边墙相垂直以保证对通过水流起到扩散整流作用，申请人经若干试验和数值模拟分析获得v形底坎结构尺寸及位置的优选范围，底板的高度h1=（0.2~0.4）h，底板的高度太低则其挑流效果不显著、高度过高会造成过流截面积显著减小而易引起水力损失增加及产生大尺度回流区，底板的宽度b1=（0.02~0.05）l，底板的宽度太小难以保证其结构强度、宽度太大会增加制作成本且对整流效果改善不明显，v形底坎中心点o距离扩散型分流池进口的距离l1=（0.1~0.3）l，距离太近会引起分流池进流产生较大的水力损失、距离较远则整流作用不充分；

所述v形组合梁靠近前池设置，v形组合梁两端分别与扩散型分流池的两侧边墙相垂直以保证对通过水流起到扩散整流作用，申请人经若干试验和数值模拟分析获得v形组合梁结构尺寸及位置的优选范围，v形组合梁包括若干层垂向布置的横梁，和设置于最底层横梁下部的圆柱墩，每层的横梁均呈v形设置，且开口均朝向进水涵渠，横梁数量n1=2~4，横梁的数量过少会影响整流效果、数量过多会造成过流截面显著减小而引起较大水力损失，横梁的宽度b2=（0.02~0.05）l，横梁的宽度太小难以保证其结构强度、宽度太大会增加制作成本且对整流效果改善不明显，单层横梁高度h2=（0.1~0.2）h，横梁高度太小对整流效果不明显、高度太大会减小过流截面而增加额外的水力损失，相邻两层横梁间距h3=（0.1~0.3）h，间距太大会影响其整流效果、间距太小会显著增大水力损失，v形组合梁中心点p距离扩散型分流池进口的距离l2=（0.5~0.7）l，距离太近则会对所述v形底坎后的挑流作用效果不明显、距离太远对扩散型分流池出口水流均匀性改善作用不充分；

所述圆柱墩位于最底层横梁的下部，申请人经若干试验和数值模拟分析获得圆柱墩结构尺寸及位置的优选范围，圆柱墩的高度h4=（0.1~0.3）h且圆柱墩顶部与横梁下部相连接，圆柱墩高度太低会影响底部水流过流、高度太高会造成v形组合梁过高而影响其整流效果，圆柱墩的截面直径d=b2，圆柱墩的数量n2=2n+1且n=1~5，圆柱墩的数量过少会影响其整流效果、过多会减小过流截面积，其中一个圆柱墩位于v形组合梁的中心，其余圆柱墩沿v形组合梁中心线对称布置，相邻两圆柱墩的间距w3=（0.2~0.4）w1，间距太大会影响其整流效果、间距太小会显著增加局部水力损失；

优选地，本发明所述v形底坎、v形组合梁以及圆柱墩为钢筋混凝土结构，以保障复合式整流装置能够满足泵站合建枢纽工程设计施工使用要求。

作为一个优选实施例，所述扩散型分流池的长度l为40m、扩散角α为30°，分流池内的水深h为5m，扩散型分流池进口宽度w1为5m、出口宽度w2为25.706m，底板的高度h1为1m、宽度b1为0.8m，v形底坎中心点o距离扩散型分流池进口的距离l1为12m，横梁的数量n1为4，横梁的宽度b2为0.8m，单层横梁的高度h2为0.5m，相邻两层横梁的间距h3为0.5m，v形组合梁中心点p距离扩散型分流池进口的距离l2为20m，圆柱墩的高度h4为0.5m，圆柱墩的截面直径d为0.8m，圆柱墩的数量n2为11且n取5，相邻两圆柱墩的间距w3为1m。

作为另一个优选实施例，所述扩散型分流池的长度l为40m、扩散角α为30°，分流池内的水深h为5m，扩散型分流池进口宽度w1为5m、出口宽度w2为25.706m，底板的高度h1为1.5m、宽度b1为1.2m，v形底坎中心点o距离扩散型分流池进口的距离l1为8m，横梁的数量n1为3，横梁的宽度b2为1.2m，单层横梁的高度h2为0.8m，相邻两层横梁的间距h3为1m，v形组合梁中心点p距离扩散型分流池进口的距离l2为24m，圆柱墩的高度h4为1m，圆柱墩的截面直径d为1.2m，圆柱墩的数量n2为7且n取3，相邻两圆柱墩的间距w3为1.5m。

作为另一个优选实施例，所述扩散型分流池的长度l为40m、扩散角α为30°，分流池内的水深h为5m，扩散型分流池进口宽度w1为5m、出口宽度w2为25.706m，底板的高度h1为2m、宽度b1为2m，v形底坎中心点o距离扩散型分流池进口的距离l1为4m，横梁的数量n1为2，横梁的宽度b2为2m，单层横梁的高度h2为1m，相邻两层横梁的间距h3为1.5m，v形组合梁中心点p距离扩散型分流池进口的距离l2为28m，圆柱墩的高度h4为1.5m，圆柱墩的截面直径d为2m，圆柱墩的数量n2为3且n取1，相邻两圆柱墩的间距w3为2m。

本发明的有益效果是：

本发明所述的改善扩散型分流池水力流态的方法，在泵闸合建枢纽进水系统的扩散型分流池内设置由v形底坎，利用v形底坎对扩散型分流池正向进流进行整流以实现水流充分扩散，改善水流在平面上的流速分布，在v形底坎后方设置带有圆柱墩的v形组合梁，通过带有圆柱墩的v形组合梁对水流进一步调整，均化水流在立面上的流速分布和池底水流在平面上的流速分布，达到全面改善扩散型分流池内水力流态的目的，从而为泵闸合建枢纽提供良好的进流条件，对于确保泵闸合建枢纽安全稳定高效运行具有重要的工程应用价值。

本发明的结构形式简单、容易施工制作，适于在具有扩散型分流池的泵闸合建枢纽的设计与改造工程中推广使用。

附图说明

图1是本发明的平面布置示意图；

图2是本发明实施例的平面结构尺寸示意图；

图3是本发明实施例的立面结构尺寸示意图；

图4是本发明实施例整流前后扩散型分流池出口断面垂向平均流速分布不均匀系数对比图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1~3所示，本发明涉及扩散型分流池1、进水涵渠2、泵闸枢纽前池3、v形底坎4、v形组合梁5、圆柱墩6等技术特征。

一种改善扩散型分流池水力流态的方法，泵闸合建枢纽进水系统的分流池1沿水流主流方向呈扩散型，分流池1的进口侧与进水涵渠2相连、出口侧与泵闸合建枢纽的前池3相接，通过在扩散型分流池1内设置由v形底坎4和带有圆柱墩6的v形组合梁5构成的复合式整流装置，利用v形底坎4对扩散型分流池1正向进流进行整流以实现水流充分扩散，改善水流在平面上的流速分布，通过带有圆柱墩6的v形组合梁5对水流进一步调整，均化水流在立面上的流速分布和池底水流在平面上的流速分布，全面改善扩散型分流池1内水力流态，为泵闸合建枢纽提供良好的进流条件；

所述扩散型分流池1的长度为l、扩散角为α，扩散型分流池1内水深为h，扩散型分流池1的进口宽度为w1、出口宽度w2=2(sin(α/2)·l)+w1；

所述v形底坎4的两端分别与扩散型分流池1的两侧边墙相垂直，v形底坎包括两块呈v形设置的底板，底板的高度h1=（0.2~0.4）h、宽度b1=（0.02~0.05）l，v形底坎4的中心点o距离扩散型分流池1进口的距离l1=（0.1~0.3）l；

所述v形组合梁5两端分别与扩散型分流池1的两侧边墙相垂直，v形组合梁5包括若干层沿垂向布置的横梁，每层横梁均呈v形设置，横梁的数量n1=2~4，横梁的宽度b2=（0.02~0.05）l，单层横梁的高度h2=（0.1~0.2）h，相邻两层横梁间距h3为（0.1~0.3）h，v形组合梁的中心点p距离扩散型分流池进口的距离l2=（0.5~0.7）l；

所述圆柱墩6位于v形组合梁5最底层横梁的下部，圆柱墩6的高度h4=（0.1~0.3）h且圆柱墩6顶部与v形组合梁5的底层横梁下部相连接，圆柱墩6的截面直径d满足d=b2，圆柱墩6的数量n2满足n2=2n+1且n=1~5，中间一个圆柱墩位于v形组合梁5的中心点处、其余圆柱墩沿v形组合梁5中心线对称布置，相邻两圆柱墩的间距w3=（0.2~0.4）w1。

以上所述v形底坎4、v形组合梁5以及圆柱墩6为钢筋混凝土结构，可在泵站合建枢纽工程建设或改造现场进行浇筑成型。

实施例1

本实施例带有本发明所提出的复合式整流装置的扩散型分流池的平面、立面结构尺寸示意图如图2、3所示。

扩散型分流池的长度l=40m、扩散角α=30°，分流池内水深h=5m，扩散型分流池进口宽度w1=5m、出口宽度w2=25.706m，底板的高度h1=0.2h=1m、宽度b1=0.02l=0.8m，v形底坎中心点o距离扩散型分流池进口的距离l1=0.3l=12m，横梁的数量n1=4，横梁的宽度b2=0.02l=0.8m，单层横梁的高度h2=0.1h=0.5m，相邻两层横梁的间距h3=0.1h=0.5m，v形组合梁中心点p距离扩散型分流池进口的距离l2=0.5l=20m，圆柱墩的高度h4=0.1h=0.5m，圆柱墩的截面直径d=b2=0.8m，圆柱墩的数量n2=11且n=5，相邻两圆柱墩的间距w3=0.2w1=1m；v形底坎、v形组合梁以及圆柱墩为钢筋混凝土结构。

实施例2

本实施例所述的复合式整流装置，与实施例1不同之处在于：底板的高度h1=0.3h=1.5m、宽度b1=0.03l=1.2m，v形底坎中心点o距离扩散型分流池进口的距离l1=0.2l=8m，横梁的数量n1=3，横梁的宽度b2=0.03l=1.2m，单层横梁的高度h2=0.16h=0.8m，相邻两层横梁的间距h3=0.2h=1m，v形组合梁中心点p距离扩散型分流池进口的距离l2=0.6l=24m，圆柱墩的高度h4=0.2h=1m，圆柱墩的截面直径d=b2=1.2m，圆柱墩的数量n2=7且n=3，相邻两圆柱墩的间距w3=0.3w1=1.5m。

实施例3

本实施例所述的复合式整流装置，与实施例1和2不同之处在于：底板的高度h1=0.4h=2m、宽度b1=0.05l=2m，v形底坎中心点o距离扩散型分流池进口的距离l1=0.1l=4m，横梁的数量n1=2，横梁的宽度b2=0.05l=2m，单层横梁的高度h2=0.2h=1m，相邻两层横梁的间距h3=0.3h=1.5m，v形组合梁中心点p距离扩散型分流池进口的距离l2=0.7l=28m，圆柱墩的高度h4=0.3h=1.5m，圆柱墩的截面直径d=b2=2m，圆柱墩的数量n2=3且n=1，相邻两圆柱墩的间距w3=0.4w1=2m。

如图4所示，采用三维流动数值模拟方法，对比分析采用本发明上述实施例的复合式整流装置进行整流前、后扩散型分流池出口断面垂向平均流速分布情况，其中流速分布不均匀系数k=(vmax－vmin)/vave，其中vmax、vmin以及vave分别表示分流池出口断面垂向平均流速沿横向分布的最大速度、最小速度以及平均速度，流速分布不均匀系数k值越接近于0，表明分流池出口水流流速分布越均匀，泵闸合建枢纽前池进流的均匀性越好。根据图4可以看出，经本发明整流后的分流池出口的流速分布变得均匀，证明本发明所提出的复合式整流装置能够显著改善扩散型分流池水力流态，有助于确保泵闸合建枢纽具有良好的进流条件，使得泵闸合建枢纽工程能够安全、可靠、稳定运行。

以上结合附图对本发明实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。