坝面挑坎分流消能的溢流坝的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种坝面挑坎分流消能的溢流坝，溢流坝泄流坡面后接消力池的池底，泄流坡面边墙后接消力池的防护边墙，溢流坝的坝顶设计有若干将水体过流区分隔成若干表孔的闸墩，溢流坝泄流坡面设置有若干间隔分布的分流挑坎，使从表孔出来的水流一部分经挑坎的上坎面，以挑流的形式进入消力池的后部区域，而另一部分水流经两个挑坎之间的流道进入消力池的前部区域，通过水流分散进入消力池实现消能。本发明的消能模式是一种与现有技术消能模式完全不同的全新消能模式，消能效果突出。
【专利说明】坝面挑坎分流消能的溢流坝
【技术领域】
[0001] 本发明属于水利水电工程中水工建筑物泄洪消能领域，具体涉及一种坝面设计有 挑坎分流消能结构的溢流坝。
【背景技术】
[0002] 在水利水电工程中，重力坝是一种常用的坝型，一般来说，重力坝的建筑材料是混 凝土，因此常采用坝身泄洪。对于以坝身泄洪的溢流坝，一般都在坝后修建消力池，采用水 跃的方式来消能。但是，水跃的消能率一般较低，理想情况下约为60?70%，有时甚至更 小。
[0003] 随着大坝高度的增加，下泄水流的速度也迅速增加，其能量也迅速增加，为了避免 水流能量对下游的冲刷破坏，常常需将消力池修建得非常大，这一方面会增加工程建设成 本，另一方面，由于水流能量巨大，其破坏力十分惊人，工程实际也证明，随着大坝高度的增 力口，消力池的破坏率及破坏程度也在不断增加。
[0004] 为了尽可能减小消力池长度及其下游的工程造价，宽尾墩在重力坝表孔中得到广 泛应用。所述表孔即由坝体过流面与两宽尾墩侧面构成的流道。宽尾墩的作用原理是，将 从表孔流出的水流沿纵向拉伸，水流向拉伸会导致一部分水流从空中跌入下游消力池内， 一部分水流仍贴着坝面进入消力池内形成水跃，由于在消力池的池首内，跌落水流会对贴 壁水流造成冲击作用，因此可以使此区域的水流更加紊乱，从而增加能量的消耗，使水流消 能。
[0005] 但是，随着大坝高度的增加，被宽尾墩拉伸的水流在空中的运动过程中会出现集 中现象，这主要是由于，宽尾墩出口处的水流速度，由于坝体面的滞流作用，上层水流速度 小，下层水流速度大，因此，当空中运动距离较大后，不同位置出射的水流运动轨迹会相交， 从而导致水流拉伸后又再次集中，而水流集中后，对消力池前端部的冲击作用会大大增加， 而过大的冲击压力会使消力池底板产生破坏，另外，水流集中后，消能效果也会变差。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的水工建筑物泄流消能设计的现状与不足，本发明的目的旨在提供 一种坝面挑坎分流消能的溢流坝，以实现下泄水流经挑坎分流结构充分消能，避免水流能 量对下游的冲刷破坏。
[0007] 本发明提供的坝面挑坎分流消能的溢流坝，溢流坝泄流坡面后接消力池的池底， 泄流坡面边墙后接消力池的防护边墙，溢流坝的坝顶设计有若干将水体过流区分隔成若干 表孔的闸墩，溢流坝泄流坡面设置有若干间隔分布的分流挑坎，使从表孔出来的水流一部 分经分流挑坎的上坎面，以挑流的形式进入消力池的后部区域，而另一部分水流经两个挑 坎之间的流道进入消力池的前部区域，从而达到分区消能。
[0008] 在本发明的上述技术方案中，所述分流挑坎优先采用反弧挑坎，所述反弧挑坎是 指挑坎的上坎面为一凹形的弧面；进一步优先采用挑坎尾部挑角Θ为-25?25°的反弧 分流挑坎；特别优先采用挑坎尾部挑角Θ为-5?5°的反弧分流挑坎。
[0009] 在本发明的上述技术方案中，所述分流挑坎与溢流坝泄流坡面相接的根部（分流 挑坎起点）宽度b，可按下述公式进行设计：b= (0.4?0.7)B，B为两相邻泄流表孔中轴线 之间的距离；所述分流挑坎优先考虑设计成在平面沿水流方向宽度从与溢流坝泄流坡面相 接的根部向外逐渐加宽延伸；进一步优先虑设计成在平面沿水流方向按照根部与尾端1 : 3?1 :5的扩宽率逐渐加宽延伸。本发明将反弧挑坎设计成按照1 :3?1 :5的扩宽率逐渐 加宽延伸，同时也意味着将两反弧挑坎之间的流道设计成了沿水流方向按照1 :3?1 :5比 例收缩，采取这样的结构设计，可以使两挑坎之间的水流在纵向充分拉伸，从而增加其入水 时的剪切面，增大剪切消能效果。
[0010] 在本发明的上述技术方案中，溢流坝泄流坡面与消力池的池底可通过跌坎连接， 也可平直连接，通过跌坎连接可增强消能效果，但相应地会增加投资成本。溢流坝后接的消 力池，其出口处可设置尾坎，也可不设置尾坎，一般设置有尾坎。
[0011] 在本发明的上述技术方案中，反弧挑坎的位置可按下述条件确定：
[0012] I > I^l2
[0013] Z2 >Z4
[0014] 其中1为水舌挑距，其计算公式为I=VtcosΘ(取正值），公式中Θ为反弧挑坎 尾端挑角，t为时间，V为挑坎尾端出射水体流速，其计算公式为V=Pg(Zx-Z1),g为重力加 速度，Z1为泄流水位高度，Z2为反弧挑坎尾端水位高度；I1为挑坎距消力池起始位置距离， 计算公式为I1 = (Z3-Z5)/i，Z3为反弧挑坎根部水位高度，Z5为消力池池底水位高度，i为 大坝下游坡面坡度；I2为消力池水跃长度；visits，Z4为消力内下游部分 水位高度。
[0015] 本发明提供的坝面挑坎分流消能的溢流坝，通过在溢流坝泄流坡面设置若干间隔 分布的反弧分流挑坎，使从表孔出来的水流一部分经反弧分流挑坎的上表面，以挑流的形 式进入下游消力池的后部区域，而另一部分水流经两个挑坎之间的流道，以贴壁水舌的形 式进入下游消力池的前部区域，在消力池中形成水跃，以挑流形式进入消力池的水流落入 消力池内的水跃区，进一步增大水跃区的水流紊乱，从而达到水体充分消能的目的。
[0016] 为了进一步提高水流的消能效果，在水流分流进入消力池的前提下，最好使每一 支挑流水流尽可能分散地进入消力池，为此，本发明将反弧挑坎的宽度在平面上采取向外 不断增加宽度，这样一方面可使挑坎上的水流在反弧离心力的作用下坦化，扩大水流起挑 时两侧的扩散角，从而使水流进入消力池时在横向尽可能分散，另一方面可使两个挑坎之 间的水流在平面上不断收缩，最后形成窄缝水舌，从而在纵向拉伸。因此，这种形式的挑坎 设计，可同时使两部分水流以不同的方式分散入水，从而提高消能效果。
[0017] 为了保证消能效果，针对不同情况，需调节从反弧挑坎和坝面进入消力池两部分 水流的比例。两部分水流的比例可通过调整反弧挑坎的宽度比例来实现，反弧挑坎的根部 (起点）的宽度b，可按公式b= (0.4?0.7)B来确定，B为两表孔中轴线之间的距离。一 般来说，当下游消力池的水垫深度大时，b取较小值，使较多的水流在消力池前部区域消能； 相反，当下游消力池的水垫深度较小时，不能有效形成水跃时，b取较大值，这样可以减小进 入消力池前部区域水体形成的高速底流对消力池底板的冲刷，但原则上应使进入消力池后 部区域的水流量不超过总水流量的60%。同时，Θ的取值范围可视情况取为-25°?25°， 在下游消力池水垫深度较小情况下，为避免进入后部区域的挑流水流对消力池底板的冲 击,可适量减小Θ值,使其入水角度尽量减小,从而增大其在水垫塘水体中的运行轨迹,减 弱其对底板的冲击。反之，则可适量增大Θ值。
[0018] 本发明提供的坝面挑坎分流消能的溢流坝，与现有技术用于水流消能的水工建筑 物结构完全不同，是发明人经深入的理论分析和长期的思考所提出来的全新的水流消能模 式，是完全不同于现有技术的水流消能水工建筑物结构，丰富了水流消能模式。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 附图1是本发明一种实施方式的立体结构示意图。
[0020] 附图2是附图1所示实施方式的俯视结构示意图。
[0021] 附图3是附图1所示实施方式的水体流态示意图。
[0022] 附图4是本发明另一种实施方式的水体流态示意图。
[0023] 上述附图各图示标号标识对象分别为：1-闸墩；2-边墙；3-溢流坡面；4-分流挑 坎；消力池；6-消力池尾坎；7-挑流水舌；8-溢流水体；9-水跃。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明进行进一步的具体描 述。有必要在此指出的是，实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护 范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和 调整进行实施，但这样的实施应仍属于本发明的保护范围。
[0025] 实施例1
[0026] 本实施例的坝面挑坎分流消能的溢流坝，其结构如附图1和附图2所示，溢流坝泄 流坡面3与消力池5的池底平直连接，泄流坡面边墙2后接消力池的防护边墙，溢流坝的坝 顶设计有若干将水体过流区分隔成若干表孔的闸墩1，溢流坝泄流坡面设置有若干间隔分 布的反弧分流挑坎4,使从表孔出来的水流一部分经反弧挑坎，以挑流的形式进入消力池的 后半部区域，而另一部分水流经两个挑坎之间的流道进入消力池的前半部区域。其中由闸 墩1分隔成的相邻两表孔中轴线之间的距离约为2米，反弧分流挑坎的弧形上坎面尾端挑 角Θ为1〇°左右，反弧分流挑坎与溢流坝泄流坡面相接的根部宽度约为0.8米，反弧分流 挑坎在平面水流方向的宽度从与溢流坝泄流坡面相接的根部向外，按照根部与尾端1 :3的 扩宽率逐渐加宽延伸。反弧分流挑坎反弧挑坎的位置按照1 >h+l2,Z2 >Z4条件确定，其 中1为水舌挑距，计算公式为I=VtcosΘ，公式中Θ为反弧挑坎上坎面尾部挑角，t为时 间，V为挑坎末端出射水体流速，其计算公式为r= )，g为重力加速度，Z1为泄流 水位高度，Z2为反弧挑坎尾端水位高度；I1为挑坎距消力池起始位置距离，计算公式为I1 = (Z3-Z5) /i，Z3为反弧挑坎根部水位高度，Z5为消力池池底水位高度，i为大坝下游坡面坡度； I2为消力池水跃长度；且忑_4=|辦2-visin(9Z4为消力内下游部分水位高度。消力池的出 口设置有尾坎6。下泄水流经反弧挑坎和两挑坎之间的流道进入消力池的水体流态如附图 3所示。
[0027] 实施例2
[0028] 本实施例的坝面挑坎分流消能的溢流坝，溢流坝泄流坡面3与消力池5的池底通 过跌坎连接，泄流坡面边墙2后接消力池的防护边墙，溢流坝的坝顶设计有若干将水体过 流区分隔成若干表孔的闸墩1，溢流坝泄流坡面设置有若干间隔分布的反弧分流挑坎4,使 从表孔出来的水流一部分经反弧挑坎，以挑流的形式进入消力池的后半部区域，而另一部 分水流经两个挑坎之间的流道进入消力池的前半部区域。其中由闸墩1分隔成的相邻两表 孔中轴线之间的距离约为3米，反弧分流挑坎的弧形上坎面尾端挑角Θ为15°左右，反弧 分流挑坎与溢流坝泄流坡面相接的根部宽度约为1. 8米，反弧分流挑坎在平面水流方向的 宽度从与溢流坝泄流坡面相接的根部向外，按照根部与尾端1 :5的扩宽率逐渐加宽延伸。 反弧分流挑坎反弧挑坎的位置按照1 >h+l2,Z2 >Z4条件确定，其中1为水舌挑距，计算公 式为I=vtcosΘ，公式中Θ为反弧挑坎上坎面尾部挑角，t为时间，V为挑坎末端出射水 体流速，其计算公式为V=WgCZ1 -Z2)，g为重力加速度，Z1为泄流水位高度，Z2为反弧挑坎 尾端水位高度山为挑坎距消力池起始位置距离，计算公式为I1 = (Z3_Z5)/i，Z3为反弧挑 坎根部水位高度，Z5为消力池池底水位高度，i为大坝下游坡面坡度；12为消力池水跃长度； 且&-Z4=+y-visir^Z4为消力内下游部分水位高度。消力池的出口设置有尾坎6。下泄 水流经反弧挑坎和两挑坎之间的流道进入消力池的水体流态如附图4所示。
【权利要求】
1. 一种坝面挑坎分流消能的溢流坝，溢流坝泄流坡面（3)后接消力池（5)的池底，泄流 坡面边墙后接消力池的防护边墙（2)，溢流坝的坝顶设计有若干将水体过流区分隔成若干 表孔的闸墩（1)，其特征在于，溢流坝泄流坡面设置有若干间隔分布的分流挑坎（4)，使从 表孔出来的水流一部分经挑坎的上坎面，以挑流的形式进入消力池的后部区域，而另一部 分水流经两个挑坎之间的流道进入消力池的前部区域，从而达到分区消能。
2. 根据权利要求1所述的坝面挑坎分流消能的溢流坝，其特征在于，所述分流挑坎为 反弧分流挑坎。
3. 根据权利要求2所述的坝面挑坎分流消能的溢流坝，其特征在于所述反弧分流挑坎 的弧形上坎面尾端挑角0为-25?25°。
4. 根据权利要求3所述的坝面挑坎分流消能的溢流坝，其特征在于所述反弧分流挑坎 的弧形上坎面尾端挑角0为-5?5°。
5. 根据权利要求1至4之一所述的坝面挑坎分流消能的溢流坝，其特征在于，所述分流 挑坎与溢流坝泄流坡面相接的根部宽度b= (0. 4?0. 7)B，B为两相邻泄流表孔中轴线之 间的距离。
6. 根据权利要求5所述的坝面挑坎分流消能的溢流坝，其特征在于，所述分流挑坎在 平面水流方向的宽度从所述根部向外逐渐加宽延伸。
7. 根据权利要求6所述的坝面挑坎分流消能的溢流坝，其特征在于，所述分流挑坎在 平面水流方向的宽度从所述根部向外按照根部与尾端1 :3?1 :5的扩宽率逐渐加宽延伸。
8. 根据权利要求1至4之一所述的坝面挑坎分流消能的溢流坝，其特征在于，所述溢流 坝泄流坡面（3)与消力池的池底通过跌坎连接。
9. 根据权利要求1至4之一所述的坝面挑坎分流消能的溢流坝，其特征在于，反弧挑坎 的位置按下述条件确定： 1 > 1，12 Z2 >Z4 其中1为水舌挑距，计算公式为l=vtcos0 (取正值），公式中0为反弧挑坎上坎面 尾端挑角，t为时间，v为挑坎末端出射水体流速，其计算公式为
，8为重力加 速度，Zi为泄流水位高度，z2为反弧挑坎尾端水位高度；li为挑坎距消力池起始位置距离， 计算公式为li= (z3-z5)/i，z3为反弧挑坎根部水位高度，z5为消力池池底水位高度，i为 大坝下游坡面坡度；12为消力池水跃长度；且
Z4为消力内下游部分水 位高度。
10. 根据权利要求5所述的坝面挑坎分流消能的溢流坝，其特征在于，反弧挑坎的位置 按下述条件确定： 1. vi2 z2 >z4 其中1为水舌挑距，计算公式为l=vtcose(取正值），公式中0为反弧挑坎上坎面 尾端挑角，t为时间，v为挑坎尾端出射水体流速，其计算公式为
，8为重力加 速度，Zi为泄流水位高度，z2为反弧挑坎尾端水位高度；li为挑坎距消力池起始位置距离， 计算公式为li= (z3-z5)/i，z3为反弧挑坎根部水位高度，z5为消力池池底水位高度，i为 大坝下游坡面坡度；12为消力池水跃长度；且
Z4为消力内下游部分水 位高度。
【文档编号】E02B7/10GK104404926SQ201410525868
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】邓军, 许唯临, 田忠, 张法星, 刘善均, 张建民, 王韦, 曲景学, 刘 文, 周茂林 申请人:四川大学