一种扩散型反台阶整流消能方法及消力池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水利水电工程泄洪消能领域，涉及一种消能方法及消力池。
【背景技术】
[0002]在水利水电泄水建筑物中，泄流与下游天然河道相衔接时，必然需要消能与调整流速分布。高水头、高Fr数(Fr数称之为弗汝德数，是水力参数，后文简称为“Fr数”)泄水条件，可用挑流加水垫塘，亦可用底流、面流加消力池等措施，达到消能防冲目的。但对于低水头、大单宽、低Fr数水流消能问题一直成为难点，尤其是单宽流量极大(大于300m2/S)、Fr数极低(1~2)情况下，出口消能区域受限时，水流消能难度极大。
[0003]从消能角度，无论哪种消能形式，在消能段能出现完整稳定水跃，对消能极为有利。但稳定水跃形成对来流Fr数、单宽流量、上下游水位差及变化等条件要求较高。很多情况下，尤其是低水头、大单宽、低Fr数水流，上下游水位组合复杂多变、水跃产生区地形地质条件受限，水跃产生形态不稳定，甚至不能形成水跃现象，不能够保证流道出口高效消能。目前，为了利用水跃消能，常采用辅助消能工(墩、坎等)及收缩扩散等方式强迫水流产生水跃现象，但是，对于单宽流量极大(大于300m2/S)、Fr数极低(1~2)，上下游水位差较小，下游水位较低，出口地形地质条件受限(消能区域较短)等情况，消能难度较大，由于出口单宽流量大、流速高，难以形成水跃，消能率极低，造成下游冲刷严重。
[0004]台阶消能方式已在水利工程、景观设计、河流防沙及鱼道工程等领域得到应用，水利工程中常在坝面、溢洪道等处采用台阶进行消能，通过对底流加糙，增加掺气、旋滚、碰撞，达到消能掺气的目的，且多为正向(即每个台阶平面高程沿水流方向逐级降低)台阶。对于反台阶(即每个台阶平面高程沿水流方向逐级升高)消能方式，目前多采用单个台阶型式(如坎、墩等)，用以整流或促使水跃产生，但是消能效果还有待提高。
【发明内容】
[0005]本发明针对低水头、大单宽流量、低Fr数水流，出口消能区域受限、来流及出流顺直情况，提供一种扩散型反台阶整流消能方法及消力池，可有效缩短消力池池长，提高消能率。
[0006]本发明具体采用如下技术方案:
一种扩散型反台阶整流消能方法，其特征是在消力池的末端设置连续反台阶尾坎，，消力池两侧边墙对称分布且向外水平扩散，连续反台阶尾坎由对称且宽度随消力池边墙扩散而变化的台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高，连续反台阶尾坎与来流分层碰撞，分层消减能量，同时使水流横向扩散，在池内充分掺混、紊动，可增加出池阻力，提高池内水跃第二共轭水深，实现整流消能的目的。
[0007]本发明还提供了应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、两侧的边墙及末端的尾坎组成，其特征是所述消力池两侧边墙对称分布且向外水平扩散，尾坎采用连续反台阶尾坎，由对称且宽度随消力池边墙扩散而变化的台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高。
[0008]优选地，所述尾坎阶数为2~5阶；
优选地，所述尾坎单阶高度为2~5m。(各阶台阶高度可以相等，也可以不相等。)
优选地，消力池边墙扩散角度为5° ~15°。
[0009]优选地，跌坎的跌落高度为l/6~l/3h，h为进流水深。
[0010]本发明反台阶尾坎各阶踏步深度可根据实际流态调整需要结合反台阶的阶数及单阶台阶高度综合考虑设计。消力池两侧边墙可以是平面的也可以是曲面的，根据实际流态调整需要决定。
[0011]本发明的扩散型反台阶整流消能方法及消力池利用末端的连续反台阶尾坎代替传统尾坎体型，使水流与尾坎分层碰撞，分层消减能量，增强出池前水流碰撞、掺混、紊动流态，实现碰撞消能；边墙横向扩散，减小单宽流量，均化流速分布；并在前端进口设置跌坎增加池内水深，使水流竖向扩散，促使池内形成水跃消能流态，可有效缩短池长，提高消能率，达到消能和调整流速分布的作用，使出池水流与下游水面平顺衔接，减轻下游冲刷。本发明适用于低水头、大单宽、低Fr数水流状态，进出流均匀，出口后河道轴线与水流同轴，远离岸边，主流无需偏转情况。消力池具体尺寸及体型要求与来流条件及下游水位相适应。
【附图说明】
[0012]图1为平面扩散型反台阶消力池立体图；
图2为平面扩散型反台阶消力池平面图；
图3为曲面扩散型反台阶消力池平面图；
图4为鱼鳞状“伸舌”图；
图5为锯齿状“伸舌”图。
【具体实施方式】
[0013]实施例一
如图1、图2所示，扩散型反台阶消力池由前端的跌坎1、底部的底板2、两侧的边墙3及末端的尾坎4组成，两侧边墙3为平面，以消力池中轴线对称分布，且水平向外扩散，消力池宽度逐渐增加，使出水水流横向扩散；其前端的跌坎I可呈直角或一定坡度跌落，增加池内水深，使水流竖向扩散；其尾坎4设置成连续反台阶尾坎，来流与尾坎的台阶分层碰撞，使出池前水流充分碰撞、掺混、紊动，减小出池流速，雍高尾水水位，促使池内形成水跃消能流态，增加消能效率。
[0014]尾坎4由对称(以消力池中轴线对称)且宽度随消力池宽度逐渐增加的台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高。
[0015]尾坎4的阶数为5阶，单阶高度为2m，边墙3扩散角度为5°，跌坎I跌落高度为l/6h。
[0016]实施例二
扩散型反台阶消力池由前端的跌坎1、底部的底板2、两侧的边墙3及末端的尾坎4组成，两侧边墙3为平面，以消力池中轴线对称分布，且水平向外扩散，消力池宽度逐渐增加，使出水水流横向充分扩散。其尾坎设置成连续反台阶尾坎，来流与尾坎的台阶分层碰撞，使出池前水流充分碰撞、掺混、紊动，减小出池流速，雍高尾水水位，促使池内形成水跃消能流态，增加消能效率。
[0017]尾坎4由对称(以消力池中轴线对称)且宽度随消力池宽度逐渐增加的台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高。
[0018]尾坎4的阶数为3阶，单阶高度为4m，一侧边墙3扩散角度为10°，跌坎I跌落高度为l/3h。
[0019]实施例三
扩散型反台阶消力池由前端的跌坎1、底部的底板2、两侧的边墙3及末端的尾坎4组成，两侧边墙3为平面，以消力池中轴线对称分布，且水平向外扩散，消力池宽度逐渐增加，使出水水流横向充分扩散。其尾坎设置成连续反台阶尾坎，来流与尾坎的台阶分层碰撞，使出池前水流充分碰撞、掺混、紊动，在池内形成高共轭水深水跃。
[0020]尾坎4由对称(以消力池中轴线对称)且宽度随消力池宽度逐渐增加的台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高。
[0021]尾坎4的阶数为2阶，单阶高度为5m，一侧边墙3扩散角度为15°，跌坎I跌落高度为l/4h。
[0022]实施例四
扩散型反台阶消力池由前端的跌坎1、底部的底板2、两侧的边墙3及末端的尾坎4组成，两侧边墙3为曲面(如图3)，以消力池中轴线对称分布，且水平向外扩散，消力池宽度逐渐增加，使出水水流横向充分扩散。其尾坎设置成连续反台阶尾坎，来流与尾坎的台阶分层碰撞，使出池前水流充分碰撞、掺混、紊动，减小出池流速，雍高尾水水位，促使池内形成水跃消能流态，增加消能效率。
[0023]尾坎4由对称(以消力池中轴线对称)且宽度随消力池宽度变化的台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高。
[0024]尾坎4的阶数为4阶，底两层台阶高度均为3m，顶两层台阶高度均为4m，跌坎I跌落高度为l/3h。
[0025]本发明的扩散型反台阶消力池，其连续反台阶尾坎的顶部台阶可以顺水流方向延伸至消力池外，呈“舌头”状伸出，出池水流在此“舌头”交错跌落，具有观赏价值，特别是水体较薄时更为明显。“舌头”形状可为图4所示鱼鳞状，或图5所示锯齿状等别的形状。反台阶结构外形及水流流态可纳入枢纽景观。
【主权项】
1.一种扩散型反台阶整流消能方法，其特征是在消力池的末端设置连续反台阶尾坎，消力池两侧边墙对称分布且向外水平扩散，连续反台阶尾坎由对称且宽度随消力池边墙扩散而变化的台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高，连续反台阶尾坎与来流分层碰撞，同时使水流横向扩散，在池内充分掺混、紊动，增加出池阻力，提高池内水跃第二共轭水深，实现整流消能的目的。
2.如权利要求1所述的扩散型反台阶整流消能方法，其特征是所述连续反台阶尾坎阶数为2-5阶。
3.如权利要求1所述的扩散型反台阶整流消能方法，其特征是所述连续反台阶尾坎单阶高度为2-5m。
4.如权利要求1所述的扩散型反台阶整流消能方法，其特征是消力池边墙扩散角度为5。-15° 。
5.如权利要求1所述的扩散型反台阶整流消能方法，其特征是在消力池前端设置跌落高度为l/6-l/3h的跌坎，h为进流水深。
6.一种扩散型反台阶消力池，由前端的跌坎(I)、底部的底板(2)、两侧的边墙(3)及末端的尾坎(4)组成，其特征是所述消力池两侧边墙对称分布且向外水平扩散，尾坎(4)采用连续反台阶尾坎，由对称且宽度随消力池边墙扩散而变化的台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高。
7.如权利要求6所述的扩散型反台阶消力池，其特征是所述尾坎(4)阶数为2-5阶；尾坎(4)单阶高度为2-5m。
8.如权利要求6所述的扩散型反台阶消力池，其特征是边墙(3)的扩散角度为5。-15° 。
9.如权利要求6所述的扩散型反台阶消力池，其特征是跌坎(I)的跌落高度为l/6-l/3h，h为进流水深。
10.如权利要求6所述的反台阶消力池，其特征是尾坎(4)的顶部台阶顺水流方向延伸至消力池外，呈舌头状伸出。
【专利摘要】本发明公开一种扩散型反台阶整流消能方法及消力池，利用末端的连续反台阶尾坎代替传统尾坎体型，使水流与尾坎分层碰撞，增强出池前水流碰撞、掺混、紊动流态，实现分层碰撞消能。为了采用水跃消能，在前端进口设置跌坎，使水流竖向扩散；边墙水平扩散，使水流横向扩散；末端反台阶分层碰撞水流，抬高尾水，在池内形成强迫水跃现象。可有效缩短池长，提高消能率，达到消能和调整出池流速分布的作用，使出池水流与下游河道平顺衔接，减轻下游冲刷。本发明适用于低水头、大单宽、低Fr数水流状态，进出流均匀，出口后河道轴线与水流同轴，主流无需偏转情况。
【IPC分类】E02B8-06
【公开号】CN104695391
【申请号】CN201510079171
【发明人】吴时强, 王芳芳, 吴修锋, 周杰, 王威, 戴江玉, 薛万云, 吴越杰, 陈惠玲
【申请人】水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院, 河海大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年2月13日